西安饱和软黄土高水位核心区基坑降水技术*

张亚龙，张玉峰，宋奇昱，张书敏

(1.中铁七局集团西安铁路工程有限公司，陕西 西安 710032；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西 西安 710055)

0 引言

饱和软黄土核心区高水位降水一直是工程亟待解决的关键问题之一。对该领域的研究已经积累了诸多成果，但降水施工问题一直未能得到有效解决。高虎艳等[1]认为降水施工时，饱和软黄土失水固结产生较大压缩变形，处理不当易引起地面及邻近建筑物较大附加沉降，且发生速率较快。刘建伟等[2]总结了饱和软黄土基坑降水的特点。许健等[3]讨论了黄土地区基坑降水对地表及邻近建筑物沉降的影响。徐明[4]和李强[5]探讨了黄土地质条件下的地铁深基坑降水施工技术。赵敏等[6]探究了黄土地区基坑降水工程对周边建筑物的影响及建筑物损坏程度。刘冰冰等[7]、孟令冬等[8]研究了黄土基坑降水开挖对临近建筑物沉降的影响。

本文以西安地铁6号线竖井施工为背景，结合理论分析、数值分析及现场监测深入探讨降水方案、施工关键参数及关键施工工艺。

1 工程概况

背景工程竖井位于西安市兴庆宫公园内，距兴庆湖最近处28.6m，周边地形平坦开阔。竖井结构外包尺寸为 26.7m×8.6m，采用明挖法施工，基坑深30.45m，顶板覆土厚约11.6m。竖井围护形式为1m厚地下连续墙+1道钢筋混凝土支撑+5道钢支撑。地下连续墙嵌固深度为14.5m。

根据地质勘察报告，场地地层自上而下为地下水位以上的人工素填土，地下水位以下的饱和软黄土、古土壤、老黄土、粉质黏土、中砂、粉质黏土。除人工填土外，其余各土层在该场地内连续均匀分布，且成层厚度较均匀。地质剖面及基坑支护剖面如图1所示。

2 施工难点及控制措施

本工程基坑紧邻兴庆湖，地下水丰富，且分布厚度不等的饱和软黄土，降水难度大，工程施工主要存在以下难点。

1)饱和软黄土区域沉降控制 因存在厚度不均的饱和软黄土，若处理不当易引起地面及相邻建筑物的较大沉降，可能造成地面沉降和围岩不稳定，需进行逐级降水。施工过程中，应加强对周围建筑物的沉降控制，确保沉降在设计规范要求范围内，必要时采取回灌措施。

2)基坑内外水头差控制 因邻近兴庆湖，地下水位高，基坑降水难度大，坑外地下水丰富，水压、水头高，基坑施工时，易引起基坑涌水、坍塌、基底隆起等风险。施工过程中，要加强基底监测，防止竖井基坑内外水头差过大造成基底隆起或涌水。

3 降水设计与施工

本工程基坑降水采取止水帷幕联合坑内降水方案。共设置14口降水井，其中，4口疏干井，10口观测井。在保证预留足够施工空间的前提下，基坑采用坑内布井方式，降水井平面布置如图2所示。

基坑降水分为6个阶段，前5个阶段依次降低5m,最后一阶段降低4.95m。前一阶段完成降水后，要对周边建筑物、管线及兴庆湖水位进行监测，待周边建筑物及管线沉降稳定后进行下一阶段降水。

基坑降水时，对地面进行沉降监测，需在建(构)筑物角点设置沉降观测点(见图2)。

图2 降水井及地表沉降监测点布置(单位：m)

4 降水方案可行性数值分析

为分析降水方案的可行性与合理性，基于降水方案建立数值模型进行多工况分析，用于降水效果评估。

4.1 模型建立及工况设置

根据主要监测范围及基坑降水影响范围，设置模型平面尺寸为100m×100m，土体划分为7层，根据土层厚度，设置模型深度为70m。利用有限元软件ABAQUS建立三维模型。

根据工程实例，将模型内的同一层土体假定为均匀、各向同性的弹塑性体，即各层土体均采用Mohr-Coulomb本构模型。基坑降水模型所需材料参数主要为各层土体的材料参数、地下连续墙材料参数、降水井材料参数。土体材料参数如表1所示。降水井采用以槽代管的方法模拟，即所取材料参数参考土体的材料参数。地下连续墙采用C30混凝土。

表1 土体物理力学参数

根据施工要求，数值模拟共设置以下几个工作步，即初始地应力平衡→第1阶段降水→第2阶段降水→第3阶段降水→第4阶段降水→第5阶段降水→第6阶段降水。

4.2 结果与分析

根据实际施工过程，基坑降水为逐级降水，降水模拟结果如图3所示。

图3 基坑降水模拟结果

地下水位随降水深度的变化曲线如图4所示。由图4可知，随着降水深度的增大，地下水位下降深度也在增加，其中，水源位于距基坑中心42m处，此处地下水位无变化。

图4 地下水位随降水深度变化曲线

地表沉降随降水深度的变化曲线如图5所示。由图5可知，随着降水深度的增大，地表沉降也在增加，但越接近水源，地表沉降越小。

图5 降水对地表沉降的影响

基坑降水所引起的地表沉降需控制在30mm以内，由以上计算结果看出，地表沉降满足施工要求，且附近水源的补给对降水效果及沉降控制的影响巨大。

5 现场监测与分析

5.1 降水效果

各坑内降水井地下水位监测曲线如图6所示。由图6可知，降水91d之前由于施工原因水位波动较大，但在降水控制下，91d后坑内地下水位逐渐稳定且基本达到-30m以下，满足施工要求。

图6 坑内水位变化曲线

基坑支护采用地下连续墙，止水封闭效果好，延长了地下水渗流路径，在保证地下连续墙施工质量的前提下，基坑外水头降低较小，实际产生的沉降在可控范围内。

5.2 地下水位与地表沉降

提取观测井监测点数据，其中，观测井GJ3，GJ5，GJ6，GJ8的监测值分别为3，2.5，4，4m。

基坑降水引起地下水位下降的监测结果与数值计算结果对比如图7所示，以基坑中心为原点，基坑右侧为正，左侧为负，其中水源位于距基坑中心42m处。由图7可知，当距基坑中心距离由负值向正值增加时，降水引起的地下水位下降越来越小。其中，监测结果的最大值为-4m，最小值为-2.5m；模拟结果最大值为-1.22m，最小值为0。由于降水时基坑出现涌水，因此数值模拟结果与监测结果相差较大，但两曲线趋势一致。

图7 地下水位下降数值模拟与监测结果对比

提取基坑纵向监测点数据，其中①～⑤号监测点的变形值分别为-3.9，0.4，1.1，5.4，3.6mm。

基坑降水引起地表沉降的监测结果与数值计算结果对比如图8所示，当距基坑中心距离由负值向正值增加时，降水引起的地表沉降越来越小。由于基坑降水时附近有水源补给，土体降水后回灌会出现隆起现象，由图8可知，监测结果的最大值为5.4mm，最小值为-3.9mm；模拟结果最大值为-6.38mm，最小值为-12.99mm。两种结果相差较小，曲线趋势一致。

图8 降水引起地表沉降数值模拟与监测结果对比

6 结语

通过分析西安地铁6号线基坑降水的现场监测数据，并结合数值模拟的结果得到以下结论。

1)止水帷幕联合坑内降水的方法可作为饱和软黄土基坑降水的有效方法。

2)工程中应密切关注附近水源补给对降水效果及沉降控制的影响。