对天津某地铁站基坑降水底部稳定及地面沉降预测分析

□文/柴文可 陈 庚

对天津某地铁站基坑降水底部稳定及地面沉降预测分析

□文/柴文可 陈 庚

深基坑的开挖过程需进行降水工作，而降水过程中基坑底部稳定及其引起的周边建筑物次生沉降病害需重点关注。文章依托天津某地铁站施工降水工程开展上述问题的讨论，对基坑底部稳定、降水引发沉降病害的范围及其变形形式、地下连续墙打设深度及其对周边建筑物的沉降影响等内容予以分析，得出该地区不同地下连续墙打设深度下的降水对周边建筑物影响计算拟合公式，便于简化沉降监测的沉降点布控。

基坑；降水；地下连续墙；地铁；稳定；沉降

降水工程是深基坑、隧道、地铁等地下工程的重要组成部分，降水对周边环境带来的影响需予以研究。王军[1]、冯晓腊[2]及宋仁亮[3]等分别对降水工程的方法选择、止水帷幕的作用等进行了分析。本文结合天津某地铁站施工降水工程，采用数值计算等方法验算地铁站底部稳定情况，分析地铁站基坑周边建筑物在不同深度地下连续墙截渗作用下的沉降稳定并与实测数据予以对比分析。

1 工程概述及地质情况

1.1 工程概况

在建某地铁站位于天津市河西区，西南-东北向布置，场地范围内地势平坦，周边既有建筑物众多，对地铁站施工沉降控制要求较为严格。地铁站主体结构总长276 m，标准段基坑宽 23.3 m，深约 25.62 m，盾构井段基坑宽27.1 m，深约27.42 m，主体结构采用盖挖逆做法施工，基坑围护结构拟采用地下连续墙，厚度控制为1 000 mm，结构桩为直径2 m的旋挖扩底桩，基底以下长35 m；附属结构基坑深度约为10 m，围护结构采用SMW工法桩，深度为20 m。

1.2 地质情况

根据钻探资料及室内土工试验结果，勘察场区地层自上而下依次为杂填土①1层，层底标高-1.50～1.62 m；粉质粘土④1层，灰黄色～褐黄色，可塑，局部软塑，中压缩性，偶见螺壳、有机质，含锈斑，场地范围内普遍分布；粉土④2层，灰黄色～褐黄色，湿，密实，局部中密，中低压缩性，含云母、氧化铁，土质不均，场地范围内不连续分布，层底标高-3.95～-0.29 m；粉土⑥1t层、粉质粘土⑥1层、淤泥质粉质粘土⑥1t层、粉土⑥3层、粉质粘土⑥4层及淤泥质土⑥4t层，层底标高-10.85～-9.21 m；粉质粘土⑦层，灰色，可塑，局部软塑，中压缩性，含云母、氧化铁，层底标高-12.51～-10.87 m；粉质粘土⑧层，层底标高-19.81～-29.45 m；粉土层，可塑，中压缩性，含云母、氧化铁，层底标高-53.35～-47.75 m，所有钻孔未穿透此层。

根据勘察结果及区域性地下水资料，地下水类型主要为松散岩类孔隙水，钻孔深度范围内地下水可细分为潜水、第一层承压水、第二层承压水。其中潜水含水层粉质粘土④层、粉土④2层、粉土⑥1t层、粉质粘土⑥1层、粉土⑥3层、粉质粘土⑥4层，该层水的水位标高1.569～1.630 m；第一承压水：含水层为粉土粉土-2.911 m。

2 基坑底板抗突涌稳定性验算

基坑开挖后，与承压含水层顶板间距离减小，相应承压含水层上部土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层承压水顶托力可能大于其上覆土压力，导致基坑底部失稳，严重危害安全。因此，在开挖过程中，需考虑基坑底部承压含水层的水压力，必要时按需降压，保障安全。基坑底板抗突涌稳定性条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。

式中：h为基坑底至承压含水层顶板间各层土的厚度，m；γs为基坑底至承压含水层顶板间各层土的重度，kN/m3；H为承压水位高于承压含水层顶板的高度，m；γw为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；Fs为基坑抗突涌安全系数。

因第一承压含水层主要为粉土⑧层、粉土⑨层、粉土⑩层，未连续成层分布，厚度相对较小且距离基坑开挖面较近，考虑到止水帷幕已隔断基坑内外水力联系，故直接采用疏干降水的方式，前期减压，后期疏干。基坑底板抗承压水突涌稳定性计算主要针对场地下覆第二承压含水层；针对第二承压水上部，其初始水位取大沽标高-2.803 m（按本场地设计地面标高2.800 m换算得埋深5.603 m），土重度取平均值 19.5 kN/m3，安全系数取1.1。基坑底板抗突涌稳定性验算结果见表1。

表1 基坑底板抗突涌稳定性验算结果

针对第二承压水下部，因第二承压含水层下部层顶变化较大故对其进行分段计算，其承压水水位约为大沽标高-2.803 m，基坑底板抗突涌稳定性验算结果见表2。

表2 第二承压含水层下部承压水位控制值

由表2可知，当安全系数取1.1时，仅大小里程端头井处需降1.563 m和0.069 m；安全系数取1.05时，主体基坑都不需要减压降水。由于承压水位计算时是参考第二承压含水层上部的承压水位，所以承压水位偏高，另第二承压含水层上下部在部分地区有直接的水力联系，第二承压含水层上部水位降低必然会带动第二承压含水层下部的水位下降，故不需单独设置降压井。

3 地下水渗流地面沉降模型及计算

根据陈崇希[4]对地下水流动问题的研究，基坑降水过程中，在考虑各向异性承压含水层中地下水三维不稳定流问题时，该状况的地下水流动规律可用以下三维模型表达：

式中：B1为研究区的第一类边界（定水头边界）；B2为研究区的第二类边界（定流量边界）；M为第二类边界B2处的渗流速度；Kxx、Kyy、Kzz分别为 x、y、z 方向上的渗透系数，为方便起见，认为土体各向渗透系数均相同。

参照Burbey T J[5～6]对地下水位下降引起的含水层压缩量的计算研究，认为承压含水层可分弹性变形量和非弹性变形量，即-ΔhSskeb0和-ΔhSskvb0，潜水含水层的弹性变形及非弹性变形分别为-Δh(1-n+nw)Sskeb0和 -Δh(1-n+nw)Sskvb0，将上述二模型通过水头项耦合计算进行求解。依据现场施工进度要求及连续墙设置深度建议，对比施工降水3月后不同连续墙深度下的周边建筑物沉降值，见图1。

图1 基坑降水周边沉降计算值

由图1看出，降水主要影响区域在基坑外50 m，沉降量成幂指数衰减；在50 m之外地面沉降有所衰减，可近似线性沉降曲线，依此分析附近沉降物的施工期降水沉降具有较好参照性，其拟合公式为

式中：S为地面沉降值，mm；S50为基坑50 m处地面沉降值，mm；H 为地下连续墙深度，m，H∈（45，59.5）；L为距离基坑水平距离，m。

可对一定埋深背景下的不同埋深地下连续墙作用因基坑开挖降水作用下的远距离地面沉降予以预测分析。

4 数值计算结果分析

为验证上述模型及预测拟合公式的准确性，采用数值计算对基坑降水沉降进行分析，按照勘察资料，概化后的地层及初始水位参见表3。

表3 模型地层概化

基坑地下连续墙未能完全隔断第二承压含水层，因此不同地下连续墙深度下的沉降见图2。

图2 基坑降水周边沉降

由图2可知，降水运行对周边环境产生影响的范围约为200～300 m，随着地下连续墙深度的增加，降水运行对基坑外环境的影响随之减小且越靠近基坑，不同地下连续墙类型造成的沉降差异越大；越远离基坑，沉降差异越小。

5 结论

1）基坑开挖时，当基坑底板至承压含水层顶板间的土压力大于承压水的顶托力时，下部承压水无需采用地下连续墙完全截断。

2）考虑各向异性承压含水层中地下水三维不稳定流问题及土层弹塑性变形分算时，在本基坑50 m之外地面沉降有所衰减，可近似线性沉降曲线且可形成拟合公式，便于简化沉降监测的沉降点布控。

3）随着地下连续墙深度的增加，降水运行对基坑外环境的影响随之减小且越靠近基坑，不同地下连续墙类型造成的沉降差异越大；越远离基坑，沉降差异越小。

[1]王 军，王 彪.软土地区地铁基坑降水方法选择[J].山西建筑，2010，（33）：114-115.

[2]冯晓腊，谢武军，卢智强，等.悬挂式止水帷幕对基坑降水的影响[J].土工基础，2006，（4）：33-36.

[3]宋仁亮，王文龙，冯江鹏.无锡蠡湖隧道某标基坑降水方案应用和分析[J].安徽建筑，2010，（6）：84-86.

[4]陈崇希，唐仲华.地下水流动问题数值方法[M].武汉：中国地质大学出版社，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.

□陈 庚/河海大学岩土工程科学研究所。

U455

C

1008-3197（2013）06-35-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.06.015

2013-10-10

江苏省普通高校研究生科研创新计划（CXZZ12_0233）

柴文可/男，1988年年出生，天津地下铁道集团有限公司，从事工程技术管理工作。