西北地区地铁基坑降水对周围环境影响的计算方法

蔡小玲,俞 莉,李继明

(1.无锡城市职业技术学院 建筑与环境工程学院,江苏 无锡 214000;2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心,甘肃 兰州 730050)

基坑开挖作为地铁建设必不可少的一个环节，其开挖深度和难度随着地铁建设的发展而日益增大.实施基坑降水会对周围环境以及现场场地带来一系列的不良影响.基坑降水会降低场地地下水位，从而引起地下水渗流运动，会对地基土中水土压力分布造成一定影响，也会使周围地面产生一定的沉降.这些都会对地铁的顺利建设造成一定的阻碍.为此，许多学者都进行了大量的研究[1-12].

周勇等[1]应用有限元软件ADINA对兰州地铁基坑开挖降水过程中地下管道的位移进行了全面的分析.有限元分析及监测数据表明：车站深基坑开挖及降水对地下管道的位移有显著影响；李伟等[2]采用数值分析软件Midas GTS对苏州地铁4号线某车站基坑降水进行预测分析；赵帆[3]利用数值分析软件Midas GTS NX结合监测数据建立了合肥市地铁1号线大东门车站深基坑降水开挖工程模型，通过对比渗流及不渗流计算分析结果得知降水对于基坑周围地表沉降影响较大；苑成旺[4]总结了基坑降水可能引起的对周边环境的不利影响，并运用Midas GTS数值模拟软件模拟了工程实例的降水开挖过程，对不考虑降水因素的基坑开挖工况及仅考虑降水因素不考虑开挖的工况分别进行数值模拟分析；赵明[5]运用有限差分软件FLAC3D对基坑开挖降水引起周围建筑物的沉降进行了三维流固耦合模拟.

综上，本文基于西北地区某地铁车站深基坑降水工程，对地铁基坑降水对于周围环境影响的计算方法进行了分析，并将结果计算与实际监测结果进行了分析对比，提出了西北地区该类工程的计算方法，以期可以指导西北地区类似工程.

1 基坑降水引起周围地面附加沉降的计算方法

1.1 附加沉降产生的原理

土颗粒间的接触应力在截面积上的平均应力称为有效应力.根据有效应力原理σ′=σ-μ，有效应力σ′等于总应力σ减去孔隙水压力μ[13].地铁基坑降水过程中会使周围地下水位下降，造成水位降深范围内以及浸润线以下土层中的孔隙水压力μ减小，相对的有效应力σ′会对应增加.有效应力σ′的增加可能会引起基坑周围已经固结稳定的地层发生新的附加沉降变形.

图1为地下水位下降对土层自重应力的影响示意图.从图中可知，在水位降低范围内的附加应力的增量值为

图1 地下水位下降对土层自重应力的影响Fig.1 The effects of soil self-weight stress under groundwater level decline

(1)

可以看出Δσ′1值的大小与水位降低深度Δh的大小呈线性关系；在浸润线以下土中的附加应力为

Δσ′2=σ′2-σ′1=γW(h1-h2)

(2)

其中，Δσ′2值是一个定值.可知，因地铁基坑降水而引起的基坑周围地面附加沉降是由两部分组成，第一部分为水位降低范围内的沉降量S1，第二部分为浸润线以下土层的附加沉降量S2，所以降水引起的地面总沉降量S=S1+S2.

1.2 附加沉降的估算方法

根据一维固结沉降理论，当土体初始孔隙水压

力μ全部转移为有效应力Δσ′时,土层范围内的沉降量为

(3)

式中，Ei为土体压缩模量.

所以根据式(3)可以得出水位降低范围内的沉降量S1和浸润线以下土层的附加沉降量S2如下：

式中:dW为地下水位埋深,m.

其中，S2的计算深度可按“应力比法”确定.当计算深度为一般土时，可取γW(h1-h2)=0.2γWH，即ξ=5；当土层计算深度底部为软土时，可取γW(h1-h2)=0.1γmH，即ξ=10.为了简便估算，对一般土层取ξ=5，当γm=18 kN/m3，γW=10 kN/m3，则

H=2.78(h1-h2)≈3(h1-h2)

(7)

将式(7)带入式(5)可得到：

(8)

所以可得：

(9)

式中:ψW为地铁基坑降水引起周围地面附加沉降计算的经验系数.

对于地铁基坑降水引起的附加沉降，可按现行规范[14]所规定的地基允许变形值进行评价：当[2(h1-h2)-dW]<0时，可取[2(h1-h2)-dW]=0，即S2不计入S.此时，S=ψWS1.

2 渗流力作用下地铁基坑周围地面沉降的计算方法

2.1 沉降计算方法的理论分析

由于地铁基坑降水会破坏地铁基坑周围地下水位平衡，引起地下水运动，进而引起新的渗流场，从而打破最初始的地下水平衡状态.这样会使地铁基坑周围地下土体的渗流场和应力场发生变化.渗流会产生渗流力，而渗流力引起的附加应力是土体失水固结的主要原因，并且附加应力方向与渗流力作用方向近似相同.基坑降水引发的土层最终变形不仅包括竖向沉降，还包括土体的侧向变形.图2为基坑降水后产生的土体附加应力示意图，如图2所示，土体变形是由于渗流力的作用导致的，实际当中，渗流力的方向不会是仅为竖直向下，渗流力引起的附加应力在水平方向会存有分量，这也导致了地铁基坑降水时，基坑周围土体会产生轴向变形.

图2 降水后产生的土体附加应力示意图 Fig.2 The schematic diagram of soil additional stress after lowering water level

如图2所示，地铁基坑降水施工过程中，基坑周围地下水会形成降水漏斗，在降水曲线上下可分为干土区、疏干区和饱和区.在基坑降水前后S0区的土体始终位于水位线以上，可以认为是干土区，在整个降水过程中干土区的土体不会受地下水影响，也不会产生渗流力以及附加应力，故干土区中土体的沉降变形为0，即S0=0；在基坑降水过程中，降水曲线上和初始地下水位线下的S1区域称为疏干区，降水曲线以下的S2区域称为饱和区，饱和区的土体在整个降水过程中均位于稳定地下水位面以下，处于饱和状态.计算渗流力作用下地铁基坑降水引起周围地面沉降时应将干土区、疏干区和饱和区土体的沉降分别计算.图3为降水后疏干区土层附加应力示意图，图4为降水后饱和区土层附加应力示意图.如图3和图4所示，其中疏干区和饱和区的土体的沉降计算应考虑渗流力在水平方向存在分量所带来的影响.

图3 降水后疏干区土层附加应力示意图Fig.3 The diagram of additional stress of soil layer in dredged area after lowering water level

图4 降水后饱和区土层附加应力示意图Fig.4 The diagram of additional stress of soil layer in saturated area after lowering water level

2.2 沉降的计算方法

如图3和图4所示，以降水井为坐标轴，假设地表任意S点横坐标为x0(地表任意点S至降水井的水平距离).假设地表任意点S在竖直方向上垂直投影在降水曲线的高度为y0.沿渗流力方向的直线就是过点(x0，(H-z))，并且平行于过点(x0，y0)的降水曲线的切线的直线，其中z为第i土层中计算点至初始地下水位的垂直距离.

可以证明[15]，S1区非饱和土层由降水引起的附加应力在竖直方向的分量为

ΔPiy疏干=Δσ′y=[γWz+(1-χ)s]sina

(10)

同理，S2区饱和土层由降水引起的附加应力在竖直方向的分量为

ΔPiy饱和=Δσ′y=γW(H-y)sina

(11)

将式(10)和式(11)分别带入式(3)可以得到疏干区内土层的沉降量为

可得到

(12)

降水后稳定水位面下饱和区的沉降量为

可以得到

(13)

其中：

所以，地铁基坑降水致使周围地面发生沉降的总沉降量为三个区域土层产生的沉降量的总和，又因为S0=0，则可得

S=S0+S1+S2=S1+S2

(14)

3 工程实例分析

3.1 西安某地铁车站深基坑工程

西安某地铁换乘车站基坑尺寸为18.7 m×179.6 m，开挖深度为16.45 m.地铁基坑围护结构采用排桩与钢支撑相结合的方式，其中排桩为Φ1 000@1 500，设置三道钢支撑，坑外管井降水.基坑场地地下水水位13.5 m，基坑降深按17.5 m考虑.地层15.5 m以上为新黄土，15.5～20.0 m为老黄土，20.0 m以下为粉质黏土.场地土层具体物理力学性质见表1.

表1 西安某基坑土层参数Tab.1 Parameters of soil layers of Xian’ foundation

由上可知，dW=13.5 m，h1=6.5 m，h2=2.5 m，可得[2(h1-h2)-dW]<0，故按S=ψWS1进行估算.由前文可知，此时取γW=10 kN/m3，并由地勘资料可知E1=5.6 MPa，带入公式(4)可得S1=14.29 mm，若不计经验系数，则S=S1=14.29 mm.而实际监测所得到的地面最大沉降量为5.05 mm.可以看出，沉降估算公式存在一定的误差.

估算结果存在一定误差是由于沉降估算公式受场地土的物理力学特性影响较大.通过以往诸多西安地区工程实践经验可知，西安地区的基坑工程周围地面因降水发生沉降的沉降量是比较小的.该沉降估算公式所求得沉降量与实际工程沉降量有差异的原因大致有以下几个方面：首先，沉降估算公式是以弹性力学为理论基础，其假定土体是连续的、均质各向同性体，但是实际工程中土体是不连续的，各向异性的.虽然弹性力学的方法考虑了力在土体中的扩散效应，但是其考虑扩散的程度和范围明显要比实际工程大，其变形计算的影响深度也比实际的要深.所以，对沉降估算公式得出的基坑周围土体沉降量需引入一个经验系数，使其更符合工程实际；其次，西安地区的地质是以黄土为主，黄土是一种结构性非常强的土，当基坑降水的有效应力不破坏黄土的强度时，黄土的沉降变形是非常小的；并且浸泡在水中的黄土还具有一定的强度，但是相比较于原黄土强度是非常小的.

综上，应用沉降估算公式时有必要对所得的计算结果进行经验调整，即S′=ψWS，将本次计算结果与监测结果对比可知，ψW可取0.353.需要注意的是，经验系数的取值，需在今后对该地区各类土层进行数据总结，进而划分经验系数的取值范围.

3.2 兰州某地铁车站深基坑工程

兰州某地铁车站深基坑长为212 m，宽为33.8～41.3 m，基坑深度17.0 m.基坑围护结构采用钻孔咬合灌注桩+钢支撑支护形式，桩间采用C20钢筋网喷混凝土，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，基坑竖向设4道钢支撑，水平间距为4 m.基坑场地地层自上而下主要有：杂填土、卵石土、全风化砂岩、强风化砂岩.场地各土层物理力学指标如表2所示.场地地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系冲积卵石，地下水位埋深3.6～5.0m，地下水位变化主要受降水、蒸发等因素影响，地下水位年内变幅在1.0～2.0 m之间，基坑降水深度按18.0 m考虑.

表2 兰州某基坑土层物理力学参数Tab.2 Parameters of soil layers of Lanzhou’s foundation pit

同样对本地铁车站基坑进行了沉降监测，以便于地铁基坑开挖的安全和顺利进行.在平行于车站主体围护结构的方向，在降水井周围按照一定距离确定监测点.1#监测点距离降水井10 m，2#监测点距离降水井15 m，3#监测点距离降水井20 m，4#监测点距离降水井25 m.制作监测点时采用钻机将地面硬化层钻透，随即打入作为监测点的钢筋，使钢筋与土体结为整体，可随土体的变形而变形.为了避免车辆对测点的破坏，打入的钢筋要低于路面5～10 cm，并于测点外侧设置保护管，且上面覆盖盖板保护测点.初期沉降观测每3天一次，结构完成后每周一次，经数据分析确认达到基本稳定后每月一次.

图5为各监测点沉降变化曲线图，可以看出，监测点距离降水井越远，其沉降量越小，监测点距离降水井越近，其沉降变形越大.这也正好说明了：降水时，在降水漏斗中部是有效应力最大的地方，也是其降深最大的位置.在降水漏斗两边是降深较小的位置.故在降深最大的地方，也是其土体沉降变形最大的地方.故在施工期间，降水井口附近应加强监测频率.

图5 各监测点沉降变化曲线Fig.5 Curve diagram of settlement change at monitoring point

通过考虑渗流力作用下地面沉降的计算式(14)可分别求得1#、2#、3#、4#监测点的沉降量值.以1#监测点为例，卵石层上部4.4 m为疏干区，卵石层下部及全风化岩层上部1.4 m为饱和区，具体计算为

可得

S=S(疏干)+S(饱和)1+S(饱和)2=16.19 mm

图6为各监测点的计算沉降量与实测沉降量的对比关系图，从图中可以看出各监测点计算沉降量值与实测沉降量值基本相等，差值较小.在实际工程中相差的沉降量对于工程的影响是微乎其微的，可以看出，考虑渗流力作用下地面沉降计算公式是较为准确的.

图6 各监测点计算沉降量与实测沉降量对比曲线Fig.6 Comparison curve between calculated settlement and measured settlement at each monitoring point

4 结论

本文通过对西安和兰州地铁车站深基坑降水工程的总结，分析了基坑降水对周边环境影响所采用的计算方法，并通过对比实测结果与计算结果得到以下结论：

1) 附加沉降估算公式的计算结果相比于实测结果较为保守，但通过带入经验系数可以使计算值接近于实际值.而考虑渗流力作用下的沉降计算公式对于实测结果误差较小.

2) 附加沉降估算公式与考虑渗流力作用下的沉降计算公式相比较，其结果偏保守.而考虑渗流力作用下的沉降计算公式是根据降水时渗流力的应力分量计算出有效应力，从而得出土层的沉降量值，该公式精度相比于估算公式有较大提升，所得结果与实测值也较为吻合，可作为西北地区基坑降水对周围环境影响的计算公式.

3) 因基坑降水工程环境较为复杂，所受影响因素诸多，其中地基土的压缩系数、孔隙比、渗透系数等与基坑降水是密切相关的，因而对于降水引起周围地面沉降的计算精度还有待进一步提升.