富水砂土地区明挖隧道基坑地下水控制技术研究

摘 要：【目的】为研究复杂环境下基坑降水对明挖隧道施工带来的影响，确保施工过程安全可靠，通过分析地质条件，进行现场降水试验及数值模拟对施工方案进行分析。【方法】在现场降水试验数据基础上，利用ABAQUS软件建立适用于津维高铁济南联络线机场隧道项目的二维模型，对隧道基坑降水过程进行模拟，分析不同止水措施下止水效果及坑外土体的变形情况。将模拟结果与现场试验结果进行对比，证明所建立模型可适用于机场隧道基坑的降水设计。【结果】①在砂土地层中，降水井采用3～7 mm滤料会造成降水井出水含沙量过大，改用粒径更小的粗砂后情况得到改善。②止水帷幕对止水帷幕外侧土体的侧向变形具有一定的抑制作用，越靠近止水帷幕变形抑制作用越明显。单独采用悬挂式止水帷幕时，土层最大侧向变形发生在止水帷幕以下的土层为1.63 mm，悬挂式止水帷幕+SMW工法桩时坑外最大侧向变形仍在止水帷幕底部出现，最大侧向变形为1.87 mm。③地连墙对土体变形具有抑制作用，但其长度对坑外土体变形的抑制作用有限。地下连续墙外侧土体在1.45倍的开挖深度处发生最大侧向变形，最大侧向变形为2.4 mm。【结论】悬挂式止水帷幕、悬挂式止水帷幕+SMW工法桩及地下连续墙均对土体变形具有抑制作用，且影响程度不同。

关键词：富水砂土地区；基坑降水；现场试验；位移分析；Abaqus数值模拟

中图分类号：U213" " " 文献标志码：A" " 文章编号：1003-5168（2024）22-0056-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.22.012

Research on Groundwater Control Technology of Open-Cut Tunnel Foundation Pit in Water-Rich Sandy Soil Area

Abstract： [Purposes] In order to study the influence of foundation pit dewatering on open-cut tunnel construction in complex environment and ensure the safety and reliability of construction process， the construction scheme is analyzed by analyzing geological conditions， field dewatering test and numerical simulation. [Methods] A two-dimensional model suitable for the airport tunnel project of Jinan Connection Line of Tianjin-Weifang High-speed Railway was established by using ABAQUS software on the basis of the on-site dewatering test data. The dewatering process of tunnel foundation pit was simulated， and the effect of different dewatering measures under the tunnel and the soil deformation outside the pit were analyzed. By comparing the simulation results with the field test results， it is proved that the established model is suitable for the dewatering design of airport tunnel foundation pit. [Findings]① In the sandy soil formation， the use of 3～7 mm filter material in the dewatering well will cause the sediment content of the dewatering well to be too large， and the situation will be improved after the coarse sand with smaller particle size is used. ②The impervious curtain has a certain inhibition effect on the lateral deformation of the soil outside the impervious curtain， and the closer the impervious curtain is， the more obvious the inhibition effect is. When the hanging suspended impervious curtain is used alone， the maximum lateral deformation of soil layer occurs in the soil layer below the impervious curtain is 1.63 mm. When the suspended impervious curtain+SMW construction method， the maximum lateral deformation outside the pit still occurs at the bottom of impervious curtain， and the maximum lateral deformation is 1.87 mm. ③the diaphragm wall has an inhibitory effect on soil deformation， but its length has a limited range of inhibition on soil deformation outside the pit. The maximum lateral deformation of the soil outside the diaphragm wall occurs at 1.45 times the excavation depth， and the maximum lateral deformation is 2.4 mm. [Conclusions] Suspended impervious curtain， suspended impervious curtain +SMW construction pile and underground diaphragm wall all have inhibition effect on soil deformation， and the degree of influence is inconsistent.

Keywords： water-rich sandy soil area; foundation pit dewatering; field test;displacement analysis;Abaqus numerical simulation

0 引言

随着国家“综合交通枢纽一体化”战略的实施，以机场、高铁、地铁一体化的大型综合交通枢纽的建造及开发等重大项目日益增多，极大地缓解了社会交通出行压力。在此类工程建设中，隧道基坑普遍存在开挖长度大、深度大、结构类型多的特点，特别是对富水地区而言，地下水位较高，地层渗透系数大、黏聚力小，降水施工难度大，易发生坑外沉降变形和地下管道沉降变形等现象［1-2］。

随着基坑数量的日益增长，由地下水引发的工程问题也随之增多，降水引发的基坑周边沉降是不可忽略的问题［3-6］，众多学者指出在富水地层施工时，容易引发坍塌、滑坡及地表塌陷等严重事故［7-9］。韩旭等［10］基于某地铁车站采用计算流体动力学和离散元耦合的方法分析开挖降水过程中坑外地表沉降呈“凹槽形”的变形规律。Chen等［11］以东北地区为例，利用有限元理论分析了基坑降水引起的渗流场和周围土体沉降规律，并得出降水引起的沉降是不可逆的结论。Wu等［12］以涉及多层含水层的基坑为例进行研究，得出止水帷幕对降水引起的坑外土体变形具有抑制作用。曾超峰等［13-14］利用模型试验及数值模拟进行降水引发土体变形研究，得出降水导致围护结构发生指向坑内的悬臂式运动，并通过墙后土体损失诱发坑外地层变形的结论。国内外学者对不同地区及不同类型的基坑降水做了大量研究，并取得了丰硕的成果。然而基坑工程具有较强的地域性，所以降水及土体变形规律因地质水文条件等因素的影响存在差异［15］。

目前，在以往研究中围护结构较为单一，而且往往只考虑土体竖向变形，忽略了在地下水渗流影响下造成的土体侧向变形，但是在降水过程中，土体不仅发生竖向变形也发生侧向变形，而且土体侧向变形会对地下管线造成同样的危害。基于此，本文围绕富水地区机场隧道基坑降水工程进行研究，分析不同止水措施下止水效果及降水引发的坑外土体侧向变形，验证施工方案的可行性并指导现场降水施工工作。

1 工程概况

本研究以新建津潍高铁济南联络线遥墙机场明挖隧道工程为例，隧道以机场分割为1号隧道和2号隧道两部分，如图1所示。明挖隧道基坑开挖平均深度为15.5 m，最大开挖深度为19.2 m，基坑工程均采用明挖法进行施工。基坑降水采用坑内降水并根据不同开挖深度选用悬挂式止水帷幕、止水帷幕+SMW工法桩、地连墙等基坑止水结构形式，本研究根据止水形式选取3种具有代表性的断面进行研究。

2 现场降水试验分析

2.1 降水井及观测井布置情况

井孔采用反循环钻机成孔，孔径705 mm。降水井布置两排于隧道左中线及右中线外侧600 mm（中心距）处，降水井单排纵向间距32 m，并在基坑底对称布置观察井，使其与降水井交错布置，观察井设置于基坑边坡外侧1 m处，长度与降水井一致，坑外观察井间距为40 m。降水井的平面布置如图2所示。降水井底标高为底板以下6 m，两侧观测井自然放坡段井底标高低于底板以下6 m。该段设置7口降水井，并设置13口观测井进行降水试验，水位监测以编号2、6、8、12、14、16观察井为主，其他观测井为辅，每3 h监测一次水位变化。降水井滤水管全孔下入Φ400/300 mm水泥砾石，管壁外侧顶部3 m范围采用包裹土工布+黏土封口，3 m以下范围内在水泥管外侧敷设2层300 g/m2无纺土工布+灌入直径3～7 mm滤料，井底采用土工布包裹木制井托封底。

2.2 现场降水实测数据分析

由于降水井淤堵、水中含沙量大造成水表损坏等原因，未形成连续抽水。从2024年2月22日开始正常抽水，试验段所有观察井前24 h内水位下降2.94～5.13 m，48 h内水位累计下降4.38～6.53 m，第二天水位变化幅度为0.54～1.5 m，最终60 h内水位累计下降3.05～6.73 m，达到设计降水深度的80%～119%。主要观察井水位变化如图3所示。由图3可以看出，降水水位大致分为陡增和平稳上升两个阶段，前期地下水位变化显著，特别在5 h以内水位变化幅度最大可达5.8 m，部分观察井在降深陡增后得到含水层的及时补水，所以在陡增后出现略微下降的情况，但随着降水的持续，当地下水位达到一定深度后，降水井出水量与坑底以下含水层补水量达到一定的平衡，所以水位变化进入平稳上升阶段。

该地层以粉土和粉质黏土为主，局部夹有粉砂，在降水试验前，未充分考虑地层特性，依据以往施工经验降水井选用粒径为3～7 mm的滤料，因为滤料粒径过大不能很好地过滤沙砾造成出水含沙率较大，偶尔产生淤堵引发水表损坏的情况。由于基坑工程具有很强的隐蔽性，砂可能来源于不开挖的基坑底部。随着后期持续降水，基坑底部土层不断流失，造成基坑底部土层抽空并引发基坑及基坑周边不均匀沉降的发生，且此类情况不可逆转。为防止此类情况的发生，在后续施工中滤料改用粒径更小的砂砾，由于粒径更小使渗流路径的阻碍增大，进一步阻止了地下水中砂粒的流失，此措施在现场施工中得到验证，且满足含沙率及降水设计要求。

3 有限元数值模拟分析

3.1 数值模型的建立

以机场明挖隧道工程为依托，对3种不同止水方案的标准断面建立二维模型进行分析，本构模型选用摩尔-库伦模型，模型两侧限制其水平位移，底部限制水平及竖向位移，顶部为自由边无约束。孔隙水压边界根据所选断面实际地下水位深度设置为0。止水帷幕采用线弹性模型。地质参数是数值模拟的重要基础，模型采用的地层与现场试验地层保持一致，土体参数的具体取值主要依据地质勘查资料，并通过数值模拟与现场试验结果做对比，在合理范围内对土体渗透系数进行调整实现对模型校正，校正后主要土层及力学参数见表1。

为确保数值模拟结果能更好地反映真实工程情况，选取现场试验段中部2～19#井断面降水深度作为对照，数值模拟与观测结果对比如图4所示。该断面7#井为降水井，其余均为观察井。校正后两者虽存在一定的差异，但整体水位变化与现场试验结果具有较好的吻合性，最大差异为4.1%，证明了优化调整参数的有效性。

3.2 悬挂式止水帷幕土体侧向变形分析

在实际工程中，基坑周围地下管线不仅受土体竖向变形的影响，侧向变形也有着同样的危害，因此土体侧向变形带来的危害不容小觑。降水后基坑外部侧向变形云图及变形曲线如图5所示。

由图5可知，止水帷幕的存在使降水过程中地下水渗流路径被改变，地下水从止水帷幕底部流入基坑，而且止水帷幕对止水帷幕外侧土体的侧向变形具有一定的抑制作用，在渗流力和止水帷幕抑制的双重作用下，土层最大侧向变形发在止水帷幕以下的土层为1.63 mm，随着深度的继续增加降水影响对其逐渐减小，变形也逐渐减小，特别24 m以下土体变形显著减小，土体的侧变形曲线呈现弓字形。越靠近止水帷幕变形抑制作用越为明显，特别是基坑边缘土体，受止水帷幕的抑制作用，该处变形小于基坑外5 m处侧向变形。坑边5 m以外土体受止水帷幕影响较小，土体侧向变形距基坑越远变形越小。地表土不受止水帷幕的抑制作用，故地表土侧向变形较大。

3.3 悬挂式止水帷幕+SMW工法桩土体侧向变形分析

降水后基坑外部侧向变形云图及变形曲线如图6所示。

由图6可知，在侧向变形方面，该方案虽然有SMW工法桩的加持，但基坑边缘设有悬挂式止水帷幕，坑外土体变形仍受悬挂式止水帷幕的影响，所以侧向变形曲线与方案一表现较为类似，距离基坑越远受止水帷幕的抑制变形作用越不明显。受地下水渗流的影响，坑外最大侧向变形仍在止水帷幕底部出现，最大侧向变形为1.87 mm，随着深度的继续增加，降水对其影响减弱，孔隙水压变化幅度减小，侧向变形逐渐减小，变形曲线呈现弓字形。除基坑边缘地表土受止水帷幕抑制作用明显变形较小，其余各土层遵循离基坑越远变形越小的规律。

3.4 地下连续墙土体侧向变形分析

降水后基坑外部侧向变形云图及变形曲线如图7所示。

由图7可知，在侧向变形方面，降水深度较前两种方案相差较大，侧向变形量有所增加。受降水影响土体侧向变形随着深度的增加呈现先增大后减小的态势，侧向变形曲线呈现倒“C”形。地下连续墙外侧土体在1.45倍的开挖深度处发生最大侧向变形，最大侧向变形为2.4 mm。地连墙对土体变形具有抑制作用，但其长度有限，那么对坑外土体变形的抑制范围有限，随着距基坑距离的增加，5 m以上及35 m以下土体受地连墙的抑制作用减小，但仍受降水渗流的影响，出现了远处土体变形大于基坑边缘的情况，中间土层侧向变形随着远离基坑而逐渐减小。

4 结论

①在以粉土、粉质黏土为主的砂土地层，降水井滤料粒径选择过大，容易造成降水井出水含砂量过大的情况。当滤料换为粒径较小的砂砾后含砂量明显减少，降低了因降水造成基底土流失并引发地基不均匀沉降的风险。

②止水帷幕对止水帷幕外侧土体的侧向变形具有一定的抑制作用，越靠近止水帷幕变形抑制作用越明显。单独采用悬挂式止水帷幕时及悬挂式止水帷幕+SMW工法桩时土体的侧变形曲线均呈现弓字形。

③地连墙对土体变形具有抑制作用，但其长度对坑外土体变形的抑制范围有限。受降水影响土体侧向变形随着深度的增加呈现先增大后减小的趋势，侧向变形曲线呈现倒C形。

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