包溪娟

(中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

興建地鐵不可避免的會(huì)對(duì)周邊建筑和地面產(chǎn)生影響，尤其是地鐵車站的修建，由于其涉及面積廣、施工時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)周圍巖體和建筑的影響更大。為了確保周邊建筑的安全與穩(wěn)定，最重要的就是要控制好地表的沉降變形，因此，研究地鐵車站深基坑施工過(guò)程中的坑外地表沉降控制方法有實(shí)際意義。

王玉田等[1]利用Midas GTS NX建立了有限元分析模型，對(duì)青島地鐵流亭機(jī)場(chǎng)車站基坑開(kāi)挖工程施工變形進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，得出地表最大沉降位于基坑邊緣約1/2基坑深度處；劉承磊等[2]對(duì)基坑降水與地面沉降關(guān)系進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，獲得了基坑周圍地面沉降規(guī)律，并得出抽水結(jié)果對(duì)地面沉降影響不大這一結(jié)論；李鳳明等[3]以北京地鐵8號(hào)線永定門外站的基坑降水工程為例，認(rèn)為采用地下連續(xù)墻或連續(xù)墻+封底的施工方法優(yōu)于直接降水法。

由于地鐵深基坑降水開(kāi)挖施工情況較為復(fù)雜，在多種因素的影響下，會(huì)造成基坑和周圍土體產(chǎn)生隆起或者沉降變形，因而需要對(duì)地表沉降控制提出合理的參數(shù)取值。當(dāng)前的很多研究主要還是集中于地表沉降規(guī)律的探討，對(duì)如何控制地表沉降沒(méi)有進(jìn)行綜合性的分析。本文以廈門市地鐵蓮花路口站深基坑施工為例，采用數(shù)值模擬的方式，重點(diǎn)對(duì)降水、止水帷幕以及回灌3種不同控制地表沉降方法的控制效果進(jìn)行了對(duì)比研究，以期能為類似地鐵車站基坑施工提供指導(dǎo)和幫助。

1 工程概況

蓮花路口站位于廈門市蓮岳路和嘉禾路交叉口以北處，車站總設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為182.712 m，標(biāo)準(zhǔn)寬度為20.9 m，深度約為16.5 m；車站大里程端頭井的寬度為25.6 m，深度約為18.8 m；小里程端頭井的寬度為24.8 m，深度約為17.6 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+旋噴樁聯(lián)合支護(hù)形式，其中鉆孔灌注樁直徑為1.0 m，間距為1.2 m，在鉆孔灌注樁中間采用直徑為0.8 m的三重管旋噴樁作為止水帷幕；內(nèi)支撐為1道鋼筋混凝土支撐(700 mm ×1 000 mm)+2道鋼管支撐(?609 mm，t=16 mm)的結(jié)構(gòu)形式；車站整體結(jié)構(gòu)為雙層兩柱三跨砼框架結(jié)構(gòu)，底板厚為900 mm，側(cè)墻厚為800 mm，頂板厚為800 mm。

根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果，蓮花路口站地表被第四系土層所覆蓋，地形較為平坦，不良地質(zhì)不發(fā)育，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及風(fēng)化作用影響，巖石的風(fēng)化程度不均勻，地下水位埋深一般為2～4 m。

2 數(shù)值模型

2.1 模型及邊界條件

采用FLAC3D數(shù)值模擬軟件，建立長(zhǎng)度為180 m、寬度為50 m、高度為40 m的計(jì)算分析模型，模型包括11 176個(gè)單元共計(jì)12 872個(gè)節(jié)點(diǎn)，見(jiàn)圖1。降水開(kāi)挖施工模擬共經(jīng)歷兩次，第1次模擬基坑初始應(yīng)力場(chǎng)和初始位移場(chǎng)，計(jì)算完成后將位移清零；然后再進(jìn)行后續(xù)降水施工開(kāi)挖引起的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)的變化模擬[4-6]。

圖1 三維數(shù)值模型

2.2 模擬過(guò)程

模型邊界四周側(cè)邊設(shè)定為法向固定，切線方向設(shè)定為自由面，模型地面設(shè)定為固定面，上表面設(shè)置為自由面(排水邊界，孔壓為0)，限制井壁的水平位移并對(duì)井底施加對(duì)應(yīng)的靜水壓力，支護(hù)樁和鋼支撐分別為pile單元和beam單元，單井抽水量設(shè)定為1 200 m3/d(即固定井壁滲流速度為0.014 m3/s)。

考慮初始地下水位的影響，先進(jìn)行流體模型和力學(xué)模型計(jì)算形成初始應(yīng)力場(chǎng)，然后通過(guò)各項(xiàng)命令實(shí)現(xiàn)基坑土體開(kāi)挖、基坑不透水層、基坑初始孔隙水壓力的設(shè)置(區(qū)域孔隙水壓力為0來(lái)實(shí)現(xiàn)基坑的降水控制)以及3道鋼支撐的設(shè)置。將周圍圍護(hù)體視作彈性結(jié)構(gòu)，基坑周圍土體視作彈塑性結(jié)構(gòu)，不考慮土體自身的壓縮變形，將降水開(kāi)挖過(guò)程分為4個(gè)步驟：第1步為降水至3.5 m，基坑開(kāi)挖至2 m；第2步為降水至8.5 m，基坑開(kāi)挖至7 m；第3步為降水至13.5 m，基坑開(kāi)挖至12 m，第4步為降水至18.5 m，基坑開(kāi)挖至17 m。

2.3 計(jì)算參數(shù)

為了簡(jiǎn)化模型計(jì)算，對(duì)土層進(jìn)行簡(jiǎn)化，合并相似土層，合并后的各土層的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1?；炷林蔚膹椥阅Ａ咳?4 GPa，泊松比為0.167，鋼支撐的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.23，見(jiàn)表2。

表1 各土層物理力學(xué)參數(shù)

表2 3道支撐物理力學(xué)參數(shù)

3 模擬分析結(jié)果

3.1 沉降與孔隙水壓力分布特征

以井深20 m、井間距10 m、帷幕深度為22 m、滲透系數(shù)10-6cm/s為例，模擬分析得到了降水施工情況下地表的沉降與孔隙水壓力分布特征，見(jiàn)圖2。從圖2中可以看到：坑內(nèi)土體開(kāi)挖后，坑壁的法向約束逐漸消除，同時(shí)地層所受的孔隙水壓力也在逐漸改變，打破了基坑土體原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)，內(nèi)力需不斷進(jìn)行重分布，導(dǎo)致坑底發(fā)生隆起，而四周地層會(huì)發(fā)生沉降，在距離基坑邊緣10 m處，地表沉降最大；在降水井周圍，孔隙水壓力呈扇形分布，降水井井底周圍的流體矢量相對(duì)于井身周邊而言有明顯增加，由于止水帷幕的存在，水無(wú)法直接流入降水井，故基坑內(nèi)外水流動(dòng)相對(duì)較少，因而基坑外圍的孔隙水壓力保持相對(duì)穩(wěn)定。

圖2 沉降與孔隙水壓力分布云圖

3.2 降水井的影響

模擬得到的不同降水井工況下的地表沉降規(guī)律見(jiàn)圖3。從圖3(a)中可以分析得到：降水井深度對(duì)于地鐵基坑周邊地表沉降的影響較大，隨著井深的不斷增加，地表最大沉降值逐漸增大，20 m、24 m、28 m以及32 m井深下對(duì)應(yīng)的地表最大沉降值分別為25.3 mm、27 mm、28.7 mm和32.6 mm。這是因?yàn)殡S著井深的增加，地下水的抽水強(qiáng)度在不斷提高，井底周圍的流體矢量會(huì)明顯增加，在止水帷幕深度一定的情況下，當(dāng)降水井深度小于止水帷幕深度時(shí)，水無(wú)法直接流入降水井，需繞過(guò)止水帷幕才能進(jìn)入降水井，因而坑內(nèi)外地下水流動(dòng)相對(duì)較弱；當(dāng)降水井深度超過(guò)止水帷幕后，水可以直接流入降水井，坑內(nèi)外的地下水流動(dòng)相對(duì)較強(qiáng)，因而地表沉降值隨井深增大而增大。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求地表沉降應(yīng)控制在30 mm以內(nèi)，但為了有效排干基坑內(nèi)的地下水，同時(shí)考慮工程造價(jià)等問(wèn)題，認(rèn)為降水井井深為24 m時(shí)效果最佳。

圖3 降水井對(duì)地表沉降的影響

從圖3(b)可知：井間距越小，地表沉降值越大，當(dāng)井間距為10 m時(shí)，地表最大沉降值為27 mm，且周圍地表的沉降范圍也較大；當(dāng)井間距為12 m時(shí)，地表最大沉降值為25.7 mm；當(dāng)井間距為 14 m時(shí)，地表最大沉降值為24.8 mm。井間距增大縮小了降水交叉半徑，基坑外部土體的孔隙水壓力降幅較小，容易造成基坑內(nèi)部出現(xiàn)涌水等情況；而且，當(dāng)井間距為10 m時(shí)，地表最大沉降控制在30 mm以內(nèi)。因此，綜合考慮孔壓分布和地表沉降控制，認(rèn)為井間距為10 m時(shí)的方案最佳。

3.3 止水帷幕的影響

模擬得到的不同止水帷幕工況下的地表沉降規(guī)律見(jiàn)圖4。從圖4(a)中可以看到：隨著止水帷幕深度的增加，地表最大沉降值整體上呈逐漸減小趨勢(shì)，這是因?yàn)橹顾∧簧疃容^小時(shí)，坑外的水壓降幅較大，水流更容易流入到基坑內(nèi)；當(dāng)止水帷幕深度超過(guò)28 m后，雖然能較好地控制地表沉降，但基坑內(nèi)外的孔隙水壓力基本沒(méi)有變化，說(shuō)明當(dāng)止水帷幕超過(guò)一定值后，在保持抽水量一定的情況下，止水帷幕深度對(duì)基坑內(nèi)外滲流的影響和沉降的影響將逐漸減弱，因而抑制地表沉降的效果也會(huì)逐漸減弱，同時(shí)考慮到工程造價(jià)問(wèn)題，認(rèn)為最佳止水帷幕深度為28 m。

圖4 止水帷幕對(duì)地表沉降的影響

從圖4(b)中可以看到：止水帷幕的滲透系數(shù)越大，地表的最大沉降值越大，滲透系數(shù)對(duì)地表沉降的影響范圍為距基坑邊緣60 m內(nèi)，超過(guò)60 m后影響不大；10-6cm/s、10-7cm/s、10-8cm/s、10-9cm/s等四種工況下的地表最大沉降值分別為27.5 mm、21.5 mm、20.4 mm以及19.0 mm，當(dāng)止水帷幕滲透系數(shù)小于10-7cm/s后的地表沉降控制效果較好。因此，從控制地表沉降來(lái)講，應(yīng)盡量減小止水帷幕的滲透系數(shù)。

3.4 回灌施工的影響

模擬得到的不同回灌施工工況下的地表沉降規(guī)律見(jiàn)圖5。從圖5(a)中可以看到：在抽水量一定的情況下，增加回灌井?dāng)?shù)量可以抑制坑外地表的沉降，同時(shí)回灌能夠在一定程度上減小地表沉陷的范圍；但是，回灌井的數(shù)量不宜過(guò)多，回灌井?dāng)?shù)量較多后，基坑外部的孔壓增大，而基坑內(nèi)部的孔壓降幅減小，會(huì)造成基坑內(nèi)部出現(xiàn)積水情況。因此在保證抗突涌和地表沉降情況下，應(yīng)合理布置回灌井?dāng)?shù)量。

從圖5(b)中可以看到：隨著回灌比的增大，地表最大沉降值越來(lái)越小，同時(shí)還能減小地表沉陷范圍，但是地表最大沉降值的減小幅度不是很明顯。因此，在利用回灌施工控制地表沉降時(shí)，應(yīng)充分考慮基坑內(nèi)部產(chǎn)生透水事故的可能性，合理控制回灌比。綜合各項(xiàng)因素，認(rèn)為回灌比在1/5時(shí)的效果較好。

圖5 回灌施工對(duì)地表沉降的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)分析結(jié)果，綜合考慮沉降控制效果和工程經(jīng)濟(jì)成本，認(rèn)為：當(dāng)抽水井井深為24 m、間距為10m，止水帷幕滲透系數(shù)為10-9cm/s、深度為28 m時(shí)對(duì)地表沉降控制的效果最好；同時(shí)，可以根據(jù)工程實(shí)際情況，適當(dāng)進(jìn)行回灌施工，將對(duì)地鐵基坑周圍地表的沉降控制起到一定的輔助作用，但回灌井?dāng)?shù)量不宜過(guò)多，回灌比也不宜過(guò)大。