地鐵車站深基坑工程降水施工技術(shù)的數(shù)值模擬分析

胡世亮 （上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司，上海200032）

1 引言

近年來，地鐵工程的建設(shè)速度不斷加快，地鐵車站深基坑開挖前通過合理的降水手段解決地下水位過高、地表水量過大等問題是保障基坑順利開挖的重要措施[1]。常用的基坑工程降水方法主要有明溝排水技術(shù)、輕型井點(diǎn)抽水技術(shù)、管井井點(diǎn)降水技術(shù)以及噴射井點(diǎn)降水技術(shù)等[2]。但在降水設(shè)計及施工過程控制方面，為滿足深基坑的開挖要求，難免會出現(xiàn)需根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整降水方案的情況。另外，對于基坑內(nèi)含有2層承壓水的典型地質(zhì)構(gòu)造，若增加井點(diǎn)數(shù)量則會提高工程費(fèi)用，并且地鐵車站深基坑內(nèi)空間有限，過多的井點(diǎn)管將會影響挖土效率。

因此，利用專業(yè)軟件對深基坑降水工程進(jìn)行數(shù)值模擬，實(shí)現(xiàn)可視化是工程建設(shè)的發(fā)展趨勢之一，其中VisualMODFLOW[3]是目前國際上流行且被多國認(rèn)可的地下水流模擬可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)[4]，它實(shí)現(xiàn)了概念模型和數(shù)值模型的無縫轉(zhuǎn)化，具備強(qiáng)大的可視化功能。

2 工程概況

2.1 車站概況

本工程地鐵車站深基坑位于南京市江寧區(qū)，車站為地下兩層島式車站，標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.1m，總長246.4m，底板埋深16.79m。主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ1000@1200鉆孔灌注樁+Φ850@600三軸攪拌樁止水帷幕結(jié)合內(nèi)支撐，采用明挖順作法施工，基坑開挖深度最深處達(dá)20.3m，基坑總面積約5689m2，周長560m。場地環(huán)境平整開闊，站位周邊為已拆遷區(qū)，規(guī)劃商辦混合、市政公用設(shè)施用地，無地下管線分布，基坑安全等級為一級。

2.2 水文地質(zhì)情況

2.2.1 地質(zhì)概況

擬建場地地貌單元為秦淮河漫灘沖積平原，基坑范圍內(nèi)自上而下地層分布依次為①-2素填土、②-1b2粉質(zhì)黏土、②-1c3黏質(zhì)粉土、②-2b4+c3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、③-2b2粉質(zhì)黏土、③-2b2+c3粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③-4e含卵礫石粉質(zhì)黏土、K1g-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖和K1g-3中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂巖。典型地質(zhì)剖面圖如下圖所示。

2.2.2 水文情況

場地范圍內(nèi)地下水有孔隙潛水和承壓水，其中潛水含水層為①-2層素填土，水位埋深為地面下0.3～1.0m左右。

承壓水水位埋深為地面下1.0～3.5m左右，水位標(biāo)高約4.7～5.3m，含水層主要為②-1c3層黏質(zhì)粉土、②-2b4+c3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、③-2b2+c3層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③-4e層含卵礫石粉質(zhì)黏土，隔水層頂板為微透水的②-1b2層粉質(zhì)黏土，隔水底板為下伏巖層。范圍內(nèi)微透水的③-2b2層粉質(zhì)黏土將承壓水分為上下段，上段含水層為②-1c3層黏質(zhì)粉土、②-2b4+c3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土，下段含水層為③-2b2+c3層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③-4e層含卵礫石粉質(zhì)黏土。區(qū)域范圍內(nèi)上下段承壓水貫通。

基坑開挖涉及的承壓含水層分為上下2個承壓含水層，均被圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔斷，其中下部含水層和基巖裂隙水相通。

各土層室內(nèi)滲透系數(shù)及透水性評價表 表2

3 數(shù)值模擬

通過對基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算，基坑開挖過程中須及時對下部承壓水采取有效的減壓降水措施，防止突涌破壞。為有效降低和控制承壓含水層的水頭，結(jié)合場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及開挖深度等因素，采用VisualMODFLOW軟件進(jìn)行數(shù)值模擬計算。

3.1 概念模型

設(shè)定減壓降水目標(biāo)層為③-2b2+c3層粉質(zhì)黏土夾黏質(zhì)粉土、③-4e層含卵礫石粉質(zhì)黏土、k1g-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖?？紤]到降水過程中，上覆潛水含水層、上部承壓水將與下伏承壓含水層組之間將發(fā)生一定的水力聯(lián)系，因此，將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層組一起納入模型參與計算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。

3.2 邊界條件

為克服由于邊界的不確定性給計算結(jié)果帶來隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)。計算以整個基坑四周最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，向外擴(kuò)展約600m～700m，即實(shí)際計算平面尺寸為1500×1000m2，四周均按定水頭邊界處理。

3.3 滲流模型建立

以基坑為中心，邊界設(shè)置在降水井影響半徑以外。依據(jù)該原則將區(qū)域進(jìn)行剖分，水平方向?qū)⑺牡刭|(zhì)概念模型剖分285行、386列。網(wǎng)格立體剖分及模型地層剖面圖分別如圖2和圖3所示。

圖2 網(wǎng)格立體剖分圖

圖3 模型地層剖面圖

3.4 計算分析

假定第③-2b2+c3層、第③-4e層、k1g-2微承壓水水位埋深1.00m，模型中圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度簡化為27.0m、30.0m，減壓降水深井運(yùn)行時，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水效果及群井效應(yīng)因素，隨著降水井運(yùn)行時間加長，單井涌水量平均5～8m3/h?；觾?nèi)降壓井布置26口，井深26m，考慮本工程基坑上部分布淺層承壓水，故井管結(jié)構(gòu)采用雙濾頭形式（圖4），且計算時將該層承壓水概化為疏干降水。

圖4 井管結(jié)構(gòu)剖面圖

根據(jù)以上條件通過模擬計算獲得的預(yù)測水位降深等值線和預(yù)測水位埋深等值線分別如圖5和圖6所示。

圖5 基坑降水運(yùn)行后預(yù)測水位降深等值線圖（單位：m）

圖6 基坑降水運(yùn)行后預(yù)測水位埋深等值線圖（單位：m）

通過圖5和圖6可知，基坑降水運(yùn)行后坑內(nèi)水位降深約為20.5m左右，云圖顯示坑內(nèi)降水未對坑外水位產(chǎn)生明顯的影響，即坑內(nèi)外未見明顯的水力聯(lián)系。降水運(yùn)行后坑內(nèi)水位埋深穩(wěn)定在-23m～-25m，坑外水位埋深為-7.9m～-8.9m?？觾?nèi)水位埋深的范圍波動是由于地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性。

基坑抽水運(yùn)行過程中選擇3口坑內(nèi)降水井進(jìn)行觀測記錄，得到的水位-時間曲線如下圖（圖7）所示。

圖7 坑內(nèi)觀測井水位-埋深曲線

圖7表明，基坑抽水運(yùn)行后水位降深約為19m～20m，與數(shù)值模擬計算結(jié)果基本保持一致，抽水后坑內(nèi)水位埋深約為23m左右，與計算結(jié)果相差1m～2m，這是因?yàn)榈叵潞畬臃植紡V、厚度大，地質(zhì)情況復(fù)雜，實(shí)際抽水過程中地下水的連通性所致，同時不排除止水帷幕局部滲漏導(dǎo)致的水位補(bǔ)給影響。

對于基坑工程本身而言，數(shù)值模擬的計算結(jié)果和現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果均證明抽水后坑內(nèi)水位可滿足坑底局部最大挖深下方1m以上的要求，且數(shù)值模擬和現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果體現(xiàn)出較好的吻合性。

4 結(jié)論

①對于基坑四周連續(xù)封閉隔斷、地質(zhì)構(gòu)造內(nèi)分布2層承壓水的深基坑降水井管可采用雙濾頭構(gòu)造形式，降水效果可滿足基坑開挖要求，且可減少井點(diǎn)的數(shù)量，不影響基坑挖土。

②利用VisualMODFLOW軟件對地鐵車站深基坑進(jìn)行降水?dāng)?shù)值模擬能較為直觀的揭露地下水的滲流特征，方法可行，計算結(jié)果準(zhǔn)確，并且通過與抽水試驗(yàn)結(jié)果的對比可側(cè)面反映止水帷幕的施工質(zhì)量問題。

③深基坑工程降水是一個非常復(fù)雜的課題，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中應(yīng)重視施工過程及質(zhì)量管理，減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏，對于保障基坑開挖安全、工程降水研究以及驗(yàn)證數(shù)值模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性等方面均具有重要意義。