張亞龍，張玉峰，宋奇昱，張書敏

(1.中鐵七局集團西安鐵路工程有限公司，陜西 西安 710032；2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西 西安 710055)

0 引言

飽和軟黃土核心區(qū)高水位降水一直是工程亟待解決的關鍵問題之一。對該領域的研究已經(jīng)積累了諸多成果，但降水施工問題一直未能得到有效解決。高虎艷等[1]認為降水施工時，飽和軟黃土失水固結產(chǎn)生較大壓縮變形，處理不當易引起地面及鄰近建筑物較大附加沉降，且發(fā)生速率較快。劉建偉等[2]總結了飽和軟黃土基坑降水的特點。許健等[3]討論了黃土地區(qū)基坑降水對地表及鄰近建筑物沉降的影響。徐明[4]和李強[5]探討了黃土地質條件下的地鐵深基坑降水施工技術。趙敏等[6]探究了黃土地區(qū)基坑降水工程對周邊建筑物的影響及建筑物損壞程度。劉冰冰等[7]、孟令冬等[8]研究了黃土基坑降水開挖對臨近建筑物沉降的影響。

本文以西安地鐵6號線豎井施工為背景，結合理論分析、數(shù)值分析及現(xiàn)場監(jiān)測深入探討降水方案、施工關鍵參數(shù)及關鍵施工工藝。

1 工程概況

背景工程豎井位于西安市興慶宮公園內，距興慶湖最近處28.6m，周邊地形平坦開闊。豎井結構外包尺寸為 26.7m×8.6m，采用明挖法施工，基坑深30.45m，頂板覆土厚約11.6m。豎井圍護形式為1m厚地下連續(xù)墻+1道鋼筋混凝土支撐+5道鋼支撐。地下連續(xù)墻嵌固深度為14.5m。

根據(jù)地質勘察報告，場地地層自上而下為地下水位以上的人工素填土，地下水位以下的飽和軟黃土、古土壤、老黃土、粉質黏土、中砂、粉質黏土。除人工填土外，其余各土層在該場地內連續(xù)均勻分布，且成層厚度較均勻。地質剖面及基坑支護剖面如圖1所示。

2 施工難點及控制措施

本工程基坑緊鄰興慶湖，地下水豐富，且分布厚度不等的飽和軟黃土，降水難度大，工程施工主要存在以下難點。

1)飽和軟黃土區(qū)域沉降控制 因存在厚度不均的飽和軟黃土，若處理不當易引起地面及相鄰建筑物的較大沉降，可能造成地面沉降和圍巖不穩(wěn)定，需進行逐級降水。施工過程中，應加強對周圍建筑物的沉降控制，確保沉降在設計規(guī)范要求范圍內，必要時采取回灌措施。

2)基坑內外水頭差控制 因鄰近興慶湖，地下水位高，基坑降水難度大，坑外地下水豐富，水壓、水頭高，基坑施工時，易引起基坑涌水、坍塌、基底隆起等風險。施工過程中，要加強基底監(jiān)測，防止豎井基坑內外水頭差過大造成基底隆起或涌水。

3 降水設計與施工

本工程基坑降水采取止水帷幕聯(lián)合坑內降水方案。共設置14口降水井，其中，4口疏干井，10口觀測井。在保證預留足夠施工空間的前提下，基坑采用坑內布井方式，降水井平面布置如圖2所示。

基坑降水分為6個階段，前5個階段依次降低5m,最后一階段降低4.95m。前一階段完成降水后，要對周邊建筑物、管線及興慶湖水位進行監(jiān)測，待周邊建筑物及管線沉降穩(wěn)定后進行下一階段降水。

基坑降水時，對地面進行沉降監(jiān)測，需在建(構)筑物角點設置沉降觀測點(見圖2)。

圖2 降水井及地表沉降監(jiān)測點布置(單位：m)

4 降水方案可行性數(shù)值分析

為分析降水方案的可行性與合理性，基于降水方案建立數(shù)值模型進行多工況分析，用于降水效果評估。

4.1 模型建立及工況設置

根據(jù)主要監(jiān)測范圍及基坑降水影響范圍，設置模型平面尺寸為100m×100m，土體劃分為7層，根據(jù)土層厚度，設置模型深度為70m。利用有限元軟件ABAQUS建立三維模型。

根據(jù)工程實例，將模型內的同一層土體假定為均勻、各向同性的彈塑性體，即各層土體均采用Mohr-Coulomb本構模型。基坑降水模型所需材料參數(shù)主要為各層土體的材料參數(shù)、地下連續(xù)墻材料參數(shù)、降水井材料參數(shù)。土體材料參數(shù)如表1所示。降水井采用以槽代管的方法模擬，即所取材料參數(shù)參考土體的材料參數(shù)。地下連續(xù)墻采用C30混凝土。

表1 土體物理力學參數(shù)

根據(jù)施工要求，數(shù)值模擬共設置以下幾個工作步，即初始地應力平衡→第1階段降水→第2階段降水→第3階段降水→第4階段降水→第5階段降水→第6階段降水。

4.2 結果與分析

根據(jù)實際施工過程，基坑降水為逐級降水，降水模擬結果如圖3所示。

圖3 基坑降水模擬結果

地下水位隨降水深度的變化曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著降水深度的增大，地下水位下降深度也在增加，其中，水源位于距基坑中心42m處，此處地下水位無變化。

圖4 地下水位隨降水深度變化曲線

地表沉降隨降水深度的變化曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著降水深度的增大，地表沉降也在增加，但越接近水源，地表沉降越小。

圖5 降水對地表沉降的影響

基坑降水所引起的地表沉降需控制在30mm以內，由以上計算結果看出，地表沉降滿足施工要求，且附近水源的補給對降水效果及沉降控制的影響巨大。

5 現(xiàn)場監(jiān)測與分析

5.1 降水效果

各坑內降水井地下水位監(jiān)測曲線如圖6所示。由圖6可知，降水91d之前由于施工原因水位波動較大，但在降水控制下，91d后坑內地下水位逐漸穩(wěn)定且基本達到-30m以下，滿足施工要求。

圖6 坑內水位變化曲線

基坑支護采用地下連續(xù)墻，止水封閉效果好，延長了地下水滲流路徑，在保證地下連續(xù)墻施工質量的前提下，基坑外水頭降低較小，實際產(chǎn)生的沉降在可控范圍內。

5.2 地下水位與地表沉降

提取觀測井監(jiān)測點數(shù)據(jù)，其中，觀測井GJ3，GJ5，GJ6，GJ8的監(jiān)測值分別為3，2.5，4，4m。

基坑降水引起地下水位下降的監(jiān)測結果與數(shù)值計算結果對比如圖7所示，以基坑中心為原點，基坑右側為正，左側為負，其中水源位于距基坑中心42m處。由圖7可知，當距基坑中心距離由負值向正值增加時，降水引起的地下水位下降越來越小。其中，監(jiān)測結果的最大值為-4m，最小值為-2.5m；模擬結果最大值為-1.22m，最小值為0。由于降水時基坑出現(xiàn)涌水，因此數(shù)值模擬結果與監(jiān)測結果相差較大，但兩曲線趨勢一致。

圖7 地下水位下降數(shù)值模擬與監(jiān)測結果對比

提取基坑縱向監(jiān)測點數(shù)據(jù)，其中①～⑤號監(jiān)測點的變形值分別為-3.9，0.4，1.1，5.4，3.6mm。

基坑降水引起地表沉降的監(jiān)測結果與數(shù)值計算結果對比如圖8所示，當距基坑中心距離由負值向正值增加時，降水引起的地表沉降越來越小。由于基坑降水時附近有水源補給，土體降水后回灌會出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，由圖8可知，監(jiān)測結果的最大值為5.4mm，最小值為-3.9mm；模擬結果最大值為-6.38mm，最小值為-12.99mm。兩種結果相差較小，曲線趨勢一致。

圖8 降水引起地表沉降數(shù)值模擬與監(jiān)測結果對比

6 結語

通過分析西安地鐵6號線基坑降水的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，并結合數(shù)值模擬的結果得到以下結論。

1)止水帷幕聯(lián)合坑內降水的方法可作為飽和軟黃土基坑降水的有效方法。

2)工程中應密切關注附近水源補給對降水效果及沉降控制的影響。