城市轨道交通基坑降水模拟试验研究

薛利民

（中铁十八局集团有限公司天津国际工程分公司， 天津 300222）

近年来，我国城市轨道交通建设所引发的地铁事故时有发生，其中，由于地下水问题引发的事故不在少数。由于城市轨道交通工程对结构稳定性和使用功能具有高要求，在车站基坑工程的设计和施工时，必须将地下水的影响纳入考虑范围。因此，在城市轨道交通施工过程中，地下水的有效控制已成为基坑工程的重要课题。

1 工程概况

某城市轨道交通6号线文化中心站为地下车站，主体结构长约167.3 m，宽约24.7 m，围护结构采用Φ850 mm泥土搅拌墙桩，局部落低处采用一隔一插H型钢，沿基坑深度方向设置3道钢支撑。

根据地下段结构设计，含水层水位在结构底板之上，如表1所示。在地铁线路施工时，为确保施工安全与质量，须采取有效的地下水控制措施，将地下水水位降到结构底板之下。

表1 地下段结构设计和地下水位概况 m

2 抽水试验方案

根据试验目的、设计要求，结合场地水文地质条件，在深入分析各含水层的岩性、厚度、透水性等特性的基础上，本试验针对4个不同的含水层组进行4组多孔抽水试验。

2.1 试验平面布置

本次试验根据场区内的水文地质条件、施工及设计要求，对4个含水层组分别进行抽水试验，抽水试验监测孔、抽水孔布置如图1所示（图中P为监测孔，W为抽水孔）。监测孔布置时考虑后期降水工程的需要及避开场地内的工程桩位，P1-1和P1-2监测孔设计距离为5 m，P2-1监测孔设计距离为8.5 m，P2-2和P2-3监测孔设计距离为17.2 m，P3-1监测孔设计距离为8.5 m，P3-2和P3-3监测孔设计距离为23.7 m，P4-1和P4-2监测孔设计距离为22.5 m。W1、W2、W3和W4抽水孔设计距离分别为5.2 m、9.8 m、5.1 m和22.5 m。

2.2 试验顺序

4组多孔抽水试验均按3个降深的稳定流设计，并且分2个阶段进行：第1阶段，单孔抽水获取水文地质参数，并根据设计要求将第3组试验放在车站基坑范围外距其他3组试验较远处进行，考虑到先进行第4组试验时对其他3组试验影响较小，因此第1阶段试验顺序为第4组（W4）、第1组（W1）、第2组（W2）、第3组（W3）；第2阶段，第2组（W2）、第3组（W3）同时进行抽水试验。

3 数值模拟分析

3.1 数值模型

数值模型向四周延伸1 000 m，模拟区面积为2 000 m×2 000 m，抽水试验场地中心300 m范围网格按15 m×15 m的单元划分，其他范围按20 m×20 m的单元划分，共划分为115行、115列、7层，共13 225个单元，如图2所示。

3.2 数值模型参数调整

通过反复调整数值模型参数，使实际值与计算值之间的误差在误差标准之内，从而确定数值模型中各含水层的参数值。P2-1和P3-1监测孔基础资料见表2。通过模型参数调整，模型计算的水头曲线与实测的水头曲线达到了较好的拟合，两者的动态变化过程比较吻合，如图3、图4所示。经模型参数精度调整后，模型的拟合效果较好，能够较准确地反映试验场地地下水渗流状况、水渗流场的实际变化规律，可用于试验场地的降水效果预测。

3.3 降水效果预测

此次降水设计拟采用4眼减压降水井，在基坑内分别沿主体围护两侧各布置2眼减压降水井。利用上述调整好的模型分别采用单井5 m3/ h、10 m3/ h、15 m3/ h、20 m3/ h潜水泵进行降水效果模拟预测，模拟结果如下。

（1）采用5 m3/ h潜水泵，基坑涌水量为每天480 m3，降水34天后坑内水位达到设计降深20.5 m，基坑内水位降深等值线如图5所示。

（2）采用10 m3/ h潜水泵，基坑涌水量为每天960 m3，降水17天后坑内水位达到设计降深20.5 m，基坑内水位降深等值线如图6所示。

（3）采用15 m3/ h潜水泵，基坑涌水量为每天1 440 m3，降水12天后坑内水位达到设计降深20.5 m，基坑内水位降深等值线如图7所示。

（4）采用20 m3/ h潜水泵，基坑涌水量为每天1 920 m3，降水9天后坑内水位达到设计降深20.5 m，基坑内水位降深等值线如图8所示。

可见，基坑内承压水位降至设计水位降深后，基坑结构基本达到稳定。另外，考虑降水过程中，降水的成本及施工进度要求，降水设计方案可在实际降水实施过程中适当调整。

4 地表沉降监测分析

为研究现场抽水水试验对表沉降的影响，布置了地表沉降监测点，并分为6个阶段进行地表沉降监测，得到的监测结果范围如表3所示。从表3各阶段的地表沉降值可以看出，地表沉降主要发生在第1组（W1）和第2组（W2）抽水期间，第2组（W2）以上地层主要为粉土和粉质黏土，降水深度大导致地层孔压变化大，加之这2层水的水力联系密切， 因此产生的地表沉降较大；第3组（W3）抽水时其降深相对较小且与上2层水的水力联系不密切，因此沉地表降相对较小。

表3 地表沉降监测结果 mm

5 结论

（1）通过水位动态曲线模拟与实测水位动态曲线的对比，得到了较为一致的水位动态变化曲线图，这表明模拟结果可以用来研究水位动态变化。实际监测与计算模拟得出的水头梯度场对比曲线表明数值模拟结果可以用来预测水头梯度场的变化。

（2）运用本次模拟结果，分别计算出使用不同抽水量潜水泵达到基坑内水位设计降深20.5 m所需的时间，这为潜水泵选择提供了依据。

（3）地表沉降监测分析表明，地表沉降主要发生在第1组、第2组抽水期间；第3组抽水时其降深相对较小且与上2层水的水力联系不密切，因此沉降相对较小。