對天津某地鐵站基坑降水底部穩(wěn)定及地面沉降預測分析

□文/柴文可 陳 庚

對天津某地鐵站基坑降水底部穩(wěn)定及地面沉降預測分析

□文/柴文可 陳 庚

深基坑的開挖過程需進行降水工作，而降水過程中基坑底部穩(wěn)定及其引起的周邊建筑物次生沉降病害需重點關注。文章依托天津某地鐵站施工降水工程開展上述問題的討論，對基坑底部穩(wěn)定、降水引發(fā)沉降病害的范圍及其變形形式、地下連續(xù)墻打設深度及其對周邊建筑物的沉降影響等內(nèi)容予以分析，得出該地區(qū)不同地下連續(xù)墻打設深度下的降水對周邊建筑物影響計算擬合公式，便于簡化沉降監(jiān)測的沉降點布控。

基坑；降水；地下連續(xù)墻；地鐵；穩(wěn)定；沉降

降水工程是深基坑、隧道、地鐵等地下工程的重要組成部分，降水對周邊環(huán)境帶來的影響需予以研究。王軍[1]、馮曉臘[2]及宋仁亮[3]等分別對降水工程的方法選擇、止水帷幕的作用等進行了分析。本文結(jié)合天津某地鐵站施工降水工程，采用數(shù)值計算等方法驗算地鐵站底部穩(wěn)定情況，分析地鐵站基坑周邊建筑物在不同深度地下連續(xù)墻截滲作用下的沉降穩(wěn)定并與實測數(shù)據(jù)予以對比分析。

1 工程概述及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

在建某地鐵站位于天津市河西區(qū)，西南-東北向布置，場地范圍內(nèi)地勢平坦，周邊既有建筑物眾多，對地鐵站施工沉降控制要求較為嚴格。地鐵站主體結(jié)構(gòu)總長276 m，標準段基坑寬 23.3 m，深約 25.62 m，盾構(gòu)井段基坑寬27.1 m，深約27.42 m，主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆做法施工，基坑圍護結(jié)構(gòu)擬采用地下連續(xù)墻，厚度控制為1 000 mm，結(jié)構(gòu)樁為直徑2 m的旋挖擴底樁，基底以下長35 m；附屬結(jié)構(gòu)基坑深度約為10 m，圍護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，深度為20 m。

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗結(jié)果，勘察場區(qū)地層自上而下依次為雜填土①1層，層底標高-1.50～1.62 m；粉質(zhì)粘土④1層，灰黃色～褐黃色，可塑，局部軟塑，中壓縮性，偶見螺殼、有機質(zhì)，含銹斑，場地范圍內(nèi)普遍分布；粉土④2層，灰黃色～褐黃色，濕，密實，局部中密，中低壓縮性，含云母、氧化鐵，土質(zhì)不均，場地范圍內(nèi)不連續(xù)分布，層底標高-3.95～-0.29 m；粉土⑥1t層、粉質(zhì)粘土⑥1層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土⑥1t層、粉土⑥3層、粉質(zhì)粘土⑥4層及淤泥質(zhì)土⑥4t層，層底標高-10.85～-9.21 m；粉質(zhì)粘土⑦層，灰色，可塑，局部軟塑，中壓縮性，含云母、氧化鐵，層底標高-12.51～-10.87 m；粉質(zhì)粘土⑧層，層底標高-19.81～-29.45 m；粉土層，可塑，中壓縮性，含云母、氧化鐵，層底標高-53.35～-47.75 m，所有鉆孔未穿透此層。

根據(jù)勘察結(jié)果及區(qū)域性地下水資料，地下水類型主要為松散巖類孔隙水，鉆孔深度范圍內(nèi)地下水可細分為潛水、第一層承壓水、第二層承壓水。其中潛水含水層粉質(zhì)粘土④層、粉土④2層、粉土⑥1t層、粉質(zhì)粘土⑥1層、粉土⑥3層、粉質(zhì)粘土⑥4層，該層水的水位標高1.569～1.630 m；第一承壓水：含水層為粉土粉土-2.911 m。

2 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗算

基坑開挖后，與承壓含水層頂板間距離減小，相應承壓含水層上部土壓力也隨之減??；當基坑開挖到一定深度后，承壓含水層承壓水頂托力可能大于其上覆土壓力，導致基坑底部失穩(wěn)，嚴重危害安全。因此，在開挖過程中，需考慮基坑底部承壓含水層的水壓力，必要時按需降壓，保障安全。基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。

式中：h為基坑底至承壓含水層頂板間各層土的厚度，m；γs為基坑底至承壓含水層頂板間各層土的重度，kN/m3；H為承壓水位高于承壓含水層頂板的高度，m；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；Fs為基坑抗突涌安全系數(shù)。

因第一承壓含水層主要為粉土⑧層、粉土⑨層、粉土⑩層，未連續(xù)成層分布，厚度相對較小且距離基坑開挖面較近，考慮到止水帷幕已隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，故直接采用疏干降水的方式，前期減壓，后期疏干?；拥装蹇钩袎核挥糠€(wěn)定性計算主要針對場地下覆第二承壓含水層；針對第二承壓水上部，其初始水位取大沽標高-2.803 m（按本場地設計地面標高2.800 m換算得埋深5.603 m），土重度取平均值 19.5 kN/m3，安全系數(shù)取1.1?；拥装蹇雇挥糠€(wěn)定性驗算結(jié)果見表1。

表1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗算結(jié)果

針對第二承壓水下部，因第二承壓含水層下部層頂變化較大故對其進行分段計算，其承壓水水位約為大沽標高-2.803 m，基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗算結(jié)果見表2。

表2 第二承壓含水層下部承壓水位控制值

由表2可知，當安全系數(shù)取1.1時，僅大小里程端頭井處需降1.563 m和0.069 m；安全系數(shù)取1.05時，主體基坑都不需要減壓降水。由于承壓水位計算時是參考第二承壓含水層上部的承壓水位，所以承壓水位偏高，另第二承壓含水層上下部在部分地區(qū)有直接的水力聯(lián)系，第二承壓含水層上部水位降低必然會帶動第二承壓含水層下部的水位下降，故不需單獨設置降壓井。

3 地下水滲流地面沉降模型及計算

根據(jù)陳崇希[4]對地下水流動問題的研究，基坑降水過程中，在考慮各向異性承壓含水層中地下水三維不穩(wěn)定流問題時，該狀況的地下水流動規(guī)律可用以下三維模型表達：

式中：B1為研究區(qū)的第一類邊界（定水頭邊界）；B2為研究區(qū)的第二類邊界（定流量邊界）；M為第二類邊界B2處的滲流速度；Kxx、Kyy、Kzz分別為 x、y、z 方向上的滲透系數(shù)，為方便起見，認為土體各向滲透系數(shù)均相同。

參照Burbey T J[5～6]對地下水位下降引起的含水層壓縮量的計算研究，認為承壓含水層可分彈性變形量和非彈性變形量，即-ΔhSskeb0和-ΔhSskvb0，潛水含水層的彈性變形及非彈性變形分別為-Δh(1-n+nw)Sskeb0和 -Δh(1-n+nw)Sskvb0，將上述二模型通過水頭項耦合計算進行求解。依據(jù)現(xiàn)場施工進度要求及連續(xù)墻設置深度建議，對比施工降水3月后不同連續(xù)墻深度下的周邊建筑物沉降值，見圖1。

圖1 基坑降水周邊沉降計算值

由圖1看出，降水主要影響區(qū)域在基坑外50 m，沉降量成冪指數(shù)衰減；在50 m之外地面沉降有所衰減，可近似線性沉降曲線，依此分析附近沉降物的施工期降水沉降具有較好參照性，其擬合公式為

式中：S為地面沉降值，mm；S50為基坑50 m處地面沉降值，mm；H 為地下連續(xù)墻深度，m，H∈（45，59.5）；L為距離基坑水平距離，m。

可對一定埋深背景下的不同埋深地下連續(xù)墻作用因基坑開挖降水作用下的遠距離地面沉降予以預測分析。

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

為驗證上述模型及預測擬合公式的準確性，采用數(shù)值計算對基坑降水沉降進行分析，按照勘察資料，概化后的地層及初始水位參見表3。

表3 模型地層概化

基坑地下連續(xù)墻未能完全隔斷第二承壓含水層，因此不同地下連續(xù)墻深度下的沉降見圖2。

圖2 基坑降水周邊沉降

由圖2可知，降水運行對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響的范圍約為200～300 m，隨著地下連續(xù)墻深度的增加，降水運行對基坑外環(huán)境的影響隨之減小且越靠近基坑，不同地下連續(xù)墻類型造成的沉降差異越大；越遠離基坑，沉降差異越小。

5 結(jié)論

1）基坑開挖時，當基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力大于承壓水的頂托力時，下部承壓水無需采用地下連續(xù)墻完全截斷。

2）考慮各向異性承壓含水層中地下水三維不穩(wěn)定流問題及土層彈塑性變形分算時，在本基坑50 m之外地面沉降有所衰減，可近似線性沉降曲線且可形成擬合公式，便于簡化沉降監(jiān)測的沉降點布控。

3）隨著地下連續(xù)墻深度的增加，降水運行對基坑外環(huán)境的影響隨之減小且越靠近基坑，不同地下連續(xù)墻類型造成的沉降差異越大；越遠離基坑，沉降差異越小。

[1]王 軍，王 彪.軟土地區(qū)地鐵基坑降水方法選擇[J].山西建筑，2010，（33）：114-115.

[2]馮曉臘，謝武軍，盧智強，等.懸掛式止水帷幕對基坑降水的影響[J].土工基礎，2006，（4）：33-36.

[3]宋仁亮，王文龍，馮江鵬.無錫蠡湖隧道某標基坑降水方案應用和分析[J].安徽建筑，2010，（6）：84-86.

[4]陳崇希，唐仲華.地下水流動問題數(shù)值方法[M].武漢：中國地質(zhì)大學出版社，2009.

[5]Hsieh P A.Documentation of a computer program to simulate horizon tal-flow barriers using the U.S.geological survey modular three-dimensional-fi nite-difference ground water flow model[R].Geological Survey Open File Report，1993.

[6]Burbey T J，Helm D C.Modeling three-dimensional defor mation in response to pumping of unconsolidated aquifers[J].Environmental and Engineering Geoscience，1999.

□陳 庚/河海大學巖土工程科學研究所。

U455

C

1008-3197（2013）06-35-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.06.015

2013-10-10

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃（CXZZ12_0233）

柴文可/男，1988年年出生，天津地下鐵道集團有限公司，從事工程技術管理工作。