大連地鐵5號線后鹽站深基坑止水帷幕優(yōu)化研究

郭濤，王海濤，蘇鵬，祁可錄，邵軍輝

(1.大連交通大學 土木工程學院，遼寧 大連 116028；2.中鐵七局集團第二工程有限公司，遼寧 沈陽 110000)*

隨著城市建設的快速發(fā)展，各種建筑工程如雨后春筍般拔地而起.在各種土建工程中，巖土工程占有十分重要的地位.巖土工程中的基坑開挖打破了原有土壤中的水力平衡狀態(tài)，地下水將在坑內外水頭差的作用下出現滲流情況，進而對基坑的穩(wěn)定性及周邊環(huán)境造成較大影響.基坑地下水控制不當可能引起基坑管涌、突涌、失穩(wěn)、地面和周圍建筑物沉降等問題，是很多基坑工程事故發(fā)生的主要原因，也是基坑支護防滲設計必須考慮的問題之一[1-5].由于基坑滲流是比較復雜的情況，一般很難獲得精確的解析解，而用簡化公式計算的結果與實際往往存在較大差距，故數值分析是目前較為有效的方法.止水帷幕作為一種防水隔滲手段，在基坑底部以及基坑側壁中設置防水隔滲體，已經在實際工程有了廣泛的使用[6].止水帷幕的存在必將對基坑的滲流場產生一定影響，一些專家學者越來越重視相關研究.王國光等[7-9]利用數值模擬對存在止水帷幕的基坑進行了滲流分析，研究了止水帷幕的作用原理及其特點.丁洲祥等[10-11]通過理論分析及有限元數值模擬，討論了止水帷幕深度不同情況下及發(fā)生意外漏水時對滲流場的影響，得到了滲漏情況下滲流場的變化規(guī)律.吳世興等[12-13]模擬分析了不同開挖工況下懸掛式止水帷幕對基坑滲流場的影響，從而得到有利于減小對基坑外地下水影響的降水方案.

本文針對大連地鐵5號線后鹽站深基坑工程，運用Midas GTS NX有限元分析軟件，分析了不同止水帷幕參數條件下的基坑滲流變化情況，以期為基坑最優(yōu)止水帷幕參數提供理論參考.

1 工程背景

大連地鐵5號線后鹽站深基坑項目采用明挖法施工，基坑位于快軌三號線后鹽站北廣場東側，主體沿東南至西北設置，總長185 m，標準段寬22.5 m，開挖深度17.5～18.9 m.基坑與黃海海岸線最小距離為2 km.基坑鄰近有水塘和水塔，泉水富集.基坑為鉆孔灌注樁加內支撐支護體系，地下水處理擬采用基坑外截水和坑內明排相結合，其中坑外截水采用樁間止水加帷幕注漿方式.基坑平面示意圖如圖1所示.

圖1 基坑平面示意圖

根據抽水試驗結果及地區(qū)經驗綜合分析，得知地下水類型為第四系孔隙潛水及基巖裂隙(巖溶裂隙)潛水，地下水位深度0.01～0.95 m，地下水位標高4.21～4.90 m，綜合滲透系數k=58.68m/d，中風化石灰?guī)r層滲透系數40.68～57.99 m/d，車站明挖法施工且不考慮止水措施的條件下，計算車站基坑總涌水量為20 992.9 m3/d，抽水試驗估算結果如下：滲透系數為60 m/d，潛水含水層厚度20 m，水位降深19.5 m，基坑等效半徑38.4 m，降水影響半徑1 316.8 m，基坑面積4 625 m2，基坑涌水20992.9m3/d.場地東南側由泉水形成的池塘水與本場地地下水具有水力聯系，其補給場地第四系含水層及基巖裂隙含水層的水量較大，基礎施工時應采用降水-止水相結合方案.

根據壓水試驗成果分析，場地圍巖透水率為1.49～282.22Lu.場地圍巖透水率大，基坑開挖時將大量涌水，因此對基坑進行防滲處理，擬采用處理方案為止水帷幕灌漿施工工藝，灌漿材料由水泥、水玻璃、水和外加劑組成，漿液水灰比采用0.8∶1，水泥水玻璃雙液漿配合比1∶0.8(體積比)，速凝劑、減水劑、穩(wěn)定劑摻入量分別為水泥量的3%、2%、2%，對止水帷幕方案進行數值模擬計算.

2 數值計算模型

根據工程實際的地質水文情況，運用Midas GTS NX有限元分析軟件，利用修正摩爾庫倫本構模型，改善了摩爾庫倫的本構條件，消除摩爾庫倫本構偏平面六邊形計算頂點塑應變方向時的不穩(wěn)定因素，使計算的收斂性更好[14-16].通過建立多次模型進行對比，最終選取有限元計算模型尺寸136 m×28 m×60 m，巖土體參數根據本工程勘察報告及現場試驗或相關規(guī)范選定，具體參數如表1.模型土層由上至下分別是素填土、中風化石灰?guī)r，本工程擬采用止水帷幕深度為22 m，厚度為1.0 m，開挖深度為18 m.取無止水帷幕及深度為16、18、20、22、24 m不同工況下的止水帷幕，厚度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m不同工況下的止水帷幕，滲透系數為1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工況下的止水帷幕，分別分析了止水帷幕深度、厚度和滲透系數對基坑滲流場的影響規(guī)律.

表1 模型參數取值

由水文地質情況及綜合考慮，擬設定初始水位總水頭-1 m，基坑的多次降水均達到開挖面以下0.5 m，降水水頭依次為-3.8、-9.8、-14.8和-18.5 m.經過四步降水后，總的內外水頭差值為17.5 m，故地下水的滲流會對基坑產生不可忽視的影響.依據上述條件分析得出基坑立面示意圖(圖2)和數值計算模型(圖3).

圖2 基坑立面示意圖

圖3 深度22 m的止水帷幕計算模型

3 止水帷幕參數的優(yōu)化分析

3.1 不同深度止水帷幕滲流分析

由總水頭云圖(圖4)可知基坑地下水的滲流導致總水頭在坑外逐漸減小進而產生水位差，無止水帷幕工況下的總水頭比有止水帷幕的減速快，滲流流量分別為100和51 m3/d，顯然止水帷幕有效的減少地下水向基坑滲流.取不同止水帷幕深度的基坑右側2 m位置處各節(jié)點，得出孔隙水壓力水頭值隨深度變化的曲線圖(圖5).在無止水帷幕、止水帷幕深度16和18 m時，基坑側壁和底部交角處發(fā)生突變，基坑坑角土體中地下水相連，表明未達到基底深度的止水帷幕止?jié)B效果不明顯.然而深度為20、22和24 m的止水帷幕具有顯著的止水效果，深度為22和24 m止水帷幕的曲線相似且基本為斜直線，故深度為22和24m止水帷幕的止水效果更為顯著.

(a)無止水帷幕

圖5 孔隙水壓力水頭值隨深度變化的曲線圖

圖6為滲流速度隨深度變化的曲線圖.無止水帷幕和深度為16 m的止水帷幕兩種工況下，滲流速度最大發(fā)生在基坑坑角，分別為154、143 m/d.止水帷幕深度為18、20、22、24 m時，帷幕底端地下水流速最大，最大值依次是134、91、76、65 m/d.深度為18 m的止水帷幕滲流速度較大且止水效果不明顯，但改變了最大滲流速度發(fā)生的位置，最大滲流速度在止水帷幕底端外側，進而在一定程度上保護坑角.無止水帷幕的最大滲流速度是深度為20 m時的1.69倍，深度為22 m時的2.03倍，深度為24 m的2.37倍，故止水帷幕的深度與最大滲流速度成反比.當止水帷幕深度從20 m增加到22 m時滲流速度減小了15 m/d，22 m增加到24m時滲流速度減小了9 m/d，故流速減小效果隨著相同深度的增加而變弱，即止水帷幕的深度達到一定值后的流速變化隨著深度增加不再明顯.深度為22 m的止水帷幕在各階段的滲流速度基本都小于其他工況，在實際施工中應選擇適當深度的止水帷幕，本工程止水帷幕的深度在20～24 m處于合理范圍，綜合考慮后的止水帷幕深度與基坑深度比為1.22，即深度為22 m時止水帷幕達到最佳效果.

圖6 滲流速度隨深度變化的曲線圖

3.2 不同厚度止水帷幕滲流分析

通過不同厚度止水帷幕的六種工況，得出相應的滲流路徑示意圖(圖7)、地下水總水頭曲線圖(圖8)和不同厚度的止水帷幕流速曲線圖(圖9).上述工況下的滲流路徑變化出現了顯著的現象，隨著止水帷幕厚度的逐漸增大，基坑的抗突涌穩(wěn)定性不斷提升.但上述工況的總水頭分布基本一致，故止水帷幕的厚度對總水頭影響較小.無帷幕和帷幕厚度為0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m時，流速分別為154、82、76、74、72、69 m/d.表明止水帷幕有效的減小了滲流流速，但止水帷幕厚度的增加對流速減小作用不明顯，止水帷幕厚度超過1.0m時滲流流速幾乎一致.考慮到經濟性，本工程止水帷幕厚度為1.0 m較為合理.

(a)止水帷幕厚度1 m

圖8 總水頭隨深度變化的曲線圖

圖9 滲流速度隨深度變化的曲線圖

3.3 不同滲透系數止水帷幕滲流分析

滲透系數為1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工況下止水帷幕的滲流場各物理量的分布情況有明顯的相似現象，由水力梯度合成值(表2)分析得出，止水帷幕的滲透系數與基底水力 梯 度 呈 現負相關，但隨著滲透系數的減小致使水力梯度變化有所減弱.由此可見，隨著止水帷幕滲透系數的減小，其止水效果逐漸趨于穩(wěn)定，當滲透系數小于一定值時，變化止水帷幕滲透系數對基坑滲流場影響不大，故本工程中擬定止水帷幕的滲透系數1×10-5m/d最為合適.

表2 各工況的水力梯度合成值

4 結論

本文對大連地鐵5號線后鹽站深基坑止水帷幕進行了優(yōu)化研究，得到以下相關結論：

(1)止水帷幕改變了地下水滲流路徑，對基坑側壁和坑角起到了一定的保護作用.當止水帷幕的深度未超過基底時，雖然起到了一定程度的止水效果但并不明顯，并且不能有效的保護基坑側壁和坑角不受滲流的破壞.深度超過基底時，止水帷幕產生了顯著作用，但在插入一定深度后，止水帷幕深度的增加對其止水效果沒有明顯的改善.合適深度的止水帷幕與止水性能密切相關，止水帷幕深度與基坑深度比為1.22時該工程達到最佳止水效果；

(2)止水帷幕厚度與基坑抗突涌穩(wěn)定性存在正相關關系，滲流流速隨著厚度的增大而減慢，當厚度超過1.0 m時流速變化不再顯著.綜合考慮后，本工程擬定厚度1.0 m的止水帷幕更為合理；

(3)改變止水帷幕的滲透系數會對滲流場產生一定影響，止水帷幕的滲透系數與基底水力梯度呈現負相關，但隨著滲透系數的減小致使水力梯度變化有所減弱.基坑滲流場的影響隨著滲透系數的降低而逐漸減弱并趨于穩(wěn)定，故本工程中最終擬定止水帷幕的滲透系數為1×10-5m/d； (4)通過對深基坑止水帷幕優(yōu)化研究可知，各種因素對基坑的影響都處在一定的范圍之內，達到某一臨界值后影響逐漸減小，并最終趨于穩(wěn)定.本文中所得的一些大致規(guī)律，準確的臨界值還需今后進一步的研究與探討.