承壓富水地層地鐵車站基坑降水與回灌施工滲流穩(wěn)定性及地面變形研究*

盧福聰 索 瀟 吳 波 陳立平 卞士海 農忠建 許九保

(1.廣西大學土木建筑工程學院，530004，南寧； 2.廣西防災減災與工程安全重點實驗室，530004，南寧；3.工程防災與結構安全教育部重點實驗室，530004，南寧； 4.廣西交科集團有限公司，530007，南寧；5.浙江省工程勘察設計院集團有限公司，315211，寧波∥第一作者，講師)

地下水控制是巖土工程的一大技術難點[1]，為了降低基坑開挖過程中由地下水帶來的危害，需要施以降水施工。但過渡的降水會帶來地下水資源的破壞以及過大的地面沉降，回灌是一種良好的地下水控制方法[2]。近年來，國內已有較多針對基坑降水方面的研究。文獻[3]考慮了降水過程中的地下水位分布情況，在二維滲流條件下計算地面沉降變形，推導了降水過程中預測地下水及地面沉降的計算方法。文獻[4]在降水引起的土體沉降計算中考慮了修正分層總和法，合理推算出在基坑開挖條件下的基坑外部土體沉降理論公式。文獻[5]結合理論計算和數(shù)值模擬對回灌井深度和回灌壓力進行了控制研究，分析了不同回灌壓力和回灌井深度情況下的地面沉降變化情況，結果表明：選擇合適的回灌井深度和回灌壓力能夠減小地面沉降，但當回灌井過長或回灌壓力過大時，減小地面沉降的效果不太明顯。文獻[6]基于Mod Flow軟件和GTS NX軟件，對工程場地進行壓力回灌試驗，并獲得了不同回灌量下的地面沉降控制情況。目前，對于基坑降水與回灌對地面沉降的影響已有一定的研究，但大多數(shù)研究對象均為潛水，針對承壓水降水和回灌滲流分析的研究較少。

濟南市水文地質條件特殊，地下水類型以承壓水為主且水頭壓力較大，對基坑施工具有較大的危害。本文以濟南某富水承壓基坑為研究對象，分析基坑監(jiān)測結果，并采用有限元數(shù)值分析方法，建立基坑降水-開挖-回灌的三維滲流應力耦合模型，將其與經(jīng)驗值及實測值進行對比，以驗證有限元模型的合理性。本文研究揭示了承壓富水地層車站基坑降水-回灌施工的滲流變形規(guī)律，可為施工相關問題提供借鑒與參考。

1 工程概況

濟南某富水承壓深基坑的設計里程為SK 26+559.367—SK 26+769.967，全長210.6 m。車站站臺長為120.0 m，站臺寬為11.0 m，車站標準段總寬為18.3 m。采用旋噴樁止水帷幕與袖閥管注漿結合的方式作為圍護結構方案。根據(jù)《濟南市軌道交通R2線一期工程設計技術要求》和JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》中的相關規(guī)定，車站圍護結構形式為φ1 000 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁+鋼支撐，標準段豎直方向采用頂部冠梁與2道鋼支撐，端頭井通過換撐架設第4道鋼支撐。

1.1 工程地質概況

該車站所在地貌為平原，地勢較為平整，地質勘測結果顯示，車站場地地層自上而下劃分為7層，各層的土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 基坑場地各地層物理性質指標

1.2 降低水位設計

潛水及承壓水為該車站降水目標。在車站標準段，降水井的井深為22 m，間距為24～26 m；在車站端頭，降水井的井深為24 m，間距25～30 m。降水井設置36眼。降水井設置于基坑內部。回灌井共20眼，距離基坑圍護結構10～20 m，沿基坑外延設置，間距為25 m，回灌井深度為12 m，過濾段長度為3 m。

2 基坑監(jiān)測方案

對基坑支護體系和周邊環(huán)境進行監(jiān)測，基坑監(jiān)測點布置圖截圖如圖1所示。測點主要用于監(jiān)測基坑開挖過程中圍護結構的水平位移、地面沉降與水位變化，針對監(jiān)測數(shù)據(jù)合理安排開挖與降水速率，同時采取必要措施保證基坑施工的安全。圍護結構水平位移、地面沉降與水位監(jiān)測點均沿坑周布置，地面監(jiān)測點每處徑向各布置3個點，用以監(jiān)測遠離基坑方向的地面沉降變化。

圖1 基坑監(jiān)測點布置圖截圖Fig.1 Screenshot of monitoring points layout in foundation pit

3 基坑監(jiān)測結果

3.1 坑周地面沉降變化監(jiān)測

選取基坑端頭6個地面沉降監(jiān)測點(DB19—DB24)，其坑周地面沉降變化如圖2所示。截至2019年3月1日基坑開挖至設計標高時，DB20觀測點處的地面沉降為23.4 mm，距基坑約10～20 m處為地面沉降最大點位。在回灌施工后，距基坑較遠處DB24觀測點的地面沉降逐漸恢復至8.7 mm，最后趨于穩(wěn)定。由于在基坑開挖前進行了地基加固處理，且降水及回灌對遠端地面沉降的影響有限，距基坑小于5 m或大于30 m處的沉降趨勢不明顯。

圖2 基坑周邊不同測點的地面沉降曲線

3.2 基坑開挖期間的水位變化監(jiān)測

選取6個水位監(jiān)測點進行分析，不同測點地下水位隨時間的變化曲線如圖3所示。地下水位下降按降水設計要求一直保持在基坑開挖面以下，在2019年3月20日基坑周邊施作回灌施工后，地下水位呈上升趨勢。故需在施工過程中合理降水并施以回灌施工，以減小由降水帶來的地下水滲流破壞而導致的地面沉降過大，保證基坑施工的安全性。

圖3 不同測點地下水位隨時間變化曲線

4 基坑開挖滲流模擬與分析

4.1 地下水滲流理論

在承壓完整井降水-回灌共同作用時，假設承壓含水平面的二維滲流中勢函數(shù)為：

dφ=kMdh

(1)

式中：

M——含水層厚度；

k——含水層滲透系數(shù)；

φ——滲流量；

h——水頭。

同樣，按潛水完整井求承壓完整井降水-回灌共同作用下的浸潤曲線方程，其具體推導過程可參考文獻[7]。降水井與回灌井共同作用下的地下水變化為：

hc=hcj+hch-M

(2)

式中：

hc——降水-回灌共同作用下的水頭；

hcj——降水井群共同作用下的水頭；

hch——多回灌井共同作用下的水頭。

4.2 數(shù)值模擬

對車站深基坑建立Midas GTS有限元軟件的開挖-降水-回灌應力滲流耦合模型，在模型兩側施加初始水頭邊界(水頭值為31 m)，用以模擬施工前地下水初始滲流場。承壓水通過節(jié)點水頭進行模擬，在每開挖步前施加低于開挖面3 m的節(jié)點水頭模擬降水。開挖過程中，地下水一直保持在基坑底部。土體選用修正摩爾-庫倫彈塑性屈服準則實體單元，內部支撐和圍護樁采用線彈性本構模型進行模擬。基于基坑開挖與降水影響范圍，土體模型設置為600 m×400 m×50 m。有限元計算模型如圖4所示，圍護結構單元如圖5所示。具體施工步驟為：

圖4 有限元計算模型Fig.4 Finite element calculation model

步驟1：在開挖深度為0處設置混凝土支撐和冠梁；

圖5 圍護結構單元Fig.5 Enclosure structure unit

步驟2：第2道鋼支撐架設于開挖深度5.75 m處，水頭降至23 m(開挖深度為7.60 m);

步驟3：第3道鋼支撐架設于開挖深度11.15 m處，水頭降至17 m(開挖深度為13.50 m)；

步驟4：第4道鋼支撐架設于開挖深度14.30 m端頭井處，設置底板，水頭降至13 m(開挖深度為16.00 m)；

步驟5：進行回灌施工。

4.3 降低水位滲流分析

上述施工步驟中，步驟1、步驟2和步驟5中的孔隙水壓力軟件模擬結果截圖如圖6所示。由圖6可知，基坑未開挖及降水施工時，基坑內、外部存在水頭差，孔隙水壓力呈水平自然狀態(tài)分布，土體在原有應力狀態(tài)下保持靜止；向基坑內部的滲流作用是由于降水導致了地下水壓力失衡；在進行回灌施工時，與降水過程相反，回灌過程中的回灌井內壓力一般大于地下水孔隙水壓力，從而形成壓力差，將水流壓入地下，在一定程度上恢復由降水而破壞的地下水原本滲流。

圖6 孔隙水壓力軟件模擬結果截圖Fig.6 Screenshots of software simulation results of pore pressure

在降水的過程中，降低地下水水位會引起土體有效應力的增加，進而加大周邊地面的沉降；在回灌過程中，提升地下水水位會引起土體有效應力的降低，進而影響土體固結與地面沉降。因此，在降水與回灌施工中都應密切關注基坑周邊的地面沉降情況，避免事故的發(fā)生。

4.4 模擬結果與監(jiān)測結果的對比分析

4.4.1 樁體水平位移

模擬結果選取ZQT12—ZQT14在施工步驟4～5中的樁體水平位移，實測值選取2019年3月1日(基坑開挖至設計標高并架設鋼支撐，此時處于最大樁體水平位移狀態(tài))ZQT12—ZQT14的水平位移，其對比曲線如圖7所示。由圖7可知，考慮滲流耦合效應后，模擬值與實測值吻合得較好，則此模型可用于模擬后續(xù)優(yōu)化設計模型。但實測值與模擬值也具有一定的差值，這主要是由于在實際基坑開挖至設計標高前控制了降水速率，給予了坑下土排水固結時間，使坑下土具有較好的固結度，從而使其圍護結構水平位移稍小于模擬值，這表明土體的降水固結行為能提升其抵抗變形的能力。

圖7 實測值與數(shù)值模擬值的樁體水平位移結果對比

考慮滲流效應的模擬能夠應用于預測實際變形過程，這與文獻[7]得出的結論類似。考慮降水回灌的影響，基坑底部大于開挖標高的坑下土部分受到滲流作用的影響，導致樁體水平位移在開挖土層下部再次增大，形成“踢腳”的危險工況。在實際工程中，特別是富水承壓地層中，應對坑下土進行加固壓實作業(yè)，并嚴格控制降水與回灌量，以避免坑下地下水突涌導致發(fā)生事故。

4.4.2 地下水變化與地面變形

基坑底部4 m以下的地下水回灌和降水壓力曲線與受地下水回灌影響的地面變形曲線如圖8所示。由圖8可知，相較于單一的由降水、回灌帶來的水-土應力失衡，降水與回灌共同作用帶來了較大的水頭應力差，當其超過一定臨界值后，水-土的應力失衡進一步增大，需經(jīng)更大的變形才能重新平衡，故其孔隙水壓力與地面變形曲線并不是簡單的疊加。文獻[7]的研究結果表明越近的壓力回灌，對圍護結構的不利影響越大。

圖8 回灌與降水對地面變形和地下水壓力的影響

當回灌井距離基坑越近，在其作用下的水位變化會越大，則產生的水頭變幅就越大，由此產生的地面變形也會相應增大，從而帶來過高的地下水位，也增加了基坑施工的風險，增大了圍護結構發(fā)生滲水、突涌等危險工況的可能性。但回灌井距離基坑過遠，其抬升地下水的幅度在降水中心處的作用會顯得過于薄弱，對恢復降水區(qū)域地下水滲流效果不明顯，所以應嚴格控制回灌井與基坑之間的距離。

4.4.3 回灌井距離優(yōu)化設計

控制回灌井與基坑之間的距離既能控制地下水位與地面變形，又不至于危害圍護結構。控制距離設為3 m，研究與基坑之間不同距離的回灌井對圍護結構和地面隆起的影響，模擬結果如圖9所示。由圖9可知：在考慮滲流-回灌耦合情況下，在距基坑約30 m處設置回灌井，對基坑圍護結構隆起的影響將會降至最小，且隨著回灌井與基坑之間距離的增加，其影響變化并不明顯；當回灌井與基坑之間的距離約為32 m時，回灌點地表隆起最小，適當減小或增大此距離都會導致過大的地表隆起。所以，回灌井與基坑之間的最佳距離應控制在20～60 m，在此區(qū)間內能在最大程度上控制由回灌帶來的地面隆起。

圖9 不同回灌井距離對圍護結構和地面隆起的影響

5 結語

1) 在開挖-降水-回灌作用下，對比實際施工監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結果，兩者總體上吻合得較好，但數(shù)值模擬較實測值偏大，可能是由于實際施工中地層的不均勻滲透系數(shù)導致地下水滲流較小引起的。

2) 考慮降水-回灌作用，在基坑開挖與降水過程中，基坑上部支撐先增大后穩(wěn)定減小、底部支撐軸力逐漸增加、圍護結構與周圍土體繞中軸整體轉動。

3) 應嚴格控制基坑降水量，避免回灌井與降水井同時作業(yè)，在保證開挖處水位低于開挖面的同時，盡可能降低降水參數(shù)；加強對周邊地層沉降的監(jiān)測，在實際施工前應加強土體底部的壓實性；施工中在開挖至底層時應加強基坑底部監(jiān)測，開挖至標高后應盡快施作底板以穩(wěn)定基坑。

4) 應嚴格控制回灌井與基坑距離，避免回灌井過近造成地下水位抬升過高而危害基坑圍護結構；同時也應避免回灌井過遠導致其作用效果減小，無法起到恢復地下水滲流與控制地面變形的情況。

5) 本文討論了在開挖-降水-回灌作用下，基坑及其周邊土層與地下水滲流的變化情況，但僅限于回灌井與基坑的距離，對于回灌井的數(shù)量、密度、間距及回灌壓力等參數(shù)如何進一步影響基坑、土層與地下水滲流還需進一步研究。