基坑开挖过程中地下水位变化对地铁车站结构的影响研究

范鹏霞(广州大学土木工程学院)



基坑开挖过程中地下水位变化对地铁车站结构的影响研究

范鹏霞
(广州大学土木工程学院)

【摘要】基坑开挖过程中地下水位的变化必然会对地铁车站结构的使用功能和安全性产生影响，本文结合工程实践，采用有限元分析模型，分析地下水位变化对车站结构的影响情况，为以后类似的工程实践提供积累经验。

【关键词】地下水位；有限单元法；变形

1　引言

由于地铁的建设，带动了地铁沿线的经济发展及房地产的开发，越来越多的基坑工程出现在地铁结构附近。基坑工程大面积卸土造成的岩土体的应力释放和地层变形以及基坑开挖抽排水造成的地下水位变化必然会对邻近的地铁结构产生一定的影响。国内外不少学者对基坑开挖及地下水位变化对地铁结构的影响进行了一系列的研究。

目前，国内外已有许多相关学者对该问题进行了研究和探讨。文献[1]分析了地下水水位上升对地铁隧道结构的影响。在分析北京地区地下水水位上升情况的基础上,采用FLAC数值模拟方法,以拱顶埋深6m、直径10m的地铁隧道为例,研究地下水水位逐步回升情况下,隧道结构在位移、变形、内力(弯矩和轴力)、塑性区等方面的变化趋势和分布规律。文献[2]通过收集和现场实测的石太客运专线特长隧道水文地质资料,建立了隧道围岩的水文地质概念模型,通过对国内部分具有代表性的南、北方运营隧道渗漏水状况的调查,建立了运营隧道渗漏水病害评价指标体系。文献[3]提出了基坑开挖对临近地铁隧道影响的两阶段分析方法；该文首先计算出基坑开挖作用在地铁隧道上的附加荷载，然后基于Winkler地基模型建立地铁隧道纵向变形影响的基本微分方程，根据Galerkin方法将该方程转换为一维有限元方程进行计算，同时研究了不同隧道埋深、距离基坑开挖现场远近、不同地基土质和不同隧道外径等因素对隧道纵向变形的影响。

由以上分析可见，众多学者大部分研究都集中在基坑开挖对其邻近地铁隧道结构的影响，关于地下水位变化对地铁结构的影响情况的分析比较鲜见。本文以广州某实际工程为例，采用MIDAS-GTS三维有限元软件对水位变化情况进行模拟，得出一些结论。

2　工程概况

2.1工程介绍

本文以广州地铁九号线为背景，广州地铁九号线呈东西走向，经广州市花都区和白云区，线路西起飞鹅岭，经花都风神汽车城、广州北站、花都区政府、机场商务区等重点地段，至三号线北延段工程高增站止，线路大致沿风神大道、农新路、秀全西路、秀全大道、公益大道、迎宾大道敷设。线路全长约20.2km，全部为地下线，共设9座地下车站。

2.2工程地质及水文地质情况

广州地铁九号线地铁隧道的围岩性质总体较差，砂层巨厚（最厚处达20m），砂层透水性好，且场地灰岩地层的溶洞发育，区间溶、土洞多为无充填或半充填状态，部分为全充填状态。溶、土洞空隙中充满了地下水，局部与上部覆盖的砂层连通，地下水补给充裕，水量很大。车站结构附近的地下水位容易受到周边房地产开发和地下工程施工的影响而变化，特别是在车站结构附近开挖深基坑时，由于砂层直接覆盖在灰岩面上给止水带来了较大困难，且基岩岩溶裂隙水丰富，基坑开挖过程中基岩岩溶裂隙水涌入基坑，止水帷幕在砂层与岩面交界处漏水的可能性较大，基坑大量抽排地下水必然会影响车站结构受力状态，进而可能影响地铁安全。

3　理论分析

依据达西渗流定理计算出不同埋深“降水点（井）或降水面”，不同岩土层的渗透半径，确定地下水位变化的影响范围；

达西分析了大量实验资料，发现土中渗透的渗流量q与圆筒截面积A及水头损失△h成正比，与截面间距l成反比，即

式中i=△h/l，称为水力梯度，也称水力坡降；k为渗透系数，其值等于水力梯度为1时水的渗透速度，cm/s。

研究地铁车站结构沿线附近降排水工程引起渗流场的改变，推导降排水过程中隧道围岩渗流场的变化规律；由于车站结构的存在，改变了地层原有的渗流场，在车站结构迎水侧和背水侧会出现壅水现象，即车站结构相当于一道地下拦水坝，阻断了原有的水力联系，水位在迎水侧升高，在背水侧降低。壅水现象也会改变渗流，因此，需要根据壅水情况对计算模型进行修正。

壅水高度的计算方法为：

将砂层和溶洞直接接触的情况用实验室试验进行模拟试验，调整不同变量（比如水力坡度、流速、渗透性、砂层厚度，溶洞顶板厚度和溶洞填充状态），模拟哪些变量能激发溶洞塌陷和水位变化。

4　整体三维有限元数值模拟分析

本工程基坑支护结构的地下连续墙墙底普遍进入强～中风化花岗岩层，根据勘察报告，岩层基岩裂隙较发育，有一定量的基岩裂隙水，砂层富水量较丰富。采用地连续墙作为基坑的支护体系及止水帷幕，为了反映地下水位的变化对车站结构的不利影响，本模型通过模拟地下水位逐级下降来计算水位下降对车站结构的影响。同时与坑外水位在地表状态的工况也进行对比分析，以判断地下水位下降对车站结构造成的不利影响。

通过有限元分析建立车站附近降排水的渗流模型，并根据既有的实测数据反演和修正数值计算模型参数，通过变换不同“降水井”深度得到地下水位变化对车站结构变形影响的变化规律；其中，水位下降16m已至连续墙底部（详见表1）。

通过基坑整体三维有限元分析结果可知，地下水位下降16m时，地铁车站结构的最大水平位移为1.74mm，最大竖向位移为2.78mm，最大总位移量为3.30mm。

可见，地下水位变化会引起车站结构位移变化但引起其结构的位移总量相对较小。

图1　整体三维有限元模型图

降水深度(m)水平位移（mm）竖向位移（mm）　总位移（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　结语

通过对基坑开挖过程中水位变化对车站结构影响的整体三维有限元模拟分析，提出一些建议，希望能为以后类似的工程实践提供一些经验。

基坑在开挖过程中不可避免地会引起地下水位发生一定的下降，而发生大幅度的水位下降导致结构发生一定程度的沉降是实际存在的，为此，应在基坑施工过程中加强对周边地下水水位的监控工作，并切实做好止水措施或回灌预案。

【参考文献】

[1]罗富荣,刘赪炜,韩煊.地下水水位上升对地铁隧道结构的影响分析[J].中国铁道科学，2011，(01).

[2]潘海泽.隧道工程地下水水害防治与评价体系研究[D].西南交通大学，2009.

[3]唐仁，林本海.对基坑工程施工对邻近地铁盾构隧道的影响分析[J].地下空间与工程学报，2014，05：1629-1634.