基坑開挖過程中地下水位變化對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響研究

范鵬霞(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

?

基坑開挖過程中地下水位變化對地鐵車站結(jié)構(gòu)的影響研究

范鵬霞
(廣州大學(xué)土木工程學(xué)院)

【摘要】基坑開挖過程中地下水位的變化必然會(huì)對地鐵車站結(jié)構(gòu)的使用功能和安全性產(chǎn)生影響，本文結(jié)合工程實(shí)踐，采用有限元分析模型，分析地下水位變化對車站結(jié)構(gòu)的影響情況，為以后類似的工程實(shí)踐提供積累經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】地下水位；有限單元法；變形

1　引言

由于地鐵的建設(shè)，帶動(dòng)了地鐵沿線的經(jīng)濟(jì)發(fā)展及房地產(chǎn)的開發(fā)，越來越多的基坑工程出現(xiàn)在地鐵結(jié)構(gòu)附近?；庸こ檀竺娣e卸土造成的巖土體的應(yīng)力釋放和地層變形以及基坑開挖抽排水造成的地下水位變化必然會(huì)對鄰近的地鐵結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響。國內(nèi)外不少學(xué)者對基坑開挖及地下水位變化對地鐵結(jié)構(gòu)的影響進(jìn)行了一系列的研究。

目前，國內(nèi)外已有許多相關(guān)學(xué)者對該問題進(jìn)行了研究和探討。文獻(xiàn)[1]分析了地下水水位上升對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響。在分析北京地區(qū)地下水水位上升情況的基礎(chǔ)上,采用FLAC數(shù)值模擬方法,以拱頂埋深6m、直徑10m的地鐵隧道為例,研究地下水水位逐步回升情況下,隧道結(jié)構(gòu)在位移、變形、內(nèi)力(彎矩和軸力)、塑性區(qū)等方面的變化趨勢和分布規(guī)律。文獻(xiàn)[2]通過收集和現(xiàn)場實(shí)測的石太客運(yùn)專線特長隧道水文地質(zhì)資料,建立了隧道圍巖的水文地質(zhì)概念模型,通過對國內(nèi)部分具有代表性的南、北方運(yùn)營隧道滲漏水狀況的調(diào)查,建立了運(yùn)營隧道滲漏水病害評價(jià)指標(biāo)體系。文獻(xiàn)[3]提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法；該文首先計(jì)算出基坑開挖作用在地鐵隧道上的附加荷載，然后基于Winkler地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據(jù)Galerkin方法將該方程轉(zhuǎn)換為一維有限元方程進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)研究了不同隧道埋深、距離基坑開挖現(xiàn)場遠(yuǎn)近、不同地基土質(zhì)和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響。

由以上分析可見，眾多學(xué)者大部分研究都集中在基坑開挖對其鄰近地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響，關(guān)于地下水位變化對地鐵結(jié)構(gòu)的影響情況的分析比較鮮見。本文以廣州某實(shí)際工程為例，采用MIDAS-GTS三維有限元軟件對水位變化情況進(jìn)行模擬，得出一些結(jié)論。

2　工程概況

2.1工程介紹

本文以廣州地鐵九號(hào)線為背景，廣州地鐵九號(hào)線呈東西走向，經(jīng)廣州市花都區(qū)和白云區(qū)，線路西起飛鵝嶺，經(jīng)花都風(fēng)神汽車城、廣州北站、花都區(qū)政府、機(jī)場商務(wù)區(qū)等重點(diǎn)地段，至三號(hào)線北延段工程高增站止，線路大致沿風(fēng)神大道、農(nóng)新路、秀全西路、秀全大道、公益大道、迎賓大道敷設(shè)。線路全長約20.2km，全部為地下線，共設(shè)9座地下車站。

2.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況

廣州地鐵九號(hào)線地鐵隧道的圍巖性質(zhì)總體較差，砂層巨厚（最厚處達(dá)20m），砂層透水性好，且場地灰?guī)r地層的溶洞發(fā)育，區(qū)間溶、土洞多為無充填或半充填狀態(tài)，部分為全充填狀態(tài)。溶、土洞空隙中充滿了地下水，局部與上部覆蓋的砂層連通，地下水補(bǔ)給充裕，水量很大。車站結(jié)構(gòu)附近的地下水位容易受到周邊房地產(chǎn)開發(fā)和地下工程施工的影響而變化，特別是在車站結(jié)構(gòu)附近開挖深基坑時(shí)，由于砂層直接覆蓋在灰?guī)r面上給止水帶來了較大困難，且基巖巖溶裂隙水豐富，基坑開挖過程中基巖巖溶裂隙水涌入基坑，止水帷幕在砂層與巖面交界處漏水的可能性較大，基坑大量抽排地下水必然會(huì)影響車站結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，進(jìn)而可能影響地鐵安全。

3　理論分析

依據(jù)達(dá)西滲流定理計(jì)算出不同埋深“降水點(diǎn)（井）或降水面”，不同巖土層的滲透半徑，確定地下水位變化的影響范圍；

達(dá)西分析了大量實(shí)驗(yàn)資料，發(fā)現(xiàn)土中滲透的滲流量q與圓筒截面積A及水頭損失△h成正比，與截面間距l(xiāng)成反比，即

式中i=△h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數(shù)，其值等于水力梯度為1時(shí)水的滲透速度，cm/s。

研究地鐵車站結(jié)構(gòu)沿線附近降排水工程引起滲流場的改變，推導(dǎo)降排水過程中隧道圍巖滲流場的變化規(guī)律；由于車站結(jié)構(gòu)的存在，改變了地層原有的滲流場，在車站結(jié)構(gòu)迎水側(cè)和背水側(cè)會(huì)出現(xiàn)壅水現(xiàn)象，即車站結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一道地下攔水壩，阻斷了原有的水力聯(lián)系，水位在迎水側(cè)升高，在背水側(cè)降低。壅水現(xiàn)象也會(huì)改變滲流，因此，需要根據(jù)壅水情況對計(jì)算模型進(jìn)行修正。

壅水高度的計(jì)算方法為：

將砂層和溶洞直接接觸的情況用實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)進(jìn)行模擬試驗(yàn)，調(diào)整不同變量（比如水力坡度、流速、滲透性、砂層厚度，溶洞頂板厚度和溶洞填充狀態(tài)），模擬哪些變量能激發(fā)溶洞塌陷和水位變化。

4　整體三維有限元數(shù)值模擬分析

本工程基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的地下連續(xù)墻墻底普遍進(jìn)入強(qiáng)～中風(fēng)化花崗巖層，根據(jù)勘察報(bào)告，巖層基巖裂隙較發(fā)育，有一定量的基巖裂隙水，砂層富水量較豐富。采用地連續(xù)墻作為基坑的支護(hù)體系及止水帷幕，為了反映地下水位的變化對車站結(jié)構(gòu)的不利影響，本模型通過模擬地下水位逐級(jí)下降來計(jì)算水位下降對車站結(jié)構(gòu)的影響。同時(shí)與坑外水位在地表狀態(tài)的工況也進(jìn)行對比分析，以判斷地下水位下降對車站結(jié)構(gòu)造成的不利影響。

通過有限元分析建立車站附近降排水的滲流模型，并根據(jù)既有的實(shí)測數(shù)據(jù)反演和修正數(shù)值計(jì)算模型參數(shù)，通過變換不同“降水井”深度得到地下水位變化對車站結(jié)構(gòu)變形影響的變化規(guī)律；其中，水位下降16m已至連續(xù)墻底部（詳見表1）。

通過基坑整體三維有限元分析結(jié)果可知，地下水位下降16m時(shí)，地鐵車站結(jié)構(gòu)的最大水平位移為1.74mm，最大豎向位移為2.78mm，最大總位移量為3.30mm。

可見，地下水位變化會(huì)引起車站結(jié)構(gòu)位移變化但引起其結(jié)構(gòu)的位移總量相對較小。

圖1　整體三維有限元模型圖

降水深度(m)水平位移（mm）豎向位移（mm）　總位移（mm）2 0.12　0.23　0.23 4 0.25　0.41　0.48 6 0.37　0.71　0.80 8 0.49　0.98　1.09 10　0.61　1.42　1.53 12　0.81　1.79　1.96 14　1.22　2.14　2.46 16　1.74　2.78　3.30

5　結(jié)語

通過對基坑開挖過程中水位變化對車站結(jié)構(gòu)影響的整體三維有限元模擬分析，提出一些建議，希望能為以后類似的工程實(shí)踐提供一些經(jīng)驗(yàn)。

基坑在開挖過程中不可避免地會(huì)引起地下水位發(fā)生一定的下降，而發(fā)生大幅度的水位下降導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生一定程度的沉降是實(shí)際存在的，為此，應(yīng)在基坑施工過程中加強(qiáng)對周邊地下水水位的監(jiān)控工作，并切實(shí)做好止水措施或回灌預(yù)案。

【參考文獻(xiàn)】

[1]羅富榮,劉赪煒,韓煊.地下水水位上升對地鐵隧道結(jié)構(gòu)的影響分析[J].中國鐵道科學(xué)，2011，(01).

[2]潘海澤.隧道工程地下水水害防治與評價(jià)體系研究[D].西南交通大學(xué)，2009.

[3]唐仁，林本海.對基坑工程施工對鄰近地鐵盾構(gòu)隧道的影響分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2014，05：1629-1634.