武漢某地鐵基坑降水引發(fā)的地面沉降數(shù)值模擬分析

熊志濤，葉騰升，文美霞，王 偉

(湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

在地鐵工程(特別是車站基坑)施工過程中，由于地下水位標(biāo)高通常大于基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高，為了施工安全，需要進(jìn)行基坑降水。而基坑防水施工過程，需長時(shí)間保持低水位，往往使地鐵車站及周邊一定范圍內(nèi)形成一個(gè)“降落漏斗區(qū)”，導(dǎo)致土體中含水量降低，特別是承壓含水層水位的大幅降低，造成地面沉降、塌陷和開裂等災(zāi)害，同時(shí)可能造成周邊地下水流失，加劇城市地下水資源的局部短缺［1］。

本文選取武漢某正在施工建設(shè)的地鐵基坑工程為研究對(duì)象，首先建立施工區(qū)含水層三維水流數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法，分析不同施工方式下地鐵基坑降水對(duì)地面沉降的影響，進(jìn)而提出合理的防治措施。

1 研究區(qū)概況

施工區(qū)位于長江西岸、漢江北岸，屬河流沖積平原地貌，地形平坦。該區(qū)覆蓋層地層巖性為第四系全新統(tǒng)沖積層粘土、粉細(xì)砂、砂礫石層。地下水為第四系孔隙承壓水，主要賦存于粉細(xì)砂及砂礫石層，土體透水性強(qiáng)，地下水豐富，是區(qū)內(nèi)主要含水層。

根據(jù)施工區(qū)地層分布規(guī)律、巖土體物理力學(xué)性質(zhì)、地下水開采現(xiàn)狀等，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)特征、補(bǔ)徑排條件分析，地下水流問題可以概化為非均質(zhì)三維地下水滲流模型。

2 基坑降水引發(fā)地面沉降分析

抽取地下水引起的土層壓縮變形反映在土層孔隙的變化，因而根據(jù)土力學(xué)原理，由土層孔隙的變化，可以求得土層的壓縮變形量［2-4］。

式中:av為壓縮系數(shù);γw為水體重力密度;H為水頭;S0為土體初始高度為;e0為孔隙比。

可見，當(dāng)水位降深相等時(shí)，即dH不變，土層的壓縮變形量與原始厚度、初始孔隙比和土層壓縮系數(shù)有關(guān)。依定義土體的側(cè)限壓縮模量，所以土層的壓縮變形量，與水位降深、壓縮模量和土層的初始厚度有關(guān)［5］。

若共有N層土層，則總的沉降量為:

基坑主要采用明挖法圍護(hù)施工，側(cè)向隔水帷幕采用地下連續(xù)墻，坑底采用封底隔水帷幕。該施工工程具有基坑開挖規(guī)模大、地層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、周邊建筑物密集且重要、施工難度大等特點(diǎn)?；咏邓l(fā)的地面沉降，主要原因可歸結(jié)于人工抽水引起周邊土體的孔隙度降低。關(guān)于基坑降水引發(fā)的地面沉降量計(jì)算，首先采用GMS數(shù)值模擬方法，模擬計(jì)算出某一時(shí)刻的基坑降水水位降深，分析基坑區(qū)地層巖性及工程地質(zhì)條件，對(duì)于不同土層分別賦予壓縮模量Esi及初始厚度S0i值。最后，分別計(jì)算每層土體沉降量，疊加結(jié)果即為土層總沉降量［6］。求解過程如下:

(1)建立研究區(qū)地下水?dāng)?shù)值模型，模擬預(yù)測基坑降水條件下地下水水位降深值。

(2)分析基坑施工區(qū)背景地質(zhì)條件，對(duì)巖土層進(jìn)行概化。

(3)對(duì)不同巖土層分別給定相應(yīng)的壓縮模量Esi及初始厚度S0i。

(4)分別計(jì)算每層土層沉降量，最后計(jì)算出綜合沉降量。

該區(qū)地層可概括為3層，參數(shù)選取如下:

第一層(粘性土層):Es1=12．55 MPa，S01=10 ～15 m。

第二層(粉細(xì)砂層):Es2=32．51 MPa，S02=10．5 ～15．5 m。

第三層(砂礫石層):Es3=50．21 MPa，S03=9．5 ～12．7 m。

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，本次施工開挖基坑長約300 m，寬約47 m，深約28．32m?；铀闹懿贾幂椛渚?，基坑水位最大降深為25．5m。根據(jù)國內(nèi)外地鐵施工工期先例［7］，地鐵施工工期一般在三年，分析在不同基坑施工方式下，基坑周邊三年后地面沉降量，將計(jì)算沉降量與監(jiān)測沉降量相對(duì)比，為工程施工提供一定的借鑒。

圖1 基坑外降水施工區(qū)地層概化圖Fig．1 Formation generaliztion of precipitation of foundation pit exterior in construction area

2．1 基坑外輻射井降水

根據(jù)工程基坑降水要求，地下水位降深為25．5 m(圖2)，GMS數(shù)值模擬顯示，如果采取基坑外輻射井降水的方式，假設(shè)在基坑周邊布設(shè)四個(gè)井孔，獲取的地下水流場分布見圖2。根據(jù)圖2分析可知，輻射井單井涌水量達(dá)到3 200 m3/d，中心水位降深可達(dá)25．5 m，影響范圍約為2 500 m。根據(jù)地面沉降量計(jì)算公式及流場分布狀況，在與長江垂直方向上，向基坑兩側(cè)選取地面與基坑等距點(diǎn)，結(jié)合地層分布情況，計(jì)算得到地面沉降量(表1)。從地面沉降數(shù)據(jù)結(jié)果可知，如單純采取基坑外輻射井降水方式處理，在基坑施工過程中，將引發(fā)基坑周邊大范圍地下水疏干，從而誘發(fā)大規(guī)模地面沉降，對(duì)周邊建筑和道路造成嚴(yán)重影響，應(yīng)在實(shí)際施工中予以避免［8］。

圖2 基坑外單井涌水量3 200 m3/d時(shí)地下水流場圖Fig．2 Flow field diagram of water infolw of 3 200 m3/d

表1 基坑外降水引起不同方向地面沉降量計(jì)算表Table 1 Calculation table of amount of land subsidence in different directions

2．2 基坑內(nèi)輻射井降水

地鐵基坑施工過程中，一般采取地下連續(xù)墻、隔滲帷幕邊施工邊降水的方式，減小因工程降水對(duì)周邊地質(zhì)環(huán)境的影響［9］。在此情況下基坑內(nèi)布設(shè)四個(gè)井孔，上層施工過程中，粘土層為相對(duì)隔水層;向下施工過程中，應(yīng)進(jìn)行基坑降水，防止坑底涌水涌砂。本次基坑內(nèi)降水主要對(duì)單井涌水量500 m3/d、1 000 m3/d兩種情況進(jìn)行模擬預(yù)測，分析不同涌水量下對(duì)周邊地面沉降的影響。

當(dāng)單井涌水量為500 m3/d時(shí)，降水影響范圍可達(dá)1 800 m，中心水位降深為3．31 m(圖3)，根據(jù)地面沉降量計(jì)算公式及地下水流場分布狀況(圖4)，計(jì)算得到的地面沉降量見表2。

圖3 基坑內(nèi)降水(500 m3/d)施工區(qū)地層概化圖Fig．3 Formation generalization of precipitation of foundation pit in construction area(500 m3/d)

圖4 基坑內(nèi)單井涌水量500 m3/d時(shí)地下水流場圖Fig．4 Flow field diagram of water inflow of 500 m3/d in foundation pit

當(dāng)單井涌水量為1 000 m3/d時(shí)，降水影響范圍可達(dá)2 000 m，中心水位降深為6．1 m(圖5)，地下水流場分布情況見圖6，表3給出了相應(yīng)的地面沉降量。

由表2和表3分析可知，當(dāng)采用邊開挖邊降水方式，在做好基坑防水的情況下，減小輻射井的單井涌水量，同時(shí)做好基坑封底施工，可有效減小周邊地面沉降量，滿足基坑施工要求。

表2 基坑內(nèi)降水(500 m3/d)引起不同方向地面沉降量計(jì)算表Table 2 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit

圖5 基坑內(nèi)降水(1 000 m3/d)施工區(qū)地層概化圖Fig．5 Formation generalization of precipitation of foundation pit in coustruction area(1 000 m3/d)

圖6 基坑內(nèi)單井涌水量1 000 m3/d時(shí)地下水流場圖Fig．6 Flow field diagram of water inflow of 1 000 m3/d in foundation pit

表3 基坑內(nèi)降水(1 000 m3/d)引起不同方向地面沉降量計(jì)算表Table 3 Calculation table of amount of land subsidence of precipitation in foundation pit(1 000 m3/d)

2．3 現(xiàn)場監(jiān)測地面沉降量

本例中基坑施工具有工序復(fù)雜、施工難度大、工期長的特點(diǎn)，因此加強(qiáng)周邊建筑物的沉降值監(jiān)測，對(duì)于及時(shí)反饋周邊建筑物變形信息，調(diào)整工程施工方式等具有至關(guān)重要的作用。本次監(jiān)測主要在基坑周邊降水影響范圍內(nèi)重要建筑物處布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測時(shí)段僅限于基坑施工期間，目前正在監(jiān)測過程中，主要監(jiān)測點(diǎn)為5處，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)見表4。

表4 基坑周邊監(jiān)測點(diǎn)地面沉降量監(jiān)測數(shù)值Table 4 Monitoring value of amount of land subsidence of monitoring points around foundation pit

通過模擬計(jì)算值與監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測值相對(duì)比可知，目前實(shí)際沉降值與預(yù)測值有一定的差距，主要由于地鐵基坑施工工期較長，當(dāng)前時(shí)間沉降量正處于沉降曲線的緩慢發(fā)展階段，沉降過程隨著時(shí)間延續(xù)可能會(huì)進(jìn)一步發(fā)展，因此需進(jìn)一步加強(qiáng)施工期及工程運(yùn)營后的地面沉降監(jiān)測［10］。

在采用較為合理的施工方式，對(duì)基坑降水引發(fā)的地面沉降進(jìn)行控制的情況下，從目前的監(jiān)測結(jié)果看，地面沉降值控制在了合理的范圍。如單純采用基坑外降水，引起的基坑周邊地面沉降量較大，對(duì)周邊建筑物造成危害極大，一般深基坑施工不宜采用。在基坑內(nèi)降水過程中，除了做好基坑防水外，應(yīng)采取邊開挖邊降水的方式，在側(cè)向隔水帷幕采用地下連續(xù)墻，坑底采用封底隔水帷幕等施工方式情況下，可有效減少基坑降水引起的地面沉降問題。

3 結(jié)語

通過地面沉降預(yù)測值與監(jiān)測值的對(duì)比分析表明，基坑開挖引起的地面沉降模擬計(jì)算值均大于監(jiān)測值，究其原因，主要是目前基坑工程正在施工，當(dāng)前時(shí)間沉降量正處于沉降曲線的緩慢發(fā)展階段，且工程完工后地面沉降將持續(xù)較長時(shí)間，故監(jiān)測值相對(duì)較小，后期應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)監(jiān)測。不同方位監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果表明，兩者變形規(guī)律基本一致，可以反映和預(yù)測基坑施工引發(fā)地面沉降的長期趨勢。根據(jù)工程設(shè)計(jì)方案，工程施工引發(fā)周邊地面沉降的警戒值為24 mm，控制值為30 mm，從目前施工方案分析，在工程施工做好各項(xiàng)防護(hù)措施的情況下，可以保證周邊建筑物的穩(wěn)定運(yùn)行。

［1］ 黃家祥，張曉春．城市地鐵工程的地下水問題分析［J］．巖土工程界，2007(1):109-111．

［2］ 黃文熙．土的工程性質(zhì)［M］．北京:水利電力出版社，1983．

［3］ 華東水利學(xué)院土力學(xué)教研室．土工原理與設(shè)計(jì)［M］．北京:水利電力出版社，1982．

［4］ 高過瑞．近代土質(zhì)學(xué)［M］．南京:東南大學(xué)出版社，1990．

［5］ 駱祖江，劉金寶，李朗，等．深基坑降水與地面沉降變形二維全耦合模型及其數(shù)值模擬［J］．水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯)，2006，21(4):479-485．

［6］ 駱相江，劉金寶，李朗．第四紀(jì)松散沉積層地下水疏降與地面沉降二維全耦合數(shù)值模擬［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2008，30(2):193-198．

［7］ 付剛．北京地鐵降水方法研究與應(yīng)用［D］．長春:吉林大學(xué)建筑工程學(xué)院，2005．

［8］ 楊建．工程降水引發(fā)的地面沉降研究［D］．北京:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，2005．

［9］ 成璐．成都地鐵1、2號(hào)線工程主要水文地質(zhì)問題分析［D］．成都:成都理工大學(xué)，2008．

［10］ 雷宏武．X城地面沉降特征與機(jī)理分析及數(shù)值模擬研究［D］．武漢:中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)，2010．