地铁车站深基坑降水施工坑外地表沉降控制分析

包溪娟

(中铁十八局集团第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

兴建地铁不可避免的会对周边建筑和地面产生影响，尤其是地铁车站的修建，由于其涉及面积广、施工时间长，对周围岩体和建筑的影响更大。为了确保周边建筑的安全与稳定，最重要的就是要控制好地表的沉降变形，因此，研究地铁车站深基坑施工过程中的坑外地表沉降控制方法有实际意义。

王玉田等[1]利用Midas GTS NX建立了有限元分析模型，对青岛地铁流亭机场车站基坑开挖工程施工变形进行了数值模拟研究，得出地表最大沉降位于基坑边缘约1/2基坑深度处；刘承磊等[2]对基坑降水与地面沉降关系进行了现场试验研究，获得了基坑周围地面沉降规律，并得出抽水结果对地面沉降影响不大这一结论；李凤明等[3]以北京地铁8号线永定门外站的基坑降水工程为例，认为采用地下连续墙或连续墙+封底的施工方法优于直接降水法。

由于地铁深基坑降水开挖施工情况较为复杂，在多种因素的影响下，会造成基坑和周围土体产生隆起或者沉降变形，因而需要对地表沉降控制提出合理的参数取值。当前的很多研究主要还是集中于地表沉降规律的探讨，对如何控制地表沉降没有进行综合性的分析。本文以厦门市地铁莲花路口站深基坑施工为例，采用数值模拟的方式，重点对降水、止水帷幕以及回灌3种不同控制地表沉降方法的控制效果进行了对比研究，以期能为类似地铁车站基坑施工提供指导和帮助。

1 工程概况

莲花路口站位于厦门市莲岳路和嘉禾路交叉口以北处，车站总设计长度为182.712 m，标准宽度为20.9 m，深度约为16.5 m；车站大里程端头井的宽度为25.6 m，深度约为18.8 m；小里程端头井的宽度为24.8 m，深度约为17.6 m。围护结构采用钻孔灌注桩+旋喷桩联合支护形式，其中钻孔灌注桩直径为1.0 m，间距为1.2 m，在钻孔灌注桩中间采用直径为0.8 m的三重管旋喷桩作为止水帷幕；内支撑为1道钢筋混凝土支撑(700 mm ×1 000 mm)+2道钢管支撑(∅609 mm，t=16 mm)的结构形式；车站整体结构为双层两柱三跨砼框架结构，底板厚为900 mm，侧墙厚为800 mm，顶板厚为800 mm。

根据地质勘查结果，莲花路口站地表被第四系土层所覆盖，地形较为平坦，不良地质不发育，受区域地质构造及风化作用影响，岩石的风化程度不均匀，地下水位埋深一般为2～4 m。

2 数值模型

2.1 模型及边界条件

采用FLAC3D数值模拟软件，建立长度为180 m、宽度为50 m、高度为40 m的计算分析模型，模型包括11 176个单元共计12 872个节点，见图1。降水开挖施工模拟共经历两次，第1次模拟基坑初始应力场和初始位移场，计算完成后将位移清零；然后再进行后续降水施工开挖引起的应力场和位移场的变化模拟[4-6]。

图1 三维数值模型

2.2 模拟过程

模型边界四周侧边设定为法向固定，切线方向设定为自由面，模型地面设定为固定面，上表面设置为自由面(排水边界，孔压为0)，限制井壁的水平位移并对井底施加对应的静水压力，支护桩和钢支撑分别为pile单元和beam单元，单井抽水量设定为1 200 m3/d(即固定井壁渗流速度为0.014 m3/s)。

考虑初始地下水位的影响，先进行流体模型和力学模型计算形成初始应力场，然后通过各项命令实现基坑土体开挖、基坑不透水层、基坑初始孔隙水压力的设置(区域孔隙水压力为0来实现基坑的降水控制)以及3道钢支撑的设置。将周围围护体视作弹性结构，基坑周围土体视作弹塑性结构，不考虑土体自身的压缩变形，将降水开挖过程分为4个步骤：第1步为降水至3.5 m，基坑开挖至2 m；第2步为降水至8.5 m，基坑开挖至7 m；第3步为降水至13.5 m，基坑开挖至12 m，第4步为降水至18.5 m，基坑开挖至17 m。

2.3 计算参数

为了简化模型计算，对土层进行简化，合并相似土层，合并后的各土层的物理力学参数见表1。混凝土支撑的弹性模量取24 GPa，泊松比为0.167，钢支撑的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.23，见表2。

表1 各土层物理力学参数

表2 3道支撑物理力学参数

3 模拟分析结果

3.1 沉降与孔隙水压力分布特征

以井深20 m、井间距10 m、帷幕深度为22 m、渗透系数10-6cm/s为例，模拟分析得到了降水施工情况下地表的沉降与孔隙水压力分布特征，见图2。从图2中可以看到：坑内土体开挖后，坑壁的法向约束逐渐消除，同时地层所受的孔隙水压力也在逐渐改变，打破了基坑土体原有的应力平衡状态，内力需不断进行重分布，导致坑底发生隆起，而四周地层会发生沉降，在距离基坑边缘10 m处，地表沉降最大；在降水井周围，孔隙水压力呈扇形分布，降水井井底周围的流体矢量相对于井身周边而言有明显增加，由于止水帷幕的存在，水无法直接流入降水井，故基坑内外水流动相对较少，因而基坑外围的孔隙水压力保持相对稳定。

图2 沉降与孔隙水压力分布云图

3.2 降水井的影响

模拟得到的不同降水井工况下的地表沉降规律见图3。从图3(a)中可以分析得到：降水井深度对于地铁基坑周边地表沉降的影响较大，随着井深的不断增加，地表最大沉降值逐渐增大，20 m、24 m、28 m以及32 m井深下对应的地表最大沉降值分别为25.3 mm、27 mm、28.7 mm和32.6 mm。这是因为随着井深的增加，地下水的抽水强度在不断提高，井底周围的流体矢量会明显增加，在止水帷幕深度一定的情况下，当降水井深度小于止水帷幕深度时，水无法直接流入降水井，需绕过止水帷幕才能进入降水井，因而坑内外地下水流动相对较弱；当降水井深度超过止水帷幕后，水可以直接流入降水井，坑内外的地下水流动相对较强，因而地表沉降值随井深增大而增大。根据相关规范要求地表沉降应控制在30 mm以内，但为了有效排干基坑内的地下水，同时考虑工程造价等问题，认为降水井井深为24 m时效果最佳。

图3 降水井对地表沉降的影响

从图3(b)可知：井间距越小，地表沉降值越大，当井间距为10 m时，地表最大沉降值为27 mm，且周围地表的沉降范围也较大；当井间距为12 m时，地表最大沉降值为25.7 mm；当井间距为 14 m时，地表最大沉降值为24.8 mm。井间距增大缩小了降水交叉半径，基坑外部土体的孔隙水压力降幅较小，容易造成基坑内部出现涌水等情况；而且，当井间距为10 m时，地表最大沉降控制在30 mm以内。因此，综合考虑孔压分布和地表沉降控制，认为井间距为10 m时的方案最佳。

3.3 止水帷幕的影响

模拟得到的不同止水帷幕工况下的地表沉降规律见图4。从图4(a)中可以看到：随着止水帷幕深度的增加，地表最大沉降值整体上呈逐渐减小趋势，这是因为止水帷幕深度较小时，坑外的水压降幅较大，水流更容易流入到基坑内；当止水帷幕深度超过28 m后，虽然能较好地控制地表沉降，但基坑内外的孔隙水压力基本没有变化，说明当止水帷幕超过一定值后，在保持抽水量一定的情况下，止水帷幕深度对基坑内外渗流的影响和沉降的影响将逐渐减弱，因而抑制地表沉降的效果也会逐渐减弱，同时考虑到工程造价问题，认为最佳止水帷幕深度为28 m。

图4 止水帷幕对地表沉降的影响

从图4(b)中可以看到：止水帷幕的渗透系数越大，地表的最大沉降值越大，渗透系数对地表沉降的影响范围为距基坑边缘60 m内，超过60 m后影响不大；10-6cm/s、10-7cm/s、10-8cm/s、10-9cm/s等四种工况下的地表最大沉降值分别为27.5 mm、21.5 mm、20.4 mm以及19.0 mm，当止水帷幕渗透系数小于10-7cm/s后的地表沉降控制效果较好。因此，从控制地表沉降来讲，应尽量减小止水帷幕的渗透系数。

3.4 回灌施工的影响

模拟得到的不同回灌施工工况下的地表沉降规律见图5。从图5(a)中可以看到：在抽水量一定的情况下，增加回灌井数量可以抑制坑外地表的沉降，同时回灌能够在一定程度上减小地表沉陷的范围；但是，回灌井的数量不宜过多，回灌井数量较多后，基坑外部的孔压增大，而基坑内部的孔压降幅减小，会造成基坑内部出现积水情况。因此在保证抗突涌和地表沉降情况下，应合理布置回灌井数量。

从图5(b)中可以看到：随着回灌比的增大，地表最大沉降值越来越小，同时还能减小地表沉陷范围，但是地表最大沉降值的减小幅度不是很明显。因此，在利用回灌施工控制地表沉降时，应充分考虑基坑内部产生透水事故的可能性，合理控制回灌比。综合各项因素，认为回灌比在1/5时的效果较好。

图5 回灌施工对地表沉降的影响

4 结束语

根据分析结果，综合考虑沉降控制效果和工程经济成本，认为：当抽水井井深为24 m、间距为10m，止水帷幕渗透系数为10-9cm/s、深度为28 m时对地表沉降控制的效果最好；同时，可以根据工程实际情况，适当进行回灌施工，将对地铁基坑周围地表的沉降控制起到一定的辅助作用，但回灌井数量不宜过多，回灌比也不宜过大。