淺談軌道交通超大基坑抗浮設防水位的確定

肖星球

（中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031）

0 引言

城市建設的高速發展導致土地資源緊缺，“軌道+物業”建設模式應運而生。軌道交通的停車場、車輛段建筑面積大，且由于上蓋物業多采用下沉方案，隨之出現了大量超大規模基坑。由于基坑規模大，抗浮水位對工程造價、結構安全、后期運營管理影響很大，提供科學、合理的抗浮水位對結構設計十分重要。本文選擇地下水模擬系統，研究建立區水文地質概念模型，對軌道交通超大基坑地下水流進行數值分析及模擬，在地下水數值模擬的基礎上確定抗浮設防水位，并且以此為基礎，為軌道交通的發展提供依據，推動軌道交通的發展。

1 研究區概況

1.1 基本情況

深圳市城市軌道交通13號線二期工程（北延）公明車輛段位于光明區，在茅洲河西側，整個地塊呈現南高北低的狀態，當前主要是農業用地和工業用地。線路南北長1300 m，東西寬430 m。公明車輛段擬采用下沉式方案，車輛段蓋體主體結構為鋼筋混凝土框架結構，蓋體結構（圖1）分為出入段線區域（A1/A2/A3）、咽喉區（B1/B2/B3/B4/B5）、檢修主廠房區（C1/C2）、運用庫區（D1/D2/D3/D4/D5/D6）。

圖1 車輛段蓋體結構分區

1.2 研究目標與任務

抗浮設防水位是巖土工程勘察的重要內容，應提高地下水對工程建設影響的認識，對地下水的問題進行認真研究，并根據工程情況合理確定建筑抗浮設計水位。

本文主要結合工程地段的地質水文條件和近年來地下水位的動態數據對地下水位的變化進行模擬，最終確定抗浮設防水位[1]。研究的具體任務包括以下3點：①收集車輛段場地周邊地下水位長期觀測資料，分析地下水的動態變化特征。②建立地下水流模擬模型，根據水位觀測井數據對模型參數進行識別驗證。③結合已有的勘察成果以及地下水流的模擬模型，分析地下水位的影響因素，確定抗浮設防水位，為后續的工程提供技術指導。

1.3 自然環境條件

公明車輛段所屬地區為深圳市，屬于亞熱帶季風氣候，日照時間長，熱量豐富。區域氣候呈現雨熱同季、干涼同期的特點，降雨量和氣溫隨季節變化較大，其降雨集中在5—9月，多年平均降雨量為1935.8 mm，年平均相對濕度為74%。場區及附近地表水主要為大凼水水體（既有明溝）和茅洲河。公明車輛段場地主要處于沖積平原及低臺地地貌區，地形平坦，局部略有起伏，表層為第四系全新統人工填土，其下為第四系沖洪積層的淤泥、淤泥質粉質黏土、泥炭質土、粉質黏土、粉細砂、中粗砂及礫砂層，基巖上部多為第四系殘積層、坡積層所覆蓋，下伏基巖為加里東期片麻狀黑云母花崗巖。

2 場地內水文地質條件

2.1 含水層性質

根據地下水的賦存條件，車輛段場地內地下水類型主要為松散土層孔隙水和基巖裂隙水。具體表現如下：①松散土層孔隙水主要賦存于第四系雜填土、中粗砂和礫砂中。第四系素填土、硬塑狀粉質黏土、砂質黏性土層為微透水～弱透水層，雜填土、中粗砂、礫砂為中等～強透水層，富水性好，屬于潛水～承壓水。②基巖裂隙水主要分布于加里東期片麻狀黑云母花崗巖中，包括風化裂隙水及構造裂隙水，受含水層巖性、地質構造、地貌條件、基巖風化程度及構造破碎程度的影響。總體上，基巖裂隙水發育具非均一性，具有一定承壓性。基巖裂隙水主要賦存于巖石強、中等風化帶及構造破碎帶中。

2.2 地下水的補給、徑流及排泄條件

地下水的補給類型主要為降雨和地表水滲入補給，局部越流補給。場地范圍內降雨量充沛，地表水發育明顯。場區內的降雨受季節因素較為明顯，因此雨季地下水的補給較為豐富。從地下水的運動來看，由于工程區域屬于低臺地地貌，地形平坦，而且夏季的雨水補給強度大，因此雨季的降水通過黏性土覆蓋層滲入巖石裂隙中，成為地下水[2]。從地下水的排泄來看，主要是以地下潛流的方式排泄至茅洲河，少量地下水以蒸發的方式排泄。

2.3 地下水水位變化特征

勘察期間，可以在場區設立長期觀測井，對地下水位進行長期觀測。從地下水的劃分來看，公明車輛段屬于茅洲河地下水系統。根據近年來茅洲河地下水系統的動態觀察資料，結合其補給、排泄等相關因素，綜合分析其水位變化情況。該區域有3口長期觀測井，近5年來，3口觀測井的水位變化不大，豐水期的水位高程為6.55～7.07 m，枯水期平均水位高程為6.51～6.78 m，5年平均水位高程為6.57～6.95 m。場區內的地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，降雨是地下水的主要補給方式，側向徑流是主要排泄方式，茅洲河地下水系統長期觀測井基本信息如表1所示。

表1 茅洲河地下水系統長期觀測井基本信息

2.4 地下水動態影響因素

從地下水的變化規律來看，影響地下水的因素主要包括：①補給因素。這是影響地下水的關鍵因素，其中降雨補給是場區內地下水的主要補給方式，降水量的大小、降水方式、降水強度、降水持續時間，以及地面植被發育情況、地形坡度等均對地下水補給產生影響。②排泄因素。城市地下水通常為戰略儲備資源，人工開采較少，因此地下水主要是以蒸發和徑流作為排泄方式，水位較淺的地下水中，蒸發的因素影響較為明顯。③徑流與儲藏因素。含水層性質對地下水徑流影響明顯；包氣帶作為大氣降水潛水蒸發的通道，對地下水具有間接影響。④局部動態因素。受到地表水體、溝渠等局部因素的影響，地下水位也會發生變化。

3 地下水流數值分析以及數值模擬

本文研究在開展資料收集、野外調查與試驗研究基礎上，依據深圳市比例尺為1:50 000的水文地質圖，分析場區水文地質條件和地下水動態特征，從而建立場區水文地質概念模型。

3.1 研究區域以及邊界條件

根據公明車輛段所在區段，結合自然邊界條件明確地下水模擬區域邊界。東部以茅洲河東岸為界，概化為已知水頭邊界；西部以大凼水庫東岸為界，概化為已知水頭邊界；南部和北部邊界平行于地下水流線，概化為零通量邊界。地表接受大氣降水入滲補給，所以上邊界定為補給邊界；下邊界為裂隙發育較弱的微風化帶地層，以微風化帶頂面作為隔水邊界。

3.2 地下水流數學模型

本次模擬研究中，建立了基于等效多孔介質的三維非均質各向異性非穩定流地下水流模型。研究區地下水流數學模型如式（1）所示。

4 抗浮設防水位確定

4.1 規范對抗浮水位的一般規定

截至目前，國內相關的規范在提到地下水浮力的作用時，沒有給出全面而明確的計算方法。《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007—2002）首次提到抗浮條文：當地下水埋藏較淺，建筑地下室或地下結構存在上浮問題時，應進行抗浮計算。但該規范并未說明如何計算浮力。《建筑地基基礎設計規范》（GB 5007—2011）也未說明抗浮設防水位如何取值，只明確了在簡單浮力作用下采取1.05的安全系數。上海市工程建設規范《地基基礎設計規范》（DG J08-11—2010）以及廣東省標準《建筑地基基礎設計規范》（DB J 15-31—2016）等規范提出了抗浮相關計算方法，指出地下基礎施工需要考慮地下水的分布狀況，并且以設計使用年限內的最高地下水位作為抗浮水位的標準，對地下水水頭進行計算，采取有效的方式控制地下水[3]。湖北省地方標準《建筑地基基礎技術規范》（DB42/242—2014）、國家標準《巖土工程勘察規范（2009修訂版）》（GB 50021—2001）等指出，地下水對基礎的浮力作用需要結合長期地下水勘察資料，選擇相應的最高水位作為水位計算標準，從而確定相關的折減系數。

從當前的相關規范來看，雖然許多條文規范都指出了地下水對地下建筑的影響，且抗浮水位具有現實價值，但是抗浮設防水位的取值方法至今尚未形成共識。地下水位的長期動態變化規律，是一個受氣象、水文、地質、城市規劃、城市用水政策及遠景規劃等因素綜合影響的隨機現象，當前對其遠期動態變化規律進行預測的嘗試尚存在很多困難。然而地下水位的動態變化會直接影響地下結構上的浮力大小，建立相對合理的地下水位預測模型具有重要的現實意義。

4.2 抗浮設防水位確定的參考資料

依據相關規范，結合公明車輛段詳細勘察成果資料，確定其抗浮設防水位的參考資料如下。

（1）場地地形地貌、地下水補給與排泄條件以及車輛段周邊規劃場坪高程。

（2）場地地下水位動態變化規律，根據3個觀測井的長期觀測資料，茅洲河水系的地下水位相對穩定，沒有出現大的波動，其中6—9月雨季時的地下水位最高，而2—5月旱季時的地下水位最低，近5年的水位變化波動不大，在－0.32～0.86 m。

（3）設計使用年限內場地地下水水位預測，按防御100年一遇洪水的最高水位標準數值模擬測定。

（4）對場地地下水位有影響的地表水體（茅洲河和大凼水）的100年一遇洪水位。根據《深圳市河道整治規劃報告》可知，茅洲河100年一遇的供水標高為14.5 m。

4.3 抗浮設防水位

通過對場區地下水流進行數值分析及模擬，結合地下水動態變化規律及影響因素分析，公明車輛段防洪設防水位得以最終確定。分區中給定的抗浮設防水位為區塊中心位置處的平均水位，區塊內的抗浮設防水位隨實際地形起伏而變化，設計可根據抗浮設防水位等值線圖進行取值。

5 結語

本文將地下水流模型引入基坑工程中，通過概化邊界條件，建立起直觀的立體模型，模擬工程建設（基坑開挖）過程中引起的地下水系統流場變化，綜合分析確定符合實際水文地質條件的合理、安全、經濟的抗浮設防水位，研究成果具有進一步推廣的價值。