基于止水帷幕的西安地鐵某工程降水效果數(shù)值模擬分析

郭曉程 范新明

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018）

地鐵建設(shè)活動中的深基坑工程引起的地表變形，主要源于水、土兩個方面。即：含水層疏干導(dǎo)致土層固結(jié)變形以及基坑開挖引起土體應(yīng)力釋放與地層應(yīng)力平衡狀態(tài)改變，坑周產(chǎn)生應(yīng)力差和剪應(yīng)變，引起土層位移和地表變形。顯然，考慮到地表沉降的區(qū)域性、緩變性特點，工程降水引起的區(qū)域性地表變形應(yīng)該是地表沉降控制研究的關(guān)鍵。本文以西安地鐵施工中的一典型工程為例，建立二維有限元模型，對基坑降水環(huán)境效應(yīng)的耦合性狀進行分析，探討采用不同止水形式對地表沉降影響的規(guī)律。

表1 基坑內(nèi)各土層性質(zhì)表

1 工程概況

西安地鐵某車站主體結(jié)構(gòu)形式為地下三層，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約為24m，擬采用明挖法施工。設(shè)3個出入口及1個預(yù)留出入口，出入口底板埋深約10m，出入口擬采用明挖順筑法施工；車站主體基坑圍護結(jié)構(gòu)采用圍護樁形式，基坑從南向北分段分層開挖。

1.1 工程水文、地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告揭示，自上而下分析該場地地層條件，表層為以路基為主的人工填土；地下水位以上為具濕陷性3-1-1層新黃土，地下水位附近為性質(zhì)較差的新黃土3-1-2層，其下為性質(zhì)一般的3-2-2層古土壤及4-1-2層老黃土，再向下為物理力學(xué)性質(zhì)較好且厚度、層位穩(wěn)定的夾4-7層密實中砂的4-4層粉質(zhì)黏土。該場地地面下40m深度內(nèi)，各地層均連續(xù)分布，且成層厚度均勻，車站基坑范圍內(nèi)各個土層性質(zhì)如表1。

該車站附近無地表水體，車站工程建設(shè)影響范圍內(nèi)為地下潛水。場地潛水賦存于上更新統(tǒng)殘積古土壤、中更新世風(fēng)積黃土和沖積粉質(zhì)黏土及其砂夾層中。主要含水層為中更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)黏土1層中砂夾層，該層透水性好，賦水性強。地下水位在地面下8m左右，屬潛水，車站各主體結(jié)構(gòu)均位于地下水位以下。

1.2 基坑降水方案設(shè)計

圖1 方案一（坑外降水）示意圖

方案1：坑外降水，見圖1?；娱_挖深度24米，基坑圍護樁樁長31米，嵌固深度7米。降水井濾水管深度35米，與圍護樁水平距離2.5米。

方案2：坑內(nèi)降水，圍護結(jié)構(gòu)外加止水帷幕，見圖2。基坑開挖深度24米，嵌固深度7米?；訃o樁樁長31米，止水帷幕深度31米，降水井濾水管深度35米。此方案為工程實際采用方案。

2 模型建立

2.1 基本假定

圖2 方案二（坑內(nèi)降水）示意圖

為了方便問題分析,掌握規(guī)律,本文作了以下假定:1）假定降水階段土體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系符合彈性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系；2）按平面應(yīng)變問題考慮,井點、深井對稱分布在基坑邊；3）初始地下水位在地表；4）井點、深井降水前,土體在自重作用下固結(jié)已完成；5）埋設(shè)井點、深井引起土體應(yīng)力和變形不予考慮,暫不考慮基坑開挖引起的變形。

2.2 計算區(qū)域確定

圖3 計算基坑斷面示意圖

圖4 有限元模型

圖5 水位線計算分析

圖6 各工況地表沉降分布

圖7 水位線計算分析

圖8 各工況地表沉降分布

計算深度取30m。降水影響半徑以庫薩金經(jīng)驗公式求得的最大降水影響半徑和工程經(jīng)驗值為參考,并在實際建模中作調(diào)整。本文中取降水影響半徑R=200m,即認為距離基坑邊200m以外地表水位線不變化。在降水影響半徑附近盡管水位下降值已趨向零,但由于不均勻沉降所產(chǎn)生的剪切變形會引起豎向沉降重新調(diào)整和向鄰近土體擴散,即在沉降大的地方有所減小,小的地方有所增大,并隨著距離的增大而逐步趨向于零。因此,沉降區(qū)的影響范圍比水頭下降區(qū)的范圍大,但在降水影響半徑一定距離以外,不論是絕對沉降量還是差異沉降量都已經(jīng)相當(dāng)小了。本文取離開基坑邊距離200m處水平位移和豎直位移為零，見圖3。

2.3 網(wǎng)格化分和邊界條件

2.3.1 網(wǎng)格化分

采用有限元軟件ABAQUS以非飽和土和非穩(wěn)定滲流理論為基礎(chǔ)，采用平面四邊形單元（CPE4P單元），有限元網(wǎng)格化分見圖4。計算區(qū)域各土層特性參數(shù)見表1。

2.3.2 位移邊界條件

bc邊為對稱約束,即水平位移為零；ad邊水平、豎直方向位移約束,即水平、豎直位移為零；ab邊水平、豎直方向約束,即水平、豎向位移為零。

2.3.3 孔壓、流量邊界條件

e邊為對稱面,即流量為零；ab邊不透水,即流量為零；井點管上部i點處為流量邊界（流量大小按實際流量施加）,如果把其作為深井考慮,可考慮i點的孔壓為零；dh邊孔壓為零。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 降水方案一

圖9 距坑壁10米處地表沉降曲線

圖10 距坑壁20米處地表沉降曲線

采用方案一坑外降水?；娱_挖至24米時，分析計算出基坑外地下水位的變化規(guī)律，對計算所得的基坑外水位線隨時間以及地表沉降進行了分析。水位變化與基坑距離關(guān)系見圖5所示。

模擬基坑開挖至開挖深度8米、16米、24米時，地表沉降隨基坑坑壁距離變化見圖6所示。由圖可知，未降水時，開挖對距離坑壁2h范圍內(nèi)地表有影響，在距基坑2h以外，沉降幾乎為0。當(dāng)在基坑外布置抽水井時，潛水區(qū)水位大范圍下降，導(dǎo)致大面積地表變形。在距基坑3h范圍內(nèi)，沉降超過4mm，向靠近基坑方向線性增加，在距基坑壁8米處地表沉降最大，達到-28.9mm。在距基坑10h以外，地表沉降趨緩，但仍在很大范圍內(nèi)沉降超過2mm。

3.2 降水方案二

采用方案二坑內(nèi)降水，旋噴止水帷幕深入到降水目的的含水層的底板內(nèi)，坑內(nèi)的含水層水位降低時，坑外潛水的水頭變化微小。水位變化與基坑距離關(guān)系見圖7所示。

模擬基坑開挖至開挖深度8米、16米、24米時，地表沉降隨基坑坑壁距離變化見圖8所示。由圖可知，由于此種降水方式，止水帷幕深入降水目的的含水層的底板內(nèi)，基坑內(nèi)降水對坑外水位影響甚微，各工況地表變形主要由圍護結(jié)構(gòu)的變形引起。開挖對距離坑壁2h范圍內(nèi)地表有影響，最大沉降只有12.9mm。在基坑2h以外，沉降小于3mm。此種降水方式對地表沉降效果較好。

模擬各開挖工況下計算地表變形與實測變形比較見圖9、圖10所示。計算值與實測地表變形吻合較好，說明模型各參數(shù)選取符合實際，可以用來預(yù)測基坑開挖降水對更遠范圍的地標(biāo)影響。

結(jié)語

以上計算結(jié)果表明，地鐵深基坑施工過程中，止水形式對坑周地面沉降影響迥異。第一類滲流特征（方案一），坑外降水引起地面沉降范圍較廣，程度較大，距基坑坑壁2h處沉降量達11.2mm，在距坑壁2-11h范圍內(nèi)沉降量線性減小。第二類滲流特征（方案二），地表變形主要由圍護結(jié)構(gòu)自身變形引起，降水影響不明顯，且地表變形主要集中在坑周2h（開挖深度）范圍內(nèi)，條件允許時應(yīng)采用第二類止水措施。

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