張 靜 學(xué)

(中億豐建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 蘇州 215131)

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程不斷地推進(jìn)，建筑物和構(gòu)筑物的規(guī)模擴(kuò)大和數(shù)量增多，地下空間利用程度得以提高，促使深大基坑項(xiàng)目越來越多[1]。然而基坑降水是基坑設(shè)計(jì)不可或缺的一部分，降水設(shè)計(jì)的成敗與基坑安全息息相關(guān)[2]。雖然諸多學(xué)者對基坑滲流和降水引起地面和周邊建筑物沉降方面已經(jīng)開展了深入的研究，在該方面研究已相對成熟，但是基坑降水工程存在一定的區(qū)域性差異。同時(shí)，對于深基坑工程而言，如何選擇更加合理的降水方法、進(jìn)行科學(xué)的降水設(shè)計(jì)和預(yù)測仍然是當(dāng)前和今后的一個(gè)重要課題[3]。

1 工程概況

1.1 一般概況

南京浦珠路站是南京地鐵三號(hào)線的中間站，本車站主體基坑長172.3 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬24 m，深19.838 m。本工程中明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及止水措施采用地下連續(xù)墻。地下連續(xù)墻標(biāo)準(zhǔn)段、左端盾構(gòu)井和右端盾構(gòu)井的墻厚、深度以及開挖深度詳見表1。

表1 地下連續(xù)墻各段尺寸 m

本次工程的基坑施工平面布置示意圖見圖1。

1.2 場地工程地質(zhì)及水文條件

本工程擬建場地主要位于長江漫灘平原區(qū)，地勢低平，向長江河谷緩傾。車站所處場地的土層自上而下分別為：①-2層素填土，②-3c-3層粉土、稍～中密，②-3d-4～3層粉砂、松散～稍密，②-4d-3～2層粉砂、稍密～中密，②-5d-2～1層粉砂、細(xì)砂，④-4e層卵石、碎石、圓礫，K2p-1層強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、泥巖。其中車站底板處在②-4d-3～2層粉砂中。土層的分布具體情況詳見圖2。

考慮到本基坑工程中潛水層與微承壓含水層之間缺少隔水層，故在本基坑工程中，應(yīng)將松散巖類中孔隙水作為潛水含水層組，其厚度為50 m～60 m。考慮到抽水試驗(yàn)含水層砂層的綜合滲透系數(shù)的取值范圍(K=7.1 m/d～23.1 m/d)，本工程中的滲透系數(shù)建議值取K=9.7 m/d。

2 地下水滲流數(shù)值模型

根據(jù)適應(yīng)于本工程場地的水文地質(zhì)條件，利用式(1)，可建立與之相適應(yīng)的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型[4]。

(1)

其中，kxx,kyy,kzz分別為含水層在各個(gè)主方向上的滲透系數(shù)；h為坐標(biāo)為(x,y,z)的點(diǎn)在t時(shí)刻的水頭；h0為坐標(biāo)為(x,y,z)的點(diǎn)處的初始水頭；h1為坐標(biāo)為(x,y,z)的點(diǎn)在一類邊界上的已知水頭；W為源匯項(xiàng)；Ω為基坑的計(jì)算區(qū)域；Γ1為第一類邊界。

對于模擬區(qū)平面范圍的確定，應(yīng)借助現(xiàn)有的巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)條件以及鉆孔等相關(guān)工程資料，并依據(jù)以基坑作為中心點(diǎn)，邊界應(yīng)布置在降水井影響半徑的外側(cè)的原則[5]。

在基坑的降水過程中，坑中的上覆弱潛水層會(huì)與下伏承壓含水層產(chǎn)生一定的水力聯(lián)系，因此本次研究中將兩者一同并入模型中參與計(jì)算，并認(rèn)為兩者都具有非均質(zhì)各向異性[6]。一般而言，地下水的流態(tài)被認(rèn)為是三維非穩(wěn)定流，坑內(nèi)的疏干降壓井被認(rèn)為是唯一的源、匯項(xiàng)。依據(jù)定水頭遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)的基本原則來規(guī)避邊界不確定性引起的計(jì)算結(jié)果的誤差[7]，經(jīng)多次計(jì)算得到計(jì)算區(qū)在水平方向上，起點(diǎn)選取為基坑四周，計(jì)算區(qū)域向各方向擴(kuò)展800 m，最終實(shí)際計(jì)算平面尺寸約為1 774 m×1 626 m。本次研究將基坑四周均認(rèn)定為定水頭邊界。在垂直方向上，頂部取至淺部潛水含水層，底部取至強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖層底板。

3 模型驗(yàn)證

3.1 降水井與觀測井布置

本次數(shù)值模擬共有15口降水井、10口觀測井進(jìn)行水位擬合，15口降水井均布置于坑內(nèi)，Y2,Y14和Y29觀測井布置在坑內(nèi)，G1,G2,G3,G4,YG5,YG7和YG8觀測井布置在坑外，詳見圖3。

3.2 降水效果預(yù)測

在本次數(shù)值模擬中，模型的識(shí)別驗(yàn)證時(shí)間共計(jì)6 d，將其分為6個(gè)應(yīng)力期，對應(yīng)于1個(gè)時(shí)間步長。模型經(jīng)參數(shù)反演后，得出觀測井的水位的計(jì)算值和實(shí)測值。各觀測井水位計(jì)算值和實(shí)測值的擬合效果和變化過程，如圖4～圖11所示。

從擬合結(jié)果來看，各地下水位的計(jì)算曲線與實(shí)測曲線擬合精度較為良好，總體變化趨勢基本一致，其地下水位誤差均在0.5 m以下，由此可以看出所建模型是正確和可靠的，以及模型參數(shù)的選取較為合理，最終使得本工程研究區(qū)域地下水系統(tǒng)的本質(zhì)特征能夠被較為精準(zhǔn)地反映。

4 模型降水效果預(yù)測

為了滿足基坑工程的降水控制的施工要求，工程中需要將地下水位降至基坑底部1 m以下。即該基坑工程中地下水位需要降至-12.9 m(埋深20.8 m)。當(dāng)開啟17口降水井時(shí)，坑內(nèi)降深滿足安全開挖的需求。模擬降水效果如圖12，圖13所示，經(jīng)30 d降水后，淺層土體已被完全疏干，有利于保證基坑上部土方的開挖安全。同時(shí)，各個(gè)位置深部土體的降深分別為：小盾構(gòu)井-15.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段-13.8 m，大盾構(gòu)井-17.5 m，各部分水位降深均滿足降水要求。

從圖14,圖15可以看出，降水過程中坑內(nèi)外的實(shí)測地下水位與模型預(yù)報(bào)的地下水位是十分接近的，實(shí)測歷時(shí)曲線與預(yù)報(bào)歷時(shí)曲線幾乎是重合的。這說明了模型預(yù)報(bào)地下水位的精度是比較高的。

5 結(jié)論

本次研究在總結(jié)深基坑降水的設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法的基礎(chǔ)上，以南京地鐵三號(hào)線浦珠路站深基坑降水為例，建立降水條件下地下水三維非穩(wěn)定滲流模型，對深基坑降水各地層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行反演分析，以識(shí)別驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上對降水效果進(jìn)行預(yù)測。通過本次研究獲得以下主要結(jié)論:

1)利用Visual MODFLOW三維地下水滲流數(shù)值模擬軟件，建立了三維有限差分模型[8]，通過模型反演得到了微承壓含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

2)基于地下水滲流理論，建立了基坑降水的三維非穩(wěn)定地下水滲流數(shù)值計(jì)算模型。通過模型識(shí)別與驗(yàn)證，真實(shí)地反映了地下水位在抽降水過程中的變化特征。

3)通過數(shù)值模擬對浦珠路站主體因基坑降水而產(chǎn)生的地下水流場進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)模擬值接近于實(shí)測值，進(jìn)而驗(yàn)證了在本次工程中數(shù)值模擬具有可行性。