富水砂层狭长型地铁基坑降水设计及应用研究

白 鹤，王 靖，张文胜

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

0 前 言

在富水砂层基坑工程施工中，基坑降水对工程总体安全、质量及施工工期都有很大的影响。富水砂层基坑工程因其含水层厚度大、地层渗透性强以及地下水位高等特点，基坑降水施工所需承担的风险和难度也相对较大，对于富水砂层基坑降水施工的研究仍是一个重要课题。

基坑降水施工使得原有地下水位发生变化，改变了周围土体的应力分布，从而使得地表发生变形。目前，很多学者对基坑降水施工技术及降水对周边环境影响进行了研究[1-3]。吴奇等[4]基于工程实测数据与抽水试验，研究了基坑降水对周边土体变形的影响；戴海峰等[5]总结了富水性砂层中基坑降水的设计原则和施工控制要点；罗正东等[6]结合具体工程实例，对富水砂卵石地层深基坑降水施工对支护结构以及周边环境影响进行了研究；江杰等[7]提出了一种简化的降水引起基坑地表沉降计算方法，并结合实际工程验证了计算方法的可行性；何蕃民等[8]针对临河富水砂卵石层深基坑工程进行降水方案设计，针对工程现场情况进行了方案优化；陈凌铜等[9]依托具体工程实例，分析了基坑降水对地表变形、支护结构受力的影响。连正等[10]对富水圆砾地层中基坑降水进行数值模拟计算，计算结果与现场实测结果较为吻合。

综上所述，现阶段研究成果主要集中在基坑降水引起的地层沉降控制方面，由于基坑工程具有很强地域性的特点，富水砂层基坑工程降水技术的研究则相对较少。同时，地铁工程涉及的基坑形状多为狭长型，施工时需要分区段降水，基坑降水施工更为复杂，合理的降水设计可以很大程度地降低施工风险和成本。本文以西安某地铁基坑工程为依托，针对富水砂质地层提出2种不同的基坑降水设计方案，通过对比分析选取合适的降水方案，采用MIDAS GTS软件对基坑降水过程进行数值分析，并结合现场实测数据验证方案的合理性，以期对今后类似基坑工程降水设计、施工提供参考。

1 工程概况

西安某地铁基坑工程所处区域地形起伏较小，地面高程365.90～374.70 m，地貌单元属渭河高漫滩区。整个基坑工程可分为盾构井及明挖段两个部分，其中盾构井基坑平面尺寸为14.4 m×21.3 m(长×宽)，基坑开挖深度为14.2 m；明挖标准段段基坑平面尺寸为189.6m×11.2m(长×宽)，盾构井段基坑平面尺寸为189.6m×15.2m(长×宽)，基坑开挖深度为10.72～12.58 m。整个基坑工程均采用钻孔灌注桩+内支撑的支护结构，地铁车站基坑支护剖面如图1所示。

图1 地铁车站基坑支护剖面 单位：高程，m

该工程根据现场勘探揭露的地层显示，场地范围内地层从上至下依次为素填土、细砂、中砂、粉质黏土、中砂5个地层。场地地下水属冲积层孔隙潜水，潜水含水层为冲积砂土，富水性极强，下部的隔水层多表现为不连续且不完整，各地层间地下水相互渗透，钻孔内量测的潜水稳定水位埋深约为5.8 m，绝对高程位于357.90～363.27 m，拟建区间潜水水位年变幅1.35～2.80 m。

2 基坑降水方案设计

2.1 降水设计计算

该工程地下水丰富，为保证基坑施工顺利，基坑开挖前应将地下水水位降至基坑开挖面以下。基坑降水依据JGJ 120-2012《建筑基坑支护技术规程》[11]进行设计。基坑采用管井进行降水，管井结构降水如图2所示。管井在排水时产生大的降深漏斗，使周围相当大区域内地下水水位下降，从而更加便于基坑开挖施工，但在降水的过程中，可能由于降水设计不合理而导致基坑失稳、地表土体和建筑物发生过大变形等问题。因此，采用管井降水方案设计时，须合理计算基坑总涌水量、单井出水量，优化管井布置型式，既要保证降水漏斗不过深，又使得长期运行时有一定排水能力储备。

图2 管井结构降水

该工程基坑降水总涌水量、单井出水量以及管井个数计算如下：

(1) 基坑降水总涌水量Q

(1)

公式(1)中：k为渗透系数，结合现场抽水试验结果取32.13 m/d；H为含水层厚度，取22.8 m；sd为基坑水位的设计降深，取8.6 m；R为降水影响半径，根据现场抽水试验取250.0 m；r0为基坑等效半径，取30.3 m。

(2) 单井出水量q

(2)

公式(2)中：r为过滤器半径，取0.2 m；l为过滤器进水部分有效长度，根据该工程具体概况，考虑到具体降水工艺及场地地质等情况，取2.0 m。

(3) 管井数量n

(3)

根据以上数据即可求得基坑总涌水量为14 437.33 m3，单井出水量为479.4 m3，管井个数取整为33个。

2.2 降水井位布置

基坑采用管井进行降水施工时，管井的布置尤为重要，根据以往工程施工经验，等间距对称布置管井时，能够达到很好的降水效果，从而保证施工安全。但该工程明挖段基坑长宽比较大，当采用等间距对称布置时，所需管井数量较多，会造成施工成本增加。因此，在降水井井位布置时，充分考虑地铁车站结构特点及施工工序，对等间距对称布置降水井的方式进行了改进。明挖段基坑提出采用间隔“之”字形布置降水井，即降水井沿基坑长边等间距布置，整体呈“之”字形，共需管井29个，相比于等间距对称布置时减少了降水井的数量，从而可以减少施工时间和成本，图3和图4分别为两种不同的降水井布置方式。

图3 等间距对称布置降水井

图4 间隔“之”字形布置降水井

2.3 不同降水方案分析

基坑降水施工过程中，降水所取得的效果及地表沉降是工程中重点关注内容，本文采用理正降水沉降分析软件对两种不同降水方案进行了计算，得到不同降水方案下水位降深情况以及地表沉降。

2.3.1水位降深结果分析

图5为同一剖面不同井位布置基坑水位降深对比，从图中可得，两种不同的井位布置方式在3个剖面上的水位降深分布形式较为接近。等间距对称布置时水位降深关于基坑中心对称，形成了较好的对称性降水漏斗，水位降深最大处发生在2个降水井附近。间隔“之”字形井位布置时，靠近降水井的一侧水位降深较大，形成倾斜式的降水漏斗。等间距对称布置时，3个剖面上的最大水位降深分别为-9.015、-11.426、-9.809 m；间隔“之”字形布置时，3个剖面上的最大水位降深分别为-8.890、-10.193、-9.389 m，均在基坑开挖范围内，2种降水方式计算所得水位降深均可满足设计要求。

图5 同一剖面不同井位布置基坑水位降深对比

2.3.2地表沉降结果分析

图6为同一剖面不同井位布置基坑地表沉降对比。从图中可得，两种不同的井位布置方式在3个剖面上的地表沉降关于基坑中心对称，垂直于基坑边的剖面上，地表沉降均呈现为三角形。剖面1和剖面3位于狭长型基坑的两端，剖面上间隔“之”字形井位布置方式所产生的地表沉降均小于等间距对称布置方式，剖面2中在距离基坑边界大约15.0 m以外处，间隔“之”字形布置方式所产生的地表沉降较大，距基坑边界至15.0 m则相反。结合两种降水方案的水位降深和地表沉降结果可知，间隔“之”字形井位布置方式在可以达到基坑开挖的施工要求外，降低了施工风险，同时可以节约工程造价，适用狭长型的基坑工程降水施工。

图6 同一剖面不同井位布置基坑地表沉降对比

3 基坑降水施工数值模拟分析

3.1 基本假定

考虑到实际工程和岩土体的复杂性，在采用MIDAS GTS有限元软件建立基坑模型进行分析计算时主要作了以下假定：

(1) 假定土体是连续均匀且为各向同性材料，采用修正摩尔-库伦本构模型，钻孔灌注桩和内支撑简化为弹性材料，在施工过程中不考虑各施工工序对土体性状的影响；

(2) 基坑降水模拟水位时假定基坑开挖宽度内开挖面以下孔隙水压力相等。

3.2 模型建立及模拟过程

(1) 几何模型及参数：建立土体模型时，选取基坑剖面2处的基坑相关参数，基坑宽度为15.12 m，开挖深度为12.63 m，分3次进行开挖，钻孔灌注桩桩长为17.78 m，采用3道钢支撑，分别位于地表0、3.5、7.5 m处，所建立土体模型尺寸为80 m×50 m(长×宽)，模型中土体及支护结构参数如表1所示。

表1 土体及支护结构材料参数

(2) 边界条件：土体上表面不进行边界条件的约束，模型底部约束3个方向自由度，其他两个侧面约束该面上的法向位移。

(3) 降水水位施加：基坑降水采用定义节点水头的方式进行模拟，在初始渗流分析时，定义初始水位的节点水头为-5.8 m，第一次降水节点水头定义为-9.3 m，第二次降水节点水头定义为-14.4 m。

(4) 模拟工况定义：模拟过程中工况定义与实际施工相符，定义施工阶段工况：① 初始渗流分析；② 地应力平衡分析；③ 钻孔灌注桩施工；④ 开挖第一层土及施工第一道支撑；⑤ 第一次降水；⑥ 开挖第二层土及施工第二道支撑；⑦ 第二次降水；⑧ 开挖第三层土及施工第三道支撑。

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1基坑降水结果分析

图7为两次降水模拟结果，从图中可以看出基坑开挖施工前的两次降水在土体中形成了明显的降水漏斗，当第一次水位降至-9.3 m时，距离基坑坑边约16.4 m范围内的水位变化较为明显，除坑底外水位降深最大值约为-2.4 m；当第二次水位降至-14.4 m时，距离基坑坑边约17.3 m范围内的水位变化较为明显，除坑底外，水位降深最大值约为-5.3 m。随着水位降深的增大，降水影响的范围有所增大，整个降水施工过程中，降水漏斗以下土体中水位变化相对较小。

3.3.2地表沉降结果分析

图8为基坑施工过程地表沉降计算结果，由图可得，随着基坑不断开挖，坑内土体由于开挖卸荷，基坑坑底回弹位移及坑外地表沉降均表现为不断增大。两次降水施工后，地表沉降的大小和范围较未降水前均有所增大，第一次降水施工地表沉降最大增大了0.56 mm，第二次降水地表沉降最大增大了0.83 mm，降水引起的沉降较小，地表沉降的改变主要由开挖施工引起，开挖完毕后，基坑外地表沉降最大值为-11.98 mm，发生在距坑边3.24 m处。

图8 基坑施工过程地表沉降计算结果

4 现场监测分析

4.1 现场降水施工概况

西安某地铁基坑工程采用间隔“之”字形井位布置方式，降水井孔径800 mm，基坑边界外放2.0 m布设，沿基坑长边间距15～20 m，滤水管管径500 mm，滤水井管外采用尼龙滤网及土工布包滤，混凝土井管接缝处采用两层宽度30 cm的塑料编织布缠绕，并用14号铁丝绑扎4道，以防漏砂。滤料选择为2～3 mm级配砾石，填料至地面以下3.0 m，使用粘土封填密实，在连续降水24 h后，夯实粘土封填层，降水井深度约为28.0 m，共布设降水管井个数为29口，现场管井布置如图4所示。

4.2 监测点布置

为确保基坑降水的顺利进行和基坑周边环境的安全，准确反映基坑降水效果及其地表变形情况，该工程在基坑周边共布设3个水位观测井，分别记为DSW-1、DSW-2和DSW-3(见图4)。同时对基坑周边地表沉降进行监测，共布置监测断面15个，每个断面布置8个沉降监测点，基坑南北两侧各布置4个测点，距基坑边界距离由近及远依次为1、4、9 m和14 m，3个剖面上均布设有沉降监测点。

4.3 实测值与计算值对比分析

图9为3个水位测点地下水位时程曲线。由图9可得，在降水施工初期，各监测点水位均出现不同程度的下降，且下降较为明显。其中，DSW-1和DSW-3两个测点位于狭长型基坑两侧，其水位下降趋势较为接近，降水大约35 d后水位趋于平缓；DSW-2测点位于基坑中心，存在一定的群井效应，其水位降深较为强烈，水位下降较为迅速，在降水大约27 d后水位便趋于稳定。DSW-1、DSW-2和DSW-3三个测点最终水位降深分别稳定在-8.87、-10.71、-9.35 m；计算值3个剖面上与其对应处附近水位降深分别为-8.89、-10.19、-9.39 m，实测值与计算值较为接近，验证了采用间隔“之”字形井位布置降水方案的可行性。

图9 地下水位时程曲线

图10为剖面2地表沉降对比，由图可得，在基坑水位降深稳定后，理正计算、数值模拟的地表沉降与实测值较为接近，整体表现为随着距离基坑边界距离的增大，地表沉降有所减小。数值模拟和实测地表沉降在距坑边大约3 m的位置出现“拐点”，分析原因可知理正计算时未考虑到支护结构的作用。同时，剖面2处北侧距离降水井位较近，实测的地表沉降值大于基坑南侧，因此，当采用间隔“之”字形井位布置方式进行基坑降水时，应该对布置有降水井一侧的地表进行重点监测，防止地表变形过大而引发工程事故。结合剖面2地表沉降的对比分析结果，采用间隔“之”字形井位布置方式进行基坑降水的地表沉降计算值与实测值较为吻合，验证了该种降水井布置的合理性。

图10 剖面2地表沉降对比

5 结 论

本文结合西安某地铁基坑工程，针对工程特点提出了2种不同的基坑降水设计方案，通过对基坑降水施工进行数值模拟计算，并结合现场实测数据进行对比分析，得到主要结论如下：

(1) 设计了两种不同的基坑降水方案，通过理正软件计算了两种降水方案的水位降深和地表沉降，结果表明间隔“之”字形井位布置与等间距对称布置降水水位降深均可满足施工要求，但前者所计算的地表沉降较小，降低了施工风险，间隔“之”字形井位布置方案优于等间距对称布置方案。

(2) 基坑降水施工过程中，降水影响范围随水位降深增大而增大，地表沉降的大小和范围较未降水前也均有所增大，但降水引起的沉降较小，地表沉降的改变主要由基坑开挖施工引起。

(3) 实际工程中基坑降水方案采用间隔“之”字形井位布置，现场实测水位降深与理正计算接近，地表沉降理正计算值、数值模拟值与实测值较为吻合，采用该种降水方案是合理的，将理正计算软件和数值模拟运用在基坑降水中预测地表沉降是可行的。