富水粉细砂地层内地铁深基坑降水及沉降研究

覃伟　倪吉栋（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津　300133）



富水粉细砂地层内地铁深基坑降水及沉降研究

覃伟倪吉栋
（中铁隧道勘测设计院有限公司，天津300133）

摘要：采用简化计算、数值分析、现场实测相结合的方法，以宁和城际中和村站深基坑工程降水设计为例，根据其降水时间和坑内水量，计算了基坑降水所需的降水井数量和坑外地面沉降值，通过三维模拟得出了坑外水位的变化和地面沉降值，并结合现场实测数据验证了计算和模拟结果。

关键词：地铁车站，深基坑，降水设计，地面沉降，数值分析

明挖地铁车站规模大、基坑深，大多位于周围环境限制条件多的城市市区，因此控制基坑对周围环境的影响，是地铁基坑工程的一个重要课题。位于长三角河流冲积地层内的地铁车站，受地下水影响巨大，因此，在地铁基坑中如何处理地下水，成为地铁基坑安全最重要的一环［1-6］。

本文以宁和城际某车站基坑工程降水设计施工为例，采用理论计算、数值模拟与现场实测结合的方法，对深基坑施工中的降水进行全面分析，总结相关规律，可为类似工程提供参考。

1　工程概况

中和村站位于南京长江漫滩区，离长江约2.5 km，现状为低矮民房（拆迁），车站周围无重大建（构）筑物。

本站所处地区属长江高漫滩平原地貌单元，地势较平坦，地面高程在7 m～10 m之间，近地表主要由全新统粉质粘土、粉土、粉细砂等组成。本站范围地层分布自上向下依次为：①-2素填土、淤泥质粉质粘土（流塑）粉细砂（中密、中等液化）、粉细砂（中密）、粉细砂（密实）、混合土（密实中风化岩。地质剖面如图1所示。根据地下水赋存条件，本站主体基坑地下水类型主要为孔隙潜水、微承压水及基岩裂隙水。本站基坑所处位置基岩较深，地下水以潜水为主，未见承压水和基岩裂隙水，潜水水位位于地面以下约1.5 m。地下水主要补给来源为地下水径流的侧向补给及场外与其相通的上层孔隙潜水的越流补给，排泄方式以侧向径流为主。

图1　地铁深基坑地质断面图

各地层渗透系数根据土质不同而存在不同的差异，各地层渗透性系数如表1所示。

表1　地层渗透系数　m/d

2　深基坑及降水设计

2.1深基坑设计

中和村站采用明挖顺作法施工，车站主体为地下2层，附属风道为地下1层。车站主体标准段基坑深约17 m、宽约21 m；风道基坑深约10 m，基坑宽30 m。

车站围护结构采用800 mm厚地下连续墙，内部支撑采用混凝土支撑和钢管支撑。

地连墙在满足抗滑移、抗倾覆等条件下，为增大基坑内外地下水的绕流路径，降低坑底突涌的风险，增大地连墙的长度，设置部分素墙，地下连续墙嵌固比提高至1∶1.2。

2.2基坑降水设计

为避免产生流砂、管涌等不良地质现象，防止坑壁土体坍塌，基坑施工时需采取降水措施。由于基坑开挖较深、平面尺寸较大，且场地范围内含水层厚度大，考虑到基坑围护结构插入含水层深度已大于含水层厚度1/2，可认为其对基坑内外承压水渗流具有明显的隔阻效益，因此采用坑内减压降水法。

根据前期抽水试验数据，在无隔水帷幕止水的情况下，单井及群井出水量较大，达到125 m3/h～156 m3/h。由试验数据分析得出地层水平向渗透系数与垂直向渗透系数存在一定差异，故加深地下连续墙对增加地下水扰流路径、减小基坑涌水量起到一定积极作用。

设计基坑平面尺寸为211.5 m×20.7 m，基坑开挖深度15.3 m，降水井管内径450 mm，有效过滤器长度为6 m，按承压水非完整井估算基坑涌水量。经计算，在30 d的降水期限内，需要降水井约17口，管井如图2所示。

图2　降水井设计图

由于地层深部降水，引起地层变位，地面会出现沉降，地面沉降包括三部分：1）瞬时沉降；2）固结沉降；3）由于土体流变所产生的次固结沉降。由于次固结沉降一般在主固结完成后才明显显现，且要求荷载作用时间较长，因此，主要考虑主固结沉降。

降水引起的地面附加沉降量，可采用分层总和法，按下式计算：

经计算，基坑外地面沉降值如表2所示。

表2　坑外沉降计算表

3　数值计算及分析

3.1计算模型及参数

根据与本场地相适应的水文地质条件，可建立地下水三维非稳定渗流数学模型：

其中，kxx，kyy，kzz分别为各向异性主方向渗透系数，m/d；h为点（x，y，z）在t时刻的水头值，m/d。

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，可得到数值模型，以此为基础计算、预测抽水引起的地下水位的时空分布。

针对本站的水文地质参数和周围环境状况，采用三维分析时对本站的降水模拟分析进行适当简化。

1）将土层简化为水平层状分布的弹塑性材料，渗透性按层分布，渗透性系数取值按地勘报告实际取值。2）根据岩土工程勘察报告、水文地质条件、钻孔资料，模拟区平面范围按下述原则确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外，模型四周及下部为水力边界，上部为自由边界。3）三维分析模型X轴垂直于隧道轴线，Y轴沿隧道轴线方向，Z轴为重力方向。车站基坑范围内网格加密处理，如图3所示。三维地下连续墙示意图见图4，三维网格划分示意图见图5，坑内降水井布置图见图6。

图3　三维计算模型（按渗透系数分层）

图4　三维地下连续墙示意图

图5　三维网格划分示意图

图6　坑内降水井布置图

3.2计算结果分析

对基坑降水过程进行模拟分析，当开启全部17口降水井时，降水30 d后浅层土体已被完全疏干，基坑上部土方满足安全开挖需求。

降水30 d后，深部土体的降深分别能够达到：小里程端-16.0 m，标准段-13.8 m，大里程端-17.0 m，水位降深均满足要求。

根据降水过程的三维分析结果，得到降水水位及周围地层沉降结果如图7，图8所示。

从图7，图8中可以看出：

1）从图7中可以看出，基坑经过30 d降水，坑内土体的地下水已完全疏干，水位降深到达基坑底部，满足基坑施工要求。2）由于地连墙没有完全隔断透水层，坑外地下水位受坑内降水影响，水位下降，但影响范围呈现基坑两端小，中间大的形态。3）抽水引起基坑周围土体固结，地面出现沉降，但沉降值总体较小。最大地面沉降出现在车站中部靠近地连墙位置，范围约为地连墙以外10 m范围。4）降水引起的地面沉降基本呈现为漏斗状，坑外地面沉降离地铁中部地连墙越近，沉降越大，离车站地连墙越远，沉降越小。

图7　稳定水位等值线图

图8　坑外地面沉降值线图

4　施工过程监测分析

4.1水位监测

施工期间，为保证水位降深达到设计要求，同时保障坑边建（构）筑物的安全，在基坑外侧垂直于车站方向每隔10 m打设一圈水位观测孔，对地下水位进行实时监测。

经全程监测，地下水位随时间变化曲线如图9所示。

图9　坑外水位图

从图9可以看出，水位以车站基坑向四周，呈现明显的漏斗分布，与三维计算结果吻合。实测漏斗较三维理论计算小，主要是因为，理论计算时对土体进行了适当简化，为理想的渗流体，实际土体与理论模型存在一定差异。

4.2沉降监测

根据现场监测结果，基坑周围沉降如图10所示。

从图10中可以看出：

实际监测得出的地面沉降槽曲线与三维计算得出的曲线相近。围护结构与土体相接部位沉降较小，离围护结构10 m范围内沉降最大，远离围护结构时，沉降值越来越小。

图10　基坑外侧地表沉降图

通过对施工监测的水位及沉降数据的综合分析，可得出：

1）实际水位变化及地面沉降变化趋势与三维理论计算结果相符，但三维计算时对地层进行了适当简化，结果与实测值存在较小差异。2）坑内降水时，坑外水位相应变化，但随着时间推移，坑外水位趋于稳定，水位总体呈现出漏斗状，但实测漏斗较理论计算值略小。主要是因为本站地下连续墙没有完全隔断透水层，基坑内外地下水联系较紧密，坑内降水引起坑外地下水位变动。3）由于基坑内外水力联系紧密，坑内降水引起地层固结，基坑外土层出现不同程度沉降，离基坑越近，地面沉降越小。最大坑外沉降出现在离围护结构约10 m范围内，10 m以外的区域，沉降逐渐减小。

5　结语

中和村站采用明挖顺作法施工，深基坑工程受地下水影响较大，采取坑内管井降水和坑外回灌相结合的方法处理地下水，通过对地下水抽水时间和降水井数量的控制，达到降低坑内水位、控制地面沉降的目的。施工过程中未对回灌井进行回灌，仅充当水位观测井的使用。目前本站已经施工完毕，设计措施和现场施工方法取得了较好的效果，可为类似工程提供参考。

1）在富水粉细砂地层内的深基坑，采用管井坑内降水，坑外设置回灌井应急回灌的处理措施，可以满足基坑施工需要。现场施工表明，此种措施在富水粉细砂层内降水效果良好。2）在本站所处地层和地下水条件下，三维理论分析得出的结论与实际测量数据较好的吻合，说明三维数值分析结果能很好的反映地下水降水过程和降水对周围地表造成的影响。3）在无法打穿透水层的情况下，增加围护结构的插入深度，可以增加地下水绕流路径，对减小降水对周围环境的影响有利。4）本工程在计算过程中，对土层分布和渗透性做了一定的简化，使得三维理论计算出的结果，与实测值略有出入，后续研究中可继续深化，得到与实际情况更贴切的预测计算结果。

参考文献：

［1］丁智，程围峰，胡增燕，等.杭州地铁人民广场站深基坑降水研究［J］.铁道工程学报，2014（1）：72-73.

［2］娄荣祥，周念清，赵姗，等.上海地铁11号线徐家汇站深基坑降水数值模拟［J］.地下空间与工程学报，2011（10）：92-93.

［3］张勇，赵云云.基坑降水引起地面沉降实时预测［J］.岩土力学，2008（7）：6.

［4］陈兴贤，骆祖江，安晓宇，等.深基坑降水三维变参数非稳定渗流与地面沉降耦合模型［J］.吉林大学学报（自然科学版），2013（9）：60-61.

［5］邓鹏，冯晓腊，唐彦，等.深基坑降水设计及降水对周边环境影响的分析［J］.安全与环境工程，2012（8）：5.

［6］李文广，胡长明.深基坑降水引起的地面沉降预测［J］.地下空间与工程学报，2008（6）：2.

Study on the pit base precipitation and stratum subsidence of the deep foundation pit in the fine sand layer

Qin Wei Ni Jidong
（China Railway Tunnel Survey & Design Institute Co.，Ltd，Tianjin 300133，China）

Abstract：Applying simplified computation，numerical analysis and field survey method，taking deep foundation engineering dewatering engineering of Ninghe intercity Zhonghe village station as an example，according to dewatering time and water amount，the paper calculates dewatering well numbers and ground subsidence value.Through tri-dimensional simulation，it obtains water level and ground subsidence value.And combining with field survey data，it finally testifies the computing and simulating results.

Key words：subway station，deep foundation，dewatering design，ground subsidence，numerical analysis

中图分类号：TU463

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）06-0079-03

收稿日期：2015-12-16

作者简介：覃伟（1984-），男，硕士，工程师