地鐵車站深基坑降水施工坑外地表沉降控制分析

包溪娟

(中鐵十八局集團第一工程有限公司,河北 涿州 072750)

興建地鐵不可避免的會對周邊建筑和地面產生影響，尤其是地鐵車站的修建，由于其涉及面積廣、施工時間長，對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程中的坑外地表沉降控制方法有實際意義。

王玉田等[1]利用Midas GTS NX建立了有限元分析模型，對青島地鐵流亭機場車站基坑開挖工程施工變形進行了數(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]對基坑降水與地面沉降關系進行了現(xiàn)場試驗研究，獲得了基坑周圍地面沉降規(guī)律，并得出抽水結果對地面沉降影響不大這一結論；李鳳明等[3]以北京地鐵8號線永定門外站的基坑降水工程為例，認為采用地下連續(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挖施工情況較為復雜，在多種因素的影響下，會造成基坑和周圍土體產生隆起或者沉降變形，因而需要對地表沉降控制提出合理的參數(shù)取值。當前的很多研究主要還是集中于地表沉降規(guī)律的探討，對如何控制地表沉降沒有進行綜合性的分析。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，重點對降水、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行了對比研究，以期能為類似地鐵車站基坑施工提供指導和幫助。

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，車站總設計長度為182.712 m，標準寬度為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。圍護結構采用鉆孔灌注樁+旋噴樁聯(lián)合支護形式，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)的結構形式；車站整體結構為雙層兩柱三跨砼框架結構，底板厚為900 mm，側墻厚為800 mm，頂板厚為800 mm。

根據(jù)地質勘查結果，蓮花路口站地表被第四系土層所覆蓋，地形較為平坦，不良地質不發(fā)育，受區(qū)域地質構造及風化作用影響，巖石的風化程度不均勻，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，建立長度為180 m、寬度為50 m、高度為40 m的計算分析模型，模型包括11 176個單元共計12 872個節(jié)點，見圖1。降水開挖施工模擬共經(jīng)歷兩次，第1次模擬基坑初始應力場和初始位移場，計算完成后將位移清零；然后再進行后續(xù)降水施工開挖引起的應力場和位移場的變化模擬[4-6]。

圖1 三維數(shù)值模型

2.2 模擬過程

模型邊界四周側邊設定為法向固定，切線方向設定為自由面，模型地面設定為固定面，上表面設置為自由面(排水邊界，孔壓為0)，限制井壁的水平位移并對井底施加對應的靜水壓力，支護樁和鋼支撐分別為pile單元和beam單元，單井抽水量設定為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，先進行流體模型和力學模型計算形成初始應力場，然后通過各項命令實現(xiàn)基坑土體開挖、基坑不透水層、基坑初始孔隙水壓力的設置(區(qū)域孔隙水壓力為0來實現(xiàn)基坑的降水控制)以及3道鋼支撐的設置。將周圍圍護體視作彈性結構，基坑周圍土體視作彈塑性結構，不考慮土體自身的壓縮變形，將降水開挖過程分為4個步驟：第1步為降水至3.5 m，基坑開挖至2 m；第2步為降水至8.5 m，基坑開挖至7 m；第3步為降水至13.5 m，基坑開挖至12 m，第4步為降水至18.5 m，基坑開挖至17 m。

2.3 計算參數(shù)

為了簡化模型計算，對土層進行簡化，合并相似土層，合并后的各土層的物理力學參數(shù)見表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，見表2。

表1 各土層物理力學參數(shù)

表2 3道支撐物理力學參數(shù)

3 模擬分析結果

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，見圖2。從圖2中可以看到：坑內土體開挖后，坑壁的法向約束逐漸消除，同時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力平衡狀態(tài)，內力需不斷進行重分布，導致坑底發(fā)生隆起，而四周地層會發(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于井身周邊而言有明顯增加，由于止水帷幕的存在，水無法直接流入降水井，故基坑內外水流動相對較少，因而基坑外圍的孔隙水壓力保持相對穩(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)律見圖3。從圖3(a)中可以分析得到：降水井深度對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井深下對應的地表最大沉降值分別為25.3 mm、27 mm、28.7 mm和32.6 mm。這是因為隨著井深的增加，地下水的抽水強度在不斷提高，井底周圍的流體矢量會明顯增加，在止水帷幕深度一定的情況下，當降水井深度小于止水帷幕深度時，水無法直接流入降水井，需繞過止水帷幕才能進入降水井，因而坑內外地下水流動相對較弱；當降水井深度超過止水帷幕后，水可以直接流入降水井，坑內外的地下水流動相對較強，因而地表沉降值隨井深增大而增大。根據(jù)相關規(guī)范要求地表沉降應控制在30 mm以內，但為了有效排干基坑內的地下水，同時考慮工程造價等問題，認為降水井井深為24 m時效果最佳。

圖3 降水井對地表沉降的影響

從圖3(b)可知：井間距越小，地表沉降值越大，當井間距為10 m時，地表最大沉降值為27 mm，且周圍地表的沉降范圍也較大；當井間距為12 m時，地表最大沉降值為25.7 mm；當井間距為 14 m時，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，容易造成基坑內部出現(xiàn)涌水等情況；而且，當井間距為10 m時，地表最大沉降控制在30 mm以內。因此，綜合考慮孔壓分布和地表沉降控制，認為井間距為10 m時的方案最佳。

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，這是因為止水帷幕深度較小時，坑外的水壓降幅較大，水流更容易流入到基坑內；當止水帷幕深度超過28 m后，雖然能較好地控制地表沉降，但基坑內外的孔隙水壓力基本沒有變化，說明當止水帷幕超過一定值后，在保持抽水量一定的情況下，止水帷幕深度對基坑內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逐漸減弱，同時考慮到工程造價問題，認為最佳止水帷幕深度為28 m。

圖4 止水帷幕對地表沉降的影響

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)對地表沉降的影響范圍為距基坑邊緣60 m內，超過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，從控制地表沉降來講，應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，增加回灌井數(shù)量可以抑制坑外地表的沉降，同時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)量不宜過多，回灌井數(shù)量較多后，基坑外部的孔壓增大，而基坑內部的孔壓降幅減小，會造成基坑內部出現(xiàn)積水情況。因此在保證抗突涌和地表沉降情況下，應合理布置回灌井數(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越小，同時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，應充分考慮基坑內部產生透水事故的可能性，合理控制回灌比。綜合各項因素，認為回灌比在1/5時的效果較好。

圖5 回灌施工對地表沉降的影響

4 結束語

根據(jù)分析結果，綜合考慮沉降控制效果和工程經(jīng)濟成本，認為：當抽水井井深為24 m、間距為10m，止水帷幕滲透系數(shù)為10-9cm/s、深度為28 m時對地表沉降控制的效果最好；同時，可以根據(jù)工程實際情況，適當進行回灌施工，將對地鐵基坑周圍地表的沉降控制起到一定的輔助作用，但回灌井數(shù)量不宜過多，回灌比也不宜過大。