富水砂層狹長型地鐵基坑降水設(shè)計及應(yīng)用研究

白 鶴，王 靖，張文勝

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在富水砂層基坑工程施工中，基坑降水對工程總體安全、質(zhì)量及施工工期都有很大的影響。富水砂層基坑工程因其含水層厚度大、地層滲透性強(qiáng)以及地下水位高等特點，基坑降水施工所需承擔(dān)的風(fēng)險和難度也相對較大，對于富水砂層基坑降水施工的研究仍是一個重要課題。

基坑降水施工使得原有地下水位發(fā)生變化，改變了周圍土體的應(yīng)力分布，從而使得地表發(fā)生變形。目前，很多學(xué)者對基坑降水施工技術(shù)及降水對周邊環(huán)境影響進(jìn)行了研究[1-3]。吳奇等[4]基于工程實測數(shù)據(jù)與抽水試驗，研究了基坑降水對周邊土體變形的影響；戴海峰等[5]總結(jié)了富水性砂層中基坑降水的設(shè)計原則和施工控制要點；羅正東等[6]結(jié)合具體工程實例，對富水砂卵石地層深基坑降水施工對支護(hù)結(jié)構(gòu)以及周邊環(huán)境影響進(jìn)行了研究；江杰等[7]提出了一種簡化的降水引起基坑地表沉降計算方法，并結(jié)合實際工程驗證了計算方法的可行性；何蕃民等[8]針對臨河富水砂卵石層深基坑工程進(jìn)行降水方案設(shè)計，針對工程現(xiàn)場情況進(jìn)行了方案優(yōu)化；陳凌銅等[9]依托具體工程實例，分析了基坑降水對地表變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力的影響。連正等[10]對富水圓礫地層中基坑降水進(jìn)行數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果較為吻合。

綜上所述，現(xiàn)階段研究成果主要集中在基坑降水引起的地層沉降控制方面，由于基坑工程具有很強(qiáng)地域性的特點，富水砂層基坑工程降水技術(shù)的研究則相對較少。同時，地鐵工程涉及的基坑形狀多為狹長型，施工時需要分區(qū)段降水，基坑降水施工更為復(fù)雜，合理的降水設(shè)計可以很大程度地降低施工風(fēng)險和成本。本文以西安某地鐵基坑工程為依托，針對富水砂質(zhì)地層提出2種不同的基坑降水設(shè)計方案，通過對比分析選取合適的降水方案，采用MIDAS GTS軟件對基坑降水過程進(jìn)行數(shù)值分析，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)驗證方案的合理性，以期對今后類似基坑工程降水設(shè)計、施工提供參考。

1 工程概況

西安某地鐵基坑工程所處區(qū)域地形起伏較小，地面高程365.90～374.70 m，地貌單元屬渭河高漫灘區(qū)。整個基坑工程可分為盾構(gòu)井及明挖段兩個部分，其中盾構(gòu)井基坑平面尺寸為14.4 m×21.3 m(長×寬)，基坑開挖深度為14.2 m；明挖標(biāo)準(zhǔn)段段基坑平面尺寸為189.6m×11.2m(長×寬)，盾構(gòu)井段基坑平面尺寸為189.6m×15.2m(長×寬)，基坑開挖深度為10.72～12.58 m。整個基坑工程均采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐的支護(hù)結(jié)構(gòu)，地鐵車站基坑支護(hù)剖面如圖1所示。

圖1 地鐵車站基坑支護(hù)剖面 單位：高程，m

該工程根據(jù)現(xiàn)場勘探揭露的地層顯示，場地范圍內(nèi)地層從上至下依次為素填土、細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土、中砂5個地層。場地地下水屬沖積層孔隙潛水，潛水含水層為沖積砂土，富水性極強(qiáng)，下部的隔水層多表現(xiàn)為不連續(xù)且不完整，各地層間地下水相互滲透，鉆孔內(nèi)量測的潛水穩(wěn)定水位埋深約為5.8 m，絕對高程位于357.90～363.27 m，擬建區(qū)間潛水水位年變幅1.35～2.80 m。

2 基坑降水方案設(shè)計

2.1 降水設(shè)計計算

該工程地下水豐富，為保證基坑施工順利，基坑開挖前應(yīng)將地下水水位降至基坑開挖面以下。基坑降水依據(jù)JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[11]進(jìn)行設(shè)計。基坑采用管井進(jìn)行降水，管井結(jié)構(gòu)降水如圖2所示。管井在排水時產(chǎn)生大的降深漏斗，使周圍相當(dāng)大區(qū)域內(nèi)地下水水位下降，從而更加便于基坑開挖施工，但在降水的過程中，可能由于降水設(shè)計不合理而導(dǎo)致基坑失穩(wěn)、地表土體和建筑物發(fā)生過大變形等問題。因此，采用管井降水方案設(shè)計時，須合理計算基坑總涌水量、單井出水量，優(yōu)化管井布置型式，既要保證降水漏斗不過深，又使得長期運行時有一定排水能力儲備。

圖2 管井結(jié)構(gòu)降水

該工程基坑降水總涌水量、單井出水量以及管井個數(shù)計算如下：

(1) 基坑降水總涌水量Q

(1)

公式(1)中：k為滲透系數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場抽水試驗結(jié)果取32.13 m/d；H為含水層厚度，取22.8 m；sd為基坑水位的設(shè)計降深，取8.6 m；R為降水影響半徑，根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗取250.0 m；r0為基坑等效半徑，取30.3 m。

(2) 單井出水量q

(2)

公式(2)中：r為過濾器半徑，取0.2 m；l為過濾器進(jìn)水部分有效長度，根據(jù)該工程具體概況，考慮到具體降水工藝及場地地質(zhì)等情況，取2.0 m。

(3) 管井?dāng)?shù)量n

(3)

根據(jù)以上數(shù)據(jù)即可求得基坑總涌水量為14 437.33 m3，單井出水量為479.4 m3，管井個數(shù)取整為33個。

2.2 降水井位布置

基坑采用管井進(jìn)行降水施工時，管井的布置尤為重要，根據(jù)以往工程施工經(jīng)驗，等間距對稱布置管井時，能夠達(dá)到很好的降水效果，從而保證施工安全。但該工程明挖段基坑長寬比較大，當(dāng)采用等間距對稱布置時，所需管井?dāng)?shù)量較多，會造成施工成本增加。因此，在降水井井位布置時，充分考慮地鐵車站結(jié)構(gòu)特點及施工工序，對等間距對稱布置降水井的方式進(jìn)行了改進(jìn)。明挖段基坑提出采用間隔“之”字形布置降水井，即降水井沿基坑長邊等間距布置，整體呈“之”字形，共需管井29個，相比于等間距對稱布置時減少了降水井的數(shù)量，從而可以減少施工時間和成本，圖3和圖4分別為兩種不同的降水井布置方式。

圖3 等間距對稱布置降水井

圖4 間隔“之”字形布置降水井

2.3 不同降水方案分析

基坑降水施工過程中，降水所取得的效果及地表沉降是工程中重點關(guān)注內(nèi)容，本文采用理正降水沉降分析軟件對兩種不同降水方案進(jìn)行了計算，得到不同降水方案下水位降深情況以及地表沉降。

2.3.1水位降深結(jié)果分析

圖5為同一剖面不同井位布置基坑水位降深對比，從圖中可得，兩種不同的井位布置方式在3個剖面上的水位降深分布形式較為接近。等間距對稱布置時水位降深關(guān)于基坑中心對稱，形成了較好的對稱性降水漏斗，水位降深最大處發(fā)生在2個降水井附近。間隔“之”字形井位布置時，靠近降水井的一側(cè)水位降深較大，形成傾斜式的降水漏斗。等間距對稱布置時，3個剖面上的最大水位降深分別為-9.015、-11.426、-9.809 m；間隔“之”字形布置時，3個剖面上的最大水位降深分別為-8.890、-10.193、-9.389 m，均在基坑開挖范圍內(nèi)，2種降水方式計算所得水位降深均可滿足設(shè)計要求。

圖5 同一剖面不同井位布置基坑水位降深對比

2.3.2地表沉降結(jié)果分析

圖6為同一剖面不同井位布置基坑地表沉降對比。從圖中可得，兩種不同的井位布置方式在3個剖面上的地表沉降關(guān)于基坑中心對稱，垂直于基坑邊的剖面上，地表沉降均呈現(xiàn)為三角形。剖面1和剖面3位于狹長型基坑的兩端，剖面上間隔“之”字形井位布置方式所產(chǎn)生的地表沉降均小于等間距對稱布置方式，剖面2中在距離基坑邊界大約15.0 m以外處，間隔“之”字形布置方式所產(chǎn)生的地表沉降較大，距基坑邊界至15.0 m則相反。結(jié)合兩種降水方案的水位降深和地表沉降結(jié)果可知，間隔“之”字形井位布置方式在可以達(dá)到基坑開挖的施工要求外，降低了施工風(fēng)險，同時可以節(jié)約工程造價，適用狹長型的基坑工程降水施工。

圖6 同一剖面不同井位布置基坑地表沉降對比

3 基坑降水施工數(shù)值模擬分析

3.1 基本假定

考慮到實際工程和巖土體的復(fù)雜性，在采用MIDAS GTS有限元軟件建立基坑模型進(jìn)行分析計算時主要作了以下假定：

(1) 假定土體是連續(xù)均勻且為各向同性材料，采用修正摩爾-庫倫本構(gòu)模型，鉆孔灌注樁和內(nèi)支撐簡化為彈性材料，在施工過程中不考慮各施工工序?qū)ν馏w性狀的影響；

(2) 基坑降水模擬水位時假定基坑開挖寬度內(nèi)開挖面以下孔隙水壓力相等。

3.2 模型建立及模擬過程

(1) 幾何模型及參數(shù)：建立土體模型時，選取基坑剖面2處的基坑相關(guān)參數(shù)，基坑寬度為15.12 m，開挖深度為12.63 m，分3次進(jìn)行開挖，鉆孔灌注樁樁長為17.78 m，采用3道鋼支撐，分別位于地表0、3.5、7.5 m處，所建立土體模型尺寸為80 m×50 m(長×寬)，模型中土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

(2) 邊界條件：土體上表面不進(jìn)行邊界條件的約束，模型底部約束3個方向自由度，其他兩個側(cè)面約束該面上的法向位移。

(3) 降水水位施加：基坑降水采用定義節(jié)點水頭的方式進(jìn)行模擬，在初始滲流分析時，定義初始水位的節(jié)點水頭為-5.8 m，第一次降水節(jié)點水頭定義為-9.3 m，第二次降水節(jié)點水頭定義為-14.4 m。

(4) 模擬工況定義：模擬過程中工況定義與實際施工相符，定義施工階段工況：① 初始滲流分析；② 地應(yīng)力平衡分析；③ 鉆孔灌注樁施工；④ 開挖第一層土及施工第一道支撐；⑤ 第一次降水；⑥ 開挖第二層土及施工第二道支撐；⑦ 第二次降水；⑧ 開挖第三層土及施工第三道支撐。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1基坑降水結(jié)果分析

圖7為兩次降水模擬結(jié)果，從圖中可以看出基坑開挖施工前的兩次降水在土體中形成了明顯的降水漏斗，當(dāng)?shù)谝淮嗡唤抵?9.3 m時，距離基坑坑邊約16.4 m范圍內(nèi)的水位變化較為明顯，除坑底外水位降深最大值約為-2.4 m；當(dāng)?shù)诙嗡唤抵?14.4 m時，距離基坑坑邊約17.3 m范圍內(nèi)的水位變化較為明顯，除坑底外，水位降深最大值約為-5.3 m。隨著水位降深的增大，降水影響的范圍有所增大，整個降水施工過程中，降水漏斗以下土體中水位變化相對較小。

3.3.2地表沉降結(jié)果分析

圖8為基坑施工過程地表沉降計算結(jié)果，由圖可得，隨著基坑不斷開挖，坑內(nèi)土體由于開挖卸荷，基坑坑底回彈位移及坑外地表沉降均表現(xiàn)為不斷增大。兩次降水施工后，地表沉降的大小和范圍較未降水前均有所增大，第一次降水施工地表沉降最大增大了0.56 mm，第二次降水地表沉降最大增大了0.83 mm，降水引起的沉降較小，地表沉降的改變主要由開挖施工引起，開挖完畢后，基坑外地表沉降最大值為-11.98 mm，發(fā)生在距坑邊3.24 m處。

圖8 基坑施工過程地表沉降計算結(jié)果

4 現(xiàn)場監(jiān)測分析

4.1 現(xiàn)場降水施工概況

西安某地鐵基坑工程采用間隔“之”字形井位布置方式，降水井孔徑800 mm，基坑邊界外放2.0 m布設(shè)，沿基坑長邊間距15～20 m，濾水管管徑500 mm，濾水井管外采用尼龍濾網(wǎng)及土工布包濾，混凝土井管接縫處采用兩層寬度30 cm的塑料編織布纏繞，并用14號鐵絲綁扎4道，以防漏砂。濾料選擇為2～3 mm級配礫石，填料至地面以下3.0 m，使用粘土封填密實，在連續(xù)降水24 h后，夯實粘土封填層，降水井深度約為28.0 m，共布設(shè)降水管井個數(shù)為29口，現(xiàn)場管井布置如圖4所示。

4.2 監(jiān)測點布置

為確?；咏邓捻樌M(jìn)行和基坑周邊環(huán)境的安全，準(zhǔn)確反映基坑降水效果及其地表變形情況，該工程在基坑周邊共布設(shè)3個水位觀測井，分別記為DSW-1、DSW-2和DSW-3(見圖4)。同時對基坑周邊地表沉降進(jìn)行監(jiān)測，共布置監(jiān)測斷面15個，每個斷面布置8個沉降監(jiān)測點，基坑南北兩側(cè)各布置4個測點，距基坑邊界距離由近及遠(yuǎn)依次為1、4、9 m和14 m，3個剖面上均布設(shè)有沉降監(jiān)測點。

4.3 實測值與計算值對比分析

圖9為3個水位測點地下水位時程曲線。由圖9可得，在降水施工初期，各監(jiān)測點水位均出現(xiàn)不同程度的下降，且下降較為明顯。其中，DSW-1和DSW-3兩個測點位于狹長型基坑兩側(cè)，其水位下降趨勢較為接近，降水大約35 d后水位趨于平緩；DSW-2測點位于基坑中心，存在一定的群井效應(yīng)，其水位降深較為強(qiáng)烈，水位下降較為迅速，在降水大約27 d后水位便趨于穩(wěn)定。DSW-1、DSW-2和DSW-3三個測點最終水位降深分別穩(wěn)定在-8.87、-10.71、-9.35 m；計算值3個剖面上與其對應(yīng)處附近水位降深分別為-8.89、-10.19、-9.39 m，實測值與計算值較為接近，驗證了采用間隔“之”字形井位布置降水方案的可行性。

圖9 地下水位時程曲線

圖10為剖面2地表沉降對比，由圖可得，在基坑水位降深穩(wěn)定后，理正計算、數(shù)值模擬的地表沉降與實測值較為接近，整體表現(xiàn)為隨著距離基坑邊界距離的增大，地表沉降有所減小。數(shù)值模擬和實測地表沉降在距坑邊大約3 m的位置出現(xiàn)“拐點”，分析原因可知理正計算時未考慮到支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用。同時，剖面2處北側(cè)距離降水井位較近，實測的地表沉降值大于基坑南側(cè)，因此，當(dāng)采用間隔“之”字形井位布置方式進(jìn)行基坑降水時，應(yīng)該對布置有降水井一側(cè)的地表進(jìn)行重點監(jiān)測，防止地表變形過大而引發(fā)工程事故。結(jié)合剖面2地表沉降的對比分析結(jié)果，采用間隔“之”字形井位布置方式進(jìn)行基坑降水的地表沉降計算值與實測值較為吻合，驗證了該種降水井布置的合理性。

圖10 剖面2地表沉降對比

5 結(jié) 論

本文結(jié)合西安某地鐵基坑工程，針對工程特點提出了2種不同的基坑降水設(shè)計方案，通過對基坑降水施工進(jìn)行數(shù)值模擬計算，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，得到主要結(jié)論如下：

(1) 設(shè)計了兩種不同的基坑降水方案，通過理正軟件計算了兩種降水方案的水位降深和地表沉降，結(jié)果表明間隔“之”字形井位布置與等間距對稱布置降水水位降深均可滿足施工要求，但前者所計算的地表沉降較小，降低了施工風(fēng)險，間隔“之”字形井位布置方案優(yōu)于等間距對稱布置方案。

(2) 基坑降水施工過程中，降水影響范圍隨水位降深增大而增大，地表沉降的大小和范圍較未降水前也均有所增大，但降水引起的沉降較小，地表沉降的改變主要由基坑開挖施工引起。

(3) 實際工程中基坑降水方案采用間隔“之”字形井位布置，現(xiàn)場實測水位降深與理正計算接近，地表沉降理正計算值、數(shù)值模擬值與實測值較為吻合，采用該種降水方案是合理的，將理正計算軟件和數(shù)值模擬運用在基坑降水中預(yù)測地表沉降是可行的。