□文/柴文可 陳 庚

對(duì)天津某地鐵站基坑降水底部穩(wěn)定及地面沉降預(yù)測(cè)分析

□文/柴文可 陳 庚

深基坑的開挖過(guò)程需進(jìn)行降水工作，而降水過(guò)程中基坑底部穩(wěn)定及其引起的周邊建筑物次生沉降病害需重點(diǎn)關(guān)注。文章依托天津某地鐵站施工降水工程開展上述問(wèn)題的討論，對(duì)基坑底部穩(wěn)定、降水引發(fā)沉降病害的范圍及其變形形式、地下連續(xù)墻打設(shè)深度及其對(duì)周邊建筑物的沉降影響等內(nèi)容予以分析，得出該地區(qū)不同地下連續(xù)墻打設(shè)深度下的降水對(duì)周邊建筑物影響計(jì)算擬合公式，便于簡(jiǎn)化沉降監(jiān)測(cè)的沉降點(diǎn)布控。

基坑；降水；地下連續(xù)墻；地鐵；穩(wěn)定；沉降

降水工程是深基坑、隧道、地鐵等地下工程的重要組成部分，降水對(duì)周邊環(huán)境帶來(lái)的影響需予以研究。王軍[1]、馮曉臘[2]及宋仁亮[3]等分別對(duì)降水工程的方法選擇、止水帷幕的作用等進(jìn)行了分析。本文結(jié)合天津某地鐵站施工降水工程，采用數(shù)值計(jì)算等方法驗(yàn)算地鐵站底部穩(wěn)定情況，分析地鐵站基坑周邊建筑物在不同深度地下連續(xù)墻截滲作用下的沉降穩(wěn)定并與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)予以對(duì)比分析。

1 工程概述及地質(zhì)情況

1.1 工程概況

在建某地鐵站位于天津市河西區(qū)，西南-東北向布置，場(chǎng)地范圍內(nèi)地勢(shì)平坦，周邊既有建筑物眾多，對(duì)地鐵站施工沉降控制要求較為嚴(yán)格。地鐵站主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)276 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬 23.3 m，深約 25.62 m，盾構(gòu)井段基坑寬27.1 m，深約27.42 m，主體結(jié)構(gòu)采用蓋挖逆做法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)擬采用地下連續(xù)墻，厚度控制為1 000 mm，結(jié)構(gòu)樁為直徑2 m的旋挖擴(kuò)底樁，基底以下長(zhǎng)35 m；附屬結(jié)構(gòu)基坑深度約為10 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，深度為20 m。

1.2 地質(zhì)情況

根據(jù)鉆探資料及室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，勘察場(chǎng)區(qū)地層自上而下依次為雜填土①1層，層底標(biāo)高-1.50～1.62 m；粉質(zhì)粘土④1層，灰黃色～褐黃色，可塑，局部軟塑，中壓縮性，偶見螺殼、有機(jī)質(zhì)，含銹斑，場(chǎng)地范圍內(nèi)普遍分布；粉土④2層，灰黃色～褐黃色，濕，密實(shí)，局部中密，中低壓縮性，含云母、氧化鐵，土質(zhì)不均，場(chǎng)地范圍內(nèi)不連續(xù)分布，層底標(biāo)高-3.95～-0.29 m；粉土⑥1t層、粉質(zhì)粘土⑥1層、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土⑥1t層、粉土⑥3層、粉質(zhì)粘土⑥4層及淤泥質(zhì)土⑥4t層，層底標(biāo)高-10.85～-9.21 m；粉質(zhì)粘土⑦層，灰色，可塑，局部軟塑，中壓縮性，含云母、氧化鐵，層底標(biāo)高-12.51～-10.87 m；粉質(zhì)粘土⑧層，層底標(biāo)高-19.81～-29.45 m；粉土層，可塑，中壓縮性，含云母、氧化鐵，層底標(biāo)高-53.35～-47.75 m，所有鉆孔未穿透此層。

根據(jù)勘察結(jié)果及區(qū)域性地下水資料，地下水類型主要為松散巖類孔隙水，鉆孔深度范圍內(nèi)地下水可細(xì)分為潛水、第一層承壓水、第二層承壓水。其中潛水含水層粉質(zhì)粘土④層、粉土④2層、粉土⑥1t層、粉質(zhì)粘土⑥1層、粉土⑥3層、粉質(zhì)粘土⑥4層，該層水的水位標(biāo)高1.569～1.630 m；第一承壓水：含水層為粉土粉土-2.911 m。

2 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑開挖后，與承壓含水層頂板間距離減小，相應(yīng)承壓含水層上部土壓力也隨之減?。划?dāng)基坑開挖到一定深度后，承壓含水層承壓水頂托力可能大于其上覆土壓力，導(dǎo)致基坑底部失穩(wěn)，嚴(yán)重危害安全。因此，在開挖過(guò)程中，需考慮基坑底部承壓含水層的水壓力，必要時(shí)按需降壓，保障安全?；拥装蹇雇挥糠€(wěn)定性條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。

式中：h為基坑底至承壓含水層頂板間各層土的厚度，m；γs為基坑底至承壓含水層頂板間各層土的重度，kN/m3；H為承壓水位高于承壓含水層頂板的高度，m；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；Fs為基坑抗突涌安全系數(shù)。

因第一承壓含水層主要為粉土⑧層、粉土⑨層、粉土⑩層，未連續(xù)成層分布，厚度相對(duì)較小且距離基坑開挖面較近，考慮到止水帷幕已隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，故直接采用疏干降水的方式，前期減壓，后期疏干?；拥装蹇钩袎核挥糠€(wěn)定性計(jì)算主要針對(duì)場(chǎng)地下覆第二承壓含水層；針對(duì)第二承壓水上部，其初始水位取大沽標(biāo)高-2.803 m（按本場(chǎng)地設(shè)計(jì)地面標(biāo)高2.800 m換算得埋深5.603 m），土重度取平均值 19.5 kN/m3，安全系數(shù)取1.1?；拥装蹇雇挥糠€(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表1。

表1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

針對(duì)第二承壓水下部，因第二承壓含水層下部層頂變化較大故對(duì)其進(jìn)行分段計(jì)算，其承壓水水位約為大沽標(biāo)高-2.803 m，基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 第二承壓含水層下部承壓水位控制值

由表2可知，當(dāng)安全系數(shù)取1.1時(shí)，僅大小里程端頭井處需降1.563 m和0.069 m；安全系數(shù)取1.05時(shí)，主體基坑都不需要減壓降水。由于承壓水位計(jì)算時(shí)是參考第二承壓含水層上部的承壓水位，所以承壓水位偏高，另第二承壓含水層上下部在部分地區(qū)有直接的水力聯(lián)系，第二承壓含水層上部水位降低必然會(huì)帶動(dòng)第二承壓含水層下部的水位下降，故不需單獨(dú)設(shè)置降壓井。

3 地下水滲流地面沉降模型及計(jì)算

根據(jù)陳崇希[4]對(duì)地下水流動(dòng)問(wèn)題的研究，基坑降水過(guò)程中，在考慮各向異性承壓含水層中地下水三維不穩(wěn)定流問(wèn)題時(shí)，該狀況的地下水流動(dòng)規(guī)律可用以下三維模型表達(dá)：

式中：B1為研究區(qū)的第一類邊界（定水頭邊界）；B2為研究區(qū)的第二類邊界（定流量邊界）；M為第二類邊界B2處的滲流速度；Kxx、Kyy、Kzz分別為 x、y、z 方向上的滲透系數(shù)，為方便起見，認(rèn)為土體各向滲透系數(shù)均相同。

參照Burbey T J[5～6]對(duì)地下水位下降引起的含水層壓縮量的計(jì)算研究，認(rèn)為承壓含水層可分彈性變形量和非彈性變形量，即-ΔhSskeb0和-ΔhSskvb0，潛水含水層的彈性變形及非彈性變形分別為-Δh(1-n+nw)Sskeb0和 -Δh(1-n+nw)Sskvb0，將上述二模型通過(guò)水頭項(xiàng)耦合計(jì)算進(jìn)行求解。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工進(jìn)度要求及連續(xù)墻設(shè)置深度建議，對(duì)比施工降水3月后不同連續(xù)墻深度下的周邊建筑物沉降值，見圖1。

圖1 基坑降水周邊沉降計(jì)算值

由圖1看出，降水主要影響區(qū)域在基坑外50 m，沉降量成冪指數(shù)衰減；在50 m之外地面沉降有所衰減，可近似線性沉降曲線，依此分析附近沉降物的施工期降水沉降具有較好參照性，其擬合公式為

式中：S為地面沉降值，mm；S50為基坑50 m處地面沉降值，mm；H 為地下連續(xù)墻深度，m，H∈（45，59.5）；L為距離基坑水平距離，m。

可對(duì)一定埋深背景下的不同埋深地下連續(xù)墻作用因基坑開挖降水作用下的遠(yuǎn)距離地面沉降予以預(yù)測(cè)分析。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

為驗(yàn)證上述模型及預(yù)測(cè)擬合公式的準(zhǔn)確性，采用數(shù)值計(jì)算對(duì)基坑降水沉降進(jìn)行分析，按照勘察資料，概化后的地層及初始水位參見表3。

表3 模型地層概化

基坑地下連續(xù)墻未能完全隔斷第二承壓含水層，因此不同地下連續(xù)墻深度下的沉降見圖2。

圖2 基坑降水周邊沉降

由圖2可知，降水運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生影響的范圍約為200～300 m，隨著地下連續(xù)墻深度的增加，降水運(yùn)行對(duì)基坑外環(huán)境的影響隨之減小且越靠近基坑，不同地下連續(xù)墻類型造成的沉降差異越大；越遠(yuǎn)離基坑，沉降差異越小。

5 結(jié)論

1）基坑開挖時(shí)，當(dāng)基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力大于承壓水的頂托力時(shí)，下部承壓水無(wú)需采用地下連續(xù)墻完全截?cái)唷?/p>

2）考慮各向異性承壓含水層中地下水三維不穩(wěn)定流問(wèn)題及土層彈塑性變形分算時(shí)，在本基坑50 m之外地面沉降有所衰減，可近似線性沉降曲線且可形成擬合公式，便于簡(jiǎn)化沉降監(jiān)測(cè)的沉降點(diǎn)布控。

3）隨著地下連續(xù)墻深度的增加，降水運(yùn)行對(duì)基坑外環(huán)境的影響隨之減小且越靠近基坑，不同地下連續(xù)墻類型造成的沉降差異越大；越遠(yuǎn)離基坑，沉降差異越小。

[1]王 軍，王 彪.軟土地區(qū)地鐵基坑降水方法選擇[J].山西建筑，2010，（33）：114-115.

[2]馮曉臘，謝武軍，盧智強(qiáng)，等.懸掛式止水帷幕對(duì)基坑降水的影響[J].土工基礎(chǔ)，2006，（4）：33-36.

[3]宋仁亮，王文龍，馮江鵬.無(wú)錫蠡湖隧道某標(biāo)基坑降水方案應(yīng)用和分析[J].安徽建筑，2010，（6）：84-86.

[4]陳崇希，唐仲華.地下水流動(dòng)問(wèn)題數(shù)值方法[M].武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，2009.

[5]Hsieh P A.Documentation of a computer program to simulate horizon tal-flow barriers using the U.S.geological survey modular three-dimensional-fi nite-difference ground water flow model[R].Geological Survey Open File Report，1993.

[6]Burbey T J，Helm D C.Modeling three-dimensional defor mation in response to pumping of unconsolidated aquifers[J].Environmental and Engineering Geoscience，1999.

□陳 庚/河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所。

U455

C

1008-3197（2013）06-35-03

10.3969/j.issn.1008-3197.2013.06.015

2013-10-10

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃（CXZZ12_0233）

柴文可/男，1988年年出生，天津地下鐵道集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。