透水砂层地铁基坑降水控制分析

摘要：依托西安地铁8号线2标段广泰门站项目，开展了数值仿真模拟，研究透水砂层地铁深基坑降水开挖过程中地表沉降和围护结构变形规律。研究结果表明：随着基坑开挖深度的增大，地表沉降增加幅度也随之增大。标准段外地表沉降明显大于端头井段地表沉降，基坑开挖完毕后，标准段地表沉降峰值为2.6mm。降水完成后，开挖过程不会再额外产生过多的沉降。随着基坑降水与开挖的开展，地下连续墙位移持续增加，位移峰值出现在墙体中上部，曲线呈“鼓肚”状。地下连续墙水平位移主要发生在基坑开挖阶段，基坑降水对地下连续墙水平位移的影响不及基坑开挖造成的影响剧烈。基坑开挖完毕后，基坑中部地下连续墙水平位移峰值约为1.54mm，较拐角位置处的地下连续墙水平位移下降了21%。

关键词：深基坑；地铁车站；基坑降水；透水砂层

0" "引言

随着我国城市化的推进与地下工程建设的不断发展，在富水地层进行地下工程施工时出现的降水问题越来越多。针对于此，国内学者对透水砂层地铁深基坑降水开挖过程中地表沉降和围护结构变形规律开展了一系列研究。

张军和童刚强[1]依托天津地铁某车站项目，在基坑开挖前开展降水试验，分析了车站基坑地下连续墙水平位移、地表和附近建筑物沉降情况。万昊等[2]提出了落底式止水帷幕条件下承压含水层水文地质参数的解析和数值计算方法，并结合武汉园林路地铁站深基坑现场抽水连通试验数据，验证了方法的正确性和可靠性。朱浪等[3]依托工程实例，对喀斯特地质复杂施工环境深基坑内无空间降水控制技术进行了剖析。张龙保等[4]基于天津濒海某地铁车站项目，提出了一种濒海富水软土地质悬挂式止水帷幕深基坑管涌防治技术，为类似工程管涌险情的应急处理提供了技术支撑。孙大朋等[5]提出了悬挂式止水帷幕条件下深基坑群井降水引起的地表沉降计算公式，并对止水帷幕插入比、基坑内水头降深、基坑半径与承压含水层厚度之比，对地表沉降值的影响做了探究。李忠宝等[6]依托徐州市某深基坑开挖案例，开展了现场监测和数值模拟，研究了不同降水工况对支护结构变形及周围地面沉降的影响规律和机理。

本文依托西安地铁8号线2标段广泰门站项目，通过有限元软件建立地铁车站基坑开挖降水数值模型，分析基坑降水开挖过程中基坑周边地表的沉降变形和围护结构水平位移发展规律。本文的研究成果可为相似工程的设计与施工提供一定的借鉴、指导意义。

1" "工程背景

1.1" "工程基本情况

本文依托西安地铁8号线2标段广泰门站项目，该车站建筑面积23038m2，为地下三层岛式站台车站，基坑长度约为193m，标准段宽度为24.5m，深度约为24.68m。采用明挖+局部暗挖的施工方式，围护结构选用钻孔灌注桩+内支撑，地下水处理采取坑外截水和坑内降水相结合的方式。

车站位于广运潭大道大道和广安路交叉路口以北，沿广运潭大道南北向布置。场地地势东高西低，地面高程介于404.4～405.4m之间，场地地貌单元属浐河三级阶地。车站周边主要为商业用地和住宅。交叉路口东南象限为西岸国际花园小区，西南象限为信迪汽修中心及中铁二十局第六工程有限公司，西北象限现状为空地。

1.2" "地质状况

本站场地地基土的组成自上而下为人工填土、粉质黏土、中砂、中风化岩层等。未发现溶洞等不良地质条件，地下水位埋深在1.8～2.5m范围区间。各土层参数如表1所示。

2" "有限元数值仿真模型建立

2.1" "模型简化和假定

在进行有限元数值仿真模拟过程中，为了在不影响计算结果精度的前提下，提高计算效率，对模型做了一系列简化和假定[7-8]。

首先在模拟计算过程中，忽略了止水帷幕的强度影响，仅考虑到了止水帷幕的止水作用。其次，为了方便建模，基于等效刚度理论，将钻孔灌注桩等效成了地下连续墙，厚度为0.5m。

2.2" "模型参数确定

本次地铁车站深基坑部分实际长度约为35.5m，宽度约为27.4m，开挖深度为24.68m，考虑到边界效应，将模型几何尺寸设为150m×140m×60m（长×宽×高）。

采用修正的摩尔-库伦本构模型模拟土体，采用线弹性模型模拟挡土墙和内支撑，地下连续墙、止水帷幕以及各单元之间的接触作用通过界面单元模拟[9-10]。围护结构模型输入参数见表2。

2.3" "边界条件设定与网络划分

边界条件方面，将模型底部设为固定约束边界条件，模型四周设为法向约束边界条件，顶部设为自由约束条件。在进行网格划分时，对基坑支护周围和基坑附近地表位置处进行了局部的网格加密处理，共划分出321985个10节点有限元网格。该模型的网格划分情况如图1所示。

3" "结果分析与讨论

基坑采取分布降水与分步开挖策略，开挖方式为先挖后撑，共进行了4次开挖。

3.1" "基坑外地表沉降

3.1.1" "端头井段地表沉降

图2展示了端头井段坑外地表沉降变化曲线。从图2可以看出，随着基坑降水与开挖的进行，坑外地表沉降峰值增加，且随着基坑开挖深度的增大，地表沉降增加幅度也随之增大。

从距基坑边缘距离可以看出，同一工况下最大沉降出现在距基坑边缘0～5m范围内。沉降达到峰值后，随着距离的增加地表沉降逐渐下降，曲线呈现凹槽状分布。深基坑降水与开挖完毕后，端头井段周围地表最大沉降达到了2.2mm。

3.1.2" "标准段坑外地表沉降

图3展示了标准段坑外地表沉降变化情况。从图3可以看出，基坑标准段外地表沉降变化亦呈现上文所述趋势。但从数值而言，同一工况下标准段坑外的地表沉降数值均大于端头井段。基坑开挖完毕后，标准段地表沉降峰值达到了2.6mm。降水完成后，进行开挖过程中不会再额外产生过多的沉降，甚至沉降会出现下降。分析认为，由于在基坑分步开挖过程中，还包括了围护结构和钢筋混凝土支撑的施工，该施工对基坑起到了一定的加固作用。

基坑降水过程中，由于孔隙水压力不断下降，引起坑外土体有效应力增加，同时由于降水引起的水头差会产生渗透压力，二者共同作用引起地表沉降增大。

3.2" "围护结构水平位移

3.2.1" "基坑拐角位置处围护结构水平位移

图4展示了基坑拐角位置处围护结构水平位移的分布情况。从图4可以看出，随着基坑降水与开挖的进行，地下连续墙位移持续增加。第二次开挖完成后，地下连续墙水平位移分布逐渐规律化，最大值出现在墙体中上部，曲线呈“鼓肚”状。

与地表沉降不同，地下连续墙水平位移主要发生在基坑开挖阶段，基坑降水对地下连续墙水平位移的影响，远不及基坑开挖造成的影响剧烈。基坑开挖完成后，地下连续墙水平位移峰值达到了1.95mm。

3.2.2" "基坑中部位置处围护结构水平位移

图5展示了基坑中部位置处围护结构水平位移的分布情况。从图5可以看出，基坑中部地下连续墙水平位移亦呈现上文所述趋势，即随着基坑开挖的进行水平位移逐渐增加，峰值出现在地下连续墙中上部。

从数值而言，基坑开挖完毕后，基坑中部地下连续墙水平位移峰值约为1.54mm，较拐角位置处的地下连续墙水平位移下降了21%。

综上所述，鉴于基坑拐角位置处地下连续墙水平位移，大于标准段地下连续墙水平位移变形，因此在实际工程中，必须采取必要的加固措施，以降低安全风险。

4" "结束语

本文依托西安地铁8号线2标段广泰门站项目，通过数值模拟手段，分析了透水砂层地铁深基坑降水开挖过程中地表沉降和围护结构变形规律。得出主要结论如下：

随着基坑降水与开挖的进行，坑外地表沉降值增加，且随着基坑开挖深度的增大，地表沉降增加幅度也随之增大。标准段外地表沉降要明显大于端头井段地表沉降。基坑开挖完毕后，标准段地表沉降峰值达到了2.6mm。降水完成后，进行开挖过程中不会再额外产生过多的沉降。随着基坑降水与开挖的进行，地下连续墙位移持续增加，最大值出现在墙体中上部，曲线呈“鼓肚”状。地下连续墙水平位移主要发生在基坑开挖阶段，基坑降水对地下连续墙水平位移的影响，远不及基坑开挖造成的影响剧烈。

基坑开挖完毕后，基坑中部地下连续墙水平位移峰值约为1.54mm，较拐角位置处的地下连续墙水平位移下降了21%。鉴于基坑拐角位置处地下连续墙水平位移，大于标准段地下连续墙水平位移变形，因此在实际工程中，必须采取必要的加固措施，以降低安全风险。

参考文献

[1] 张军，童刚强.天津地铁某车站基坑开挖前降水试验研究[J].天津建设科技，2024，34（1）：8-11.

[2] 万昊，冯庆高，蔡兵华，等.落底式止水帷幕条件下承压含水层水文地质参数计算方法研究[J].安全与环境工程，2024，31（1）：57-66+74.

[3] 朱浪，孙小强，高涛.喀斯特地质复杂施工环境深基坑内无空间降水控制技术[J].云南水力发电，2024，40（1）：35-37.

[4] 张龙保，古汉卿，贾红学，等.濒海富水软土地质悬挂式止水帷幕深基坑管涌防治技术[J].施工技术（中英文），2024，53（1）：55-60.

[5] 孙大朋，吴云涛，汪鹏程.承压水地层悬挂止水帷幕坑内降水引起地表沉降解析[J].合肥工业大学学报（自然科学版），2023，46（12）：1679-1684.

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[8] 姬繁，施劭矗.深大基坑支护结构力学行为的温度效应分析[J].地下空间与工程学报，2024，20（S1）：298-309.DOI：10.20174/j.JUSE.2024.S1.36.

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（中铁十二局集团有限公司，山西太原" "030000）