摘 要：【目的】為研究復(fù)雜環(huán)境下基坑降水對(duì)明挖隧道施工帶來的影響，確保施工過程安全可靠，通過分析地質(zhì)條件，進(jìn)行現(xiàn)場降水試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)施工方案進(jìn)行分析?！痉椒ā吭诂F(xiàn)場降水試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用ABAQUS軟件建立適用于津維高鐵濟(jì)南聯(lián)絡(luò)線機(jī)場隧道項(xiàng)目的二維模型，對(duì)隧道基坑降水過程進(jìn)行模擬，分析不同止水措施下止水效果及坑外土體的變形情況。將模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，證明所建立模型可適用于機(jī)場隧道基坑的降水設(shè)計(jì)?！窘Y(jié)果】①在砂土地層中，降水井采用3～7 mm濾料會(huì)造成降水井出水含沙量過大，改用粒徑更小的粗砂后情況得到改善。②止水帷幕對(duì)止水帷幕外側(cè)土體的側(cè)向變形具有一定的抑制作用，越靠近止水帷幕變形抑制作用越明顯。單獨(dú)采用懸掛式止水帷幕時(shí)，土層最大側(cè)向變形發(fā)生在止水帷幕以下的土層為1.63 mm，懸掛式止水帷幕+SMW工法樁時(shí)坑外最大側(cè)向變形仍在止水帷幕底部出現(xiàn)，最大側(cè)向變形為1.87 mm。③地連墻對(duì)土體變形具有抑制作用，但其長度對(duì)坑外土體變形的抑制作用有限。地下連續(xù)墻外側(cè)土體在1.45倍的開挖深度處發(fā)生最大側(cè)向變形，最大側(cè)向變形為2.4 mm。【結(jié)論】懸掛式止水帷幕、懸掛式止水帷幕+SMW工法樁及地下連續(xù)墻均對(duì)土體變形具有抑制作用，且影響程度不同。

關(guān)鍵詞：富水砂土地區(qū)；基坑降水；現(xiàn)場試驗(yàn)；位移分析；Abaqus數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U213" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " 文章編號(hào)：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

隨著國家“綜合交通樞紐一體化”戰(zhàn)略的實(shí)施，以機(jī)場、高鐵、地鐵一體化的大型綜合交通樞紐的建造及開發(fā)等重大項(xiàng)目日益增多，極大地緩解了社會(huì)交通出行壓力。在此類工程建設(shè)中，隧道基坑普遍存在開挖長度大、深度大、結(jié)構(gòu)類型多的特點(diǎn)，特別是對(duì)富水地區(qū)而言，地下水位較高，地層滲透系數(shù)大、黏聚力小，降水施工難度大，易發(fā)生坑外沉降變形和地下管道沉降變形等現(xiàn)象［1-2］。

隨著基坑數(shù)量的日益增長，由地下水引發(fā)的工程問題也隨之增多，降水引發(fā)的基坑周邊沉降是不可忽略的問題［3-6］，眾多學(xué)者指出在富水地層施工時(shí)，容易引發(fā)坍塌、滑坡及地表塌陷等嚴(yán)重事故［7-9］。韓旭等［10］基于某地鐵車站采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)和離散元耦合的方法分析開挖降水過程中坑外地表沉降呈“凹槽形”的變形規(guī)律。Chen等［11］以東北地區(qū)為例，利用有限元理論分析了基坑降水引起的滲流場和周圍土體沉降規(guī)律，并得出降水引起的沉降是不可逆的結(jié)論。Wu等［12］以涉及多層含水層的基坑為例進(jìn)行研究，得出止水帷幕對(duì)降水引起的坑外土體變形具有抑制作用。曾超峰等［13-14］利用模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬進(jìn)行降水引發(fā)土體變形研究，得出降水導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生指向坑內(nèi)的懸臂式運(yùn)動(dòng)，并通過墻后土體損失誘發(fā)坑外地層變形的結(jié)論。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)不同地區(qū)及不同類型的基坑降水做了大量研究，并取得了豐碩的成果。然而基坑工程具有較強(qiáng)的地域性，所以降水及土體變形規(guī)律因地質(zhì)水文條件等因素的影響存在差異［15］。

目前，在以往研究中圍護(hù)結(jié)構(gòu)較為單一，而且往往只考慮土體豎向變形，忽略了在地下水滲流影響下造成的土體側(cè)向變形，但是在降水過程中，土體不僅發(fā)生豎向變形也發(fā)生側(cè)向變形，而且土體側(cè)向變形會(huì)對(duì)地下管線造成同樣的危害?；诖?，本文圍繞富水地區(qū)機(jī)場隧道基坑降水工程進(jìn)行研究，分析不同止水措施下止水效果及降水引發(fā)的坑外土體側(cè)向變形，驗(yàn)證施工方案的可行性并指導(dǎo)現(xiàn)場降水施工工作。

1 工程概況

本研究以新建津?yàn)H高鐵濟(jì)南聯(lián)絡(luò)線遙墻機(jī)場明挖隧道工程為例，隧道以機(jī)場分割為1號(hào)隧道和2號(hào)隧道兩部分，如圖1所示。明挖隧道基坑開挖平均深度為15.5 m，最大開挖深度為19.2 m，基坑工程均采用明挖法進(jìn)行施工?；咏邓捎每觾?nèi)降水并根據(jù)不同開挖深度選用懸掛式止水帷幕、止水帷幕+SMW工法樁、地連墻等基坑止水結(jié)構(gòu)形式，本研究根據(jù)止水形式選取3種具有代表性的斷面進(jìn)行研究。

2 現(xiàn)場降水試驗(yàn)分析

2.1 降水井及觀測井布置情況

井孔采用反循環(huán)鉆機(jī)成孔，孔徑705 mm。降水井布置兩排于隧道左中線及右中線外側(cè)600 mm（中心距）處，降水井單排縱向間距32 m，并在基坑底對(duì)稱布置觀察井，使其與降水井交錯(cuò)布置，觀察井設(shè)置于基坑邊坡外側(cè)1 m處，長度與降水井一致，坑外觀察井間距為40 m。降水井的平面布置如圖2所示。降水井底標(biāo)高為底板以下6 m，兩側(cè)觀測井自然放坡段井底標(biāo)高低于底板以下6 m。該段設(shè)置7口降水井，并設(shè)置13口觀測井進(jìn)行降水試驗(yàn)，水位監(jiān)測以編號(hào)2、6、8、12、14、16觀察井為主，其他觀測井為輔，每3 h監(jiān)測一次水位變化。降水井濾水管全孔下入Φ400/300 mm水泥礫石，管壁外側(cè)頂部3 m范圍采用包裹土工布+黏土封口，3 m以下范圍內(nèi)在水泥管外側(cè)敷設(shè)2層300 g/m2無紡?fù)凉げ?灌入直徑3～7 mm濾料，井底采用土工布包裹木制井托封底。

2.2 現(xiàn)場降水實(shí)測數(shù)據(jù)分析

由于降水井淤堵、水中含沙量大造成水表損壞等原因，未形成連續(xù)抽水。從2024年2月22日開始正常抽水，試驗(yàn)段所有觀察井前24 h內(nèi)水位下降2.94～5.13 m，48 h內(nèi)水位累計(jì)下降4.38～6.53 m，第二天水位變化幅度為0.54～1.5 m，最終60 h內(nèi)水位累計(jì)下降3.05～6.73 m，達(dá)到設(shè)計(jì)降水深度的80%～119%。主要觀察井水位變化如圖3所示。由圖3可以看出，降水水位大致分為陡增和平穩(wěn)上升兩個(gè)階段，前期地下水位變化顯著，特別在5 h以內(nèi)水位變化幅度最大可達(dá)5.8 m，部分觀察井在降深陡增后得到含水層的及時(shí)補(bǔ)水，所以在陡增后出現(xiàn)略微下降的情況，但隨著降水的持續(xù)，當(dāng)?shù)叵滤贿_(dá)到一定深度后，降水井出水量與坑底以下含水層補(bǔ)水量達(dá)到一定的平衡，所以水位變化進(jìn)入平穩(wěn)上升階段。

該地層以粉土和粉質(zhì)黏土為主，局部夾有粉砂，在降水試驗(yàn)前，未充分考慮地層特性，依據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)降水井選用粒徑為3～7 mm的濾料，因?yàn)闉V料粒徑過大不能很好地過濾沙礫造成出水含沙率較大，偶爾產(chǎn)生淤堵引發(fā)水表損壞的情況。由于基坑工程具有很強(qiáng)的隱蔽性，砂可能來源于不開挖的基坑底部。隨著后期持續(xù)降水，基坑底部土層不斷流失，造成基坑底部土層抽空并引發(fā)基坑及基坑周邊不均勻沉降的發(fā)生，且此類情況不可逆轉(zhuǎn)。為防止此類情況的發(fā)生，在后續(xù)施工中濾料改用粒徑更小的砂礫，由于粒徑更小使?jié)B流路徑的阻礙增大，進(jìn)一步阻止了地下水中砂粒的流失，此措施在現(xiàn)場施工中得到驗(yàn)證，且滿足含沙率及降水設(shè)計(jì)要求。

3 有限元數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型的建立

以機(jī)場明挖隧道工程為依托，對(duì)3種不同止水方案的標(biāo)準(zhǔn)斷面建立二維模型進(jìn)行分析，本構(gòu)模型選用摩爾-庫倫模型，模型兩側(cè)限制其水平位移，底部限制水平及豎向位移，頂部為自由邊無約束?？紫端畨哼吔绺鶕?jù)所選斷面實(shí)際地下水位深度設(shè)置為0。止水帷幕采用線彈性模型。地質(zhì)參數(shù)是數(shù)值模擬的重要基礎(chǔ)，模型采用的地層與現(xiàn)場試驗(yàn)地層保持一致，土體參數(shù)的具體取值主要依據(jù)地質(zhì)勘查資料，并通過數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果做對(duì)比，在合理范圍內(nèi)對(duì)土體滲透系數(shù)進(jìn)行調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)模型校正，校正后主要土層及力學(xué)參數(shù)見表1。

為確保數(shù)值模擬結(jié)果能更好地反映真實(shí)工程情況，選取現(xiàn)場試驗(yàn)段中部2～19#井?dāng)嗝娼邓疃茸鳛閷?duì)照，數(shù)值模擬與觀測結(jié)果對(duì)比如圖4所示。該斷面7#井為降水井，其余均為觀察井。校正后兩者雖存在一定的差異，但整體水位變化與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果具有較好的吻合性，最大差異為4.1%，證明了優(yōu)化調(diào)整參數(shù)的有效性。

3.2 懸掛式止水帷幕土體側(cè)向變形分析

在實(shí)際工程中，基坑周圍地下管線不僅受土體豎向變形的影響，側(cè)向變形也有著同樣的危害，因此土體側(cè)向變形帶來的危害不容小覷。降水后基坑外部側(cè)向變形云圖及變形曲線如圖5所示。

由圖5可知，止水帷幕的存在使降水過程中地下水滲流路徑被改變，地下水從止水帷幕底部流入基坑，而且止水帷幕對(duì)止水帷幕外側(cè)土體的側(cè)向變形具有一定的抑制作用，在滲流力和止水帷幕抑制的雙重作用下，土層最大側(cè)向變形發(fā)在止水帷幕以下的土層為1.63 mm，隨著深度的繼續(xù)增加降水影響對(duì)其逐漸減小，變形也逐漸減小，特別24 m以下土體變形顯著減小，土體的側(cè)變形曲線呈現(xiàn)弓字形。越靠近止水帷幕變形抑制作用越為明顯，特別是基坑邊緣土體，受止水帷幕的抑制作用，該處變形小于基坑外5 m處側(cè)向變形。坑邊5 m以外土體受止水帷幕影響較小，土體側(cè)向變形距基坑越遠(yuǎn)變形越小。地表土不受止水帷幕的抑制作用，故地表土側(cè)向變形較大。

3.3 懸掛式止水帷幕+SMW工法樁土體側(cè)向變形分析

降水后基坑外部側(cè)向變形云圖及變形曲線如圖6所示。

由圖6可知，在側(cè)向變形方面，該方案雖然有SMW工法樁的加持，但基坑邊緣設(shè)有懸掛式止水帷幕，坑外土體變形仍受懸掛式止水帷幕的影響，所以側(cè)向變形曲線與方案一表現(xiàn)較為類似，距離基坑越遠(yuǎn)受止水帷幕的抑制變形作用越不明顯。受地下水滲流的影響，坑外最大側(cè)向變形仍在止水帷幕底部出現(xiàn)，最大側(cè)向變形為1.87 mm，隨著深度的繼續(xù)增加，降水對(duì)其影響減弱，孔隙水壓變化幅度減小，側(cè)向變形逐漸減小，變形曲線呈現(xiàn)弓字形。除基坑邊緣地表土受止水帷幕抑制作用明顯變形較小，其余各土層遵循離基坑越遠(yuǎn)變形越小的規(guī)律。

3.4 地下連續(xù)墻土體側(cè)向變形分析

降水后基坑外部側(cè)向變形云圖及變形曲線如圖7所示。

由圖7可知，在側(cè)向變形方面，降水深度較前兩種方案相差較大，側(cè)向變形量有所增加。受降水影響土體側(cè)向變形隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的態(tài)勢，側(cè)向變形曲線呈現(xiàn)倒“C”形。地下連續(xù)墻外側(cè)土體在1.45倍的開挖深度處發(fā)生最大側(cè)向變形，最大側(cè)向變形為2.4 mm。地連墻對(duì)土體變形具有抑制作用，但其長度有限，那么對(duì)坑外土體變形的抑制范圍有限，隨著距基坑距離的增加，5 m以上及35 m以下土體受地連墻的抑制作用減小，但仍受降水滲流的影響，出現(xiàn)了遠(yuǎn)處土體變形大于基坑邊緣的情況，中間土層側(cè)向變形隨著遠(yuǎn)離基坑而逐漸減小。

4 結(jié)論

①在以粉土、粉質(zhì)黏土為主的砂土地層，降水井濾料粒徑選擇過大，容易造成降水井出水含砂量過大的情況。當(dāng)濾料換為粒徑較小的砂礫后含砂量明顯減少，降低了因降水造成基底土流失并引發(fā)地基不均勻沉降的風(fēng)險(xiǎn)。

②止水帷幕對(duì)止水帷幕外側(cè)土體的側(cè)向變形具有一定的抑制作用，越靠近止水帷幕變形抑制作用越明顯。單獨(dú)采用懸掛式止水帷幕時(shí)及懸掛式止水帷幕+SMW工法樁時(shí)土體的側(cè)變形曲線均呈現(xiàn)弓字形。

③地連墻對(duì)土體變形具有抑制作用，但其長度對(duì)坑外土體變形的抑制范圍有限。受降水影響土體側(cè)向變形隨著深度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，側(cè)向變形曲線呈現(xiàn)倒C形。

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