淺談軌道交通超大基坑抗浮設(shè)防水位的確定

肖星球

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

0 引言

城市建設(shè)的高速發(fā)展導(dǎo)致土地資源緊缺，“軌道+物業(yè)”建設(shè)模式應(yīng)運(yùn)而生。軌道交通的停車場(chǎng)、車輛段建筑面積大，且由于上蓋物業(yè)多采用下沉方案，隨之出現(xiàn)了大量超大規(guī)模基坑。由于基坑規(guī)模大，抗浮水位對(duì)工程造價(jià)、結(jié)構(gòu)安全、后期運(yùn)營管理影響很大，提供科學(xué)、合理的抗浮水位對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要。本文選擇地下水模擬系統(tǒng)，研究建立區(qū)水文地質(zhì)概念模型，對(duì)軌道交通超大基坑地下水流進(jìn)行數(shù)值分析及模擬，在地下水?dāng)?shù)值模擬的基礎(chǔ)上確定抗浮設(shè)防水位，并且以此為基礎(chǔ)，為軌道交通的發(fā)展提供依據(jù)，推動(dòng)軌道交通的發(fā)展。

1 研究區(qū)概況

1.1 基本情況

深圳市城市軌道交通13號(hào)線二期工程（北延）公明車輛段位于光明區(qū)，在茅洲河西側(cè)，整個(gè)地塊呈現(xiàn)南高北低的狀態(tài)，當(dāng)前主要是農(nóng)業(yè)用地和工業(yè)用地。線路南北長1300 m，東西寬430 m。公明車輛段擬采用下沉式方案，車輛段蓋體主體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，蓋體結(jié)構(gòu)（圖1）分為出入段線區(qū)域（A1/A2/A3）、咽喉區(qū)（B1/B2/B3/B4/B5）、檢修主廠房區(qū)（C1/C2）、運(yùn)用庫區(qū)（D1/D2/D3/D4/D5/D6）。

圖1 車輛段蓋體結(jié)構(gòu)分區(qū)

1.2 研究目標(biāo)與任務(wù)

抗浮設(shè)防水位是巖土工程勘察的重要內(nèi)容，應(yīng)提高地下水對(duì)工程建設(shè)影響的認(rèn)識(shí)，對(duì)地下水的問題進(jìn)行認(rèn)真研究，并根據(jù)工程情況合理確定建筑抗浮設(shè)計(jì)水位。

本文主要結(jié)合工程地段的地質(zhì)水文條件和近年來地下水位的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)地下水位的變化進(jìn)行模擬，最終確定抗浮設(shè)防水位[1]。研究的具體任務(wù)包括以下3點(diǎn)：①收集車輛段場(chǎng)地周邊地下水位長期觀測(cè)資料，分析地下水的動(dòng)態(tài)變化特征。②建立地下水流模擬模型，根據(jù)水位觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行識(shí)別驗(yàn)證。③結(jié)合已有的勘察成果以及地下水流的模擬模型，分析地下水位的影響因素，確定抗浮設(shè)防水位，為后續(xù)的工程提供技術(shù)指導(dǎo)。

1.3 自然環(huán)境條件

公明車輛段所屬地區(qū)為深圳市，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，日照時(shí)間長，熱量豐富。區(qū)域氣候呈現(xiàn)雨熱同季、干涼同期的特點(diǎn)，降雨量和氣溫隨季節(jié)變化較大，其降雨集中在5—9月，多年平均降雨量為1935.8 mm，年平均相對(duì)濕度為74%。場(chǎng)區(qū)及附近地表水主要為大凼水水體（既有明溝）和茅洲河。公明車輛段場(chǎng)地主要處于沖積平原及低臺(tái)地地貌區(qū)，地形平坦，局部略有起伏，表層為第四系全新統(tǒng)人工填土，其下為第四系沖洪積層的淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥炭質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中粗砂及礫砂層，基巖上部多為第四系殘積層、坡積層所覆蓋，下伏基巖為加里東期片麻狀黑云母花崗巖。

2 場(chǎng)地內(nèi)水文地質(zhì)條件

2.1 含水層性質(zhì)

根據(jù)地下水的賦存條件，車輛段場(chǎng)地內(nèi)地下水類型主要為松散土層孔隙水和基巖裂隙水。具體表現(xiàn)如下：①松散土層孔隙水主要賦存于第四系雜填土、中粗砂和礫砂中。第四系素填土、硬塑狀粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)黏性土層為微透水～弱透水層，雜填土、中粗砂、礫砂為中等～強(qiáng)透水層，富水性好，屬于潛水～承壓水。②基巖裂隙水主要分布于加里東期片麻狀黑云母花崗巖中，包括風(fēng)化裂隙水及構(gòu)造裂隙水，受含水層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地貌條件、基巖風(fēng)化程度及構(gòu)造破碎程度的影響。總體上，基巖裂隙水發(fā)育具非均一性，具有一定承壓性?；鶐r裂隙水主要賦存于巖石強(qiáng)、中等風(fēng)化帶及構(gòu)造破碎帶中。

2.2 地下水的補(bǔ)給、徑流及排泄條件

地下水的補(bǔ)給類型主要為降雨和地表水滲入補(bǔ)給，局部越流補(bǔ)給。場(chǎng)地范圍內(nèi)降雨量充沛，地表水發(fā)育明顯。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的降雨受季節(jié)因素較為明顯，因此雨季地下水的補(bǔ)給較為豐富。從地下水的運(yùn)動(dòng)來看，由于工程區(qū)域?qū)儆诘团_(tái)地地貌，地形平坦，而且夏季的雨水補(bǔ)給強(qiáng)度大，因此雨季的降水通過黏性土覆蓋層滲入巖石裂隙中，成為地下水[2]。從地下水的排泄來看，主要是以地下潛流的方式排泄至茅洲河，少量地下水以蒸發(fā)的方式排泄。

2.3 地下水水位變化特征

勘察期間，可以在場(chǎng)區(qū)設(shè)立長期觀測(cè)井，對(duì)地下水位進(jìn)行長期觀測(cè)。從地下水的劃分來看，公明車輛段屬于茅洲河地下水系統(tǒng)。根據(jù)近年來茅洲河地下水系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)觀察資料，結(jié)合其補(bǔ)給、排泄等相關(guān)因素，綜合分析其水位變化情況。該區(qū)域有3口長期觀測(cè)井，近5年來，3口觀測(cè)井的水位變化不大，豐水期的水位高程為6.55～7.07 m，枯水期平均水位高程為6.51～6.78 m，5年平均水位高程為6.57～6.95 m。場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水主要為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水，降雨是地下水的主要補(bǔ)給方式，側(cè)向徑流是主要排泄方式，茅洲河地下水系統(tǒng)長期觀測(cè)井基本信息如表1所示。

表1 茅洲河地下水系統(tǒng)長期觀測(cè)井基本信息

2.4 地下水動(dòng)態(tài)影響因素

從地下水的變化規(guī)律來看，影響地下水的因素主要包括：①補(bǔ)給因素。這是影響地下水的關(guān)鍵因素，其中降雨補(bǔ)給是場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給方式，降水量的大小、降水方式、降水強(qiáng)度、降水持續(xù)時(shí)間，以及地面植被發(fā)育情況、地形坡度等均對(duì)地下水補(bǔ)給產(chǎn)生影響。②排泄因素。城市地下水通常為戰(zhàn)略儲(chǔ)備資源，人工開采較少，因此地下水主要是以蒸發(fā)和徑流作為排泄方式，水位較淺的地下水中，蒸發(fā)的因素影響較為明顯。③徑流與儲(chǔ)藏因素。含水層性質(zhì)對(duì)地下水徑流影響明顯；包氣帶作為大氣降水潛水蒸發(fā)的通道，對(duì)地下水具有間接影響。④局部動(dòng)態(tài)因素。受到地表水體、溝渠等局部因素的影響，地下水位也會(huì)發(fā)生變化。

3 地下水流數(shù)值分析以及數(shù)值模擬

本文研究在開展資料收集、野外調(diào)查與試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，依據(jù)深圳市比例尺為1:50 000的水文地質(zhì)圖，分析場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件和地下水動(dòng)態(tài)特征，從而建立場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)概念模型。

3.1 研究區(qū)域以及邊界條件

根據(jù)公明車輛段所在區(qū)段，結(jié)合自然邊界條件明確地下水模擬區(qū)域邊界。東部以茅洲河?xùn)|岸為界，概化為已知水頭邊界；西部以大凼水庫東岸為界，概化為已知水頭邊界；南部和北部邊界平行于地下水流線，概化為零通量邊界。地表接受大氣降水入滲補(bǔ)給，所以上邊界定為補(bǔ)給邊界；下邊界為裂隙發(fā)育較弱的微風(fēng)化帶地層，以微風(fēng)化帶頂面作為隔水邊界。

3.2 地下水流數(shù)學(xué)模型

本次模擬研究中，建立了基于等效多孔介質(zhì)的三維非均質(zhì)各向異性非穩(wěn)定流地下水流模型。研究區(qū)地下水流數(shù)學(xué)模型如式（1）所示。

4 抗浮設(shè)防水位確定

4.1 規(guī)范對(duì)抗浮水位的一般規(guī)定

截至目前，國內(nèi)相關(guān)的規(guī)范在提到地下水浮力的作用時(shí)，沒有給出全面而明確的計(jì)算方法?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007—2002）首次提到抗浮條文：當(dāng)?shù)叵滤癫剌^淺，建筑地下室或地下結(jié)構(gòu)存在上浮問題時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮計(jì)算。但該規(guī)范并未說明如何計(jì)算浮力?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 5007—2011）也未說明抗浮設(shè)防水位如何取值，只明確了在簡(jiǎn)單浮力作用下采取1.05的安全系數(shù)。上海市工程建設(shè)規(guī)范《地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DG J08-11—2010）以及廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB J 15-31—2016）等規(guī)范提出了抗浮相關(guān)計(jì)算方法，指出地下基礎(chǔ)施工需要考慮地下水的分布狀況，并且以設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的最高地下水位作為抗浮水位的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)地下水水頭進(jìn)行計(jì)算，采取有效的方式控制地下水[3]。湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》（DB42/242—2014）、國家標(biāo)準(zhǔn)《巖土工程勘察規(guī)范（2009修訂版）》（GB 50021—2001）等指出，地下水對(duì)基礎(chǔ)的浮力作用需要結(jié)合長期地下水勘察資料，選擇相應(yīng)的最高水位作為水位計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，從而確定相關(guān)的折減系數(shù)。

從當(dāng)前的相關(guān)規(guī)范來看，雖然許多條文規(guī)范都指出了地下水對(duì)地下建筑的影響，且抗浮水位具有現(xiàn)實(shí)價(jià)值，但是抗浮設(shè)防水位的取值方法至今尚未形成共識(shí)。地下水位的長期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，是一個(gè)受氣象、水文、地質(zhì)、城市規(guī)劃、城市用水政策及遠(yuǎn)景規(guī)劃等因素綜合影響的隨機(jī)現(xiàn)象，當(dāng)前對(duì)其遠(yuǎn)期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)的嘗試尚存在很多困難。然而地下水位的動(dòng)態(tài)變化會(huì)直接影響地下結(jié)構(gòu)上的浮力大小，建立相對(duì)合理的地下水位預(yù)測(cè)模型具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

4.2 抗浮設(shè)防水位確定的參考資料

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，結(jié)合公明車輛段詳細(xì)勘察成果資料，確定其抗浮設(shè)防水位的參考資料如下。

（1）場(chǎng)地地形地貌、地下水補(bǔ)給與排泄條件以及車輛段周邊規(guī)劃場(chǎng)坪高程。

（2）場(chǎng)地地下水位動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，根據(jù)3個(gè)觀測(cè)井的長期觀測(cè)資料，茅洲河水系的地下水位相對(duì)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大的波動(dòng)，其中6—9月雨季時(shí)的地下水位最高，而2—5月旱季時(shí)的地下水位最低，近5年的水位變化波動(dòng)不大，在－0.32～0.86 m。

（3）設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)場(chǎng)地地下水水位預(yù)測(cè)，按防御100年一遇洪水的最高水位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值模擬測(cè)定。

（4）對(duì)場(chǎng)地地下水位有影響的地表水體（茅洲河和大凼水）的100年一遇洪水位。根據(jù)《深圳市河道整治規(guī)劃報(bào)告》可知，茅洲河100年一遇的供水標(biāo)高為14.5 m。

4.3 抗浮設(shè)防水位

通過對(duì)場(chǎng)區(qū)地下水流進(jìn)行數(shù)值分析及模擬，結(jié)合地下水動(dòng)態(tài)變化規(guī)律及影響因素分析，公明車輛段防洪設(shè)防水位得以最終確定。分區(qū)中給定的抗浮設(shè)防水位為區(qū)塊中心位置處的平均水位，區(qū)塊內(nèi)的抗浮設(shè)防水位隨實(shí)際地形起伏而變化，設(shè)計(jì)可根據(jù)抗浮設(shè)防水位等值線圖進(jìn)行取值。

5 結(jié)語

本文將地下水流模型引入基坑工程中，通過概化邊界條件，建立起直觀的立體模型，模擬工程建設(shè)（基坑開挖）過程中引起的地下水系統(tǒng)流場(chǎng)變化，綜合分析確定符合實(shí)際水文地質(zhì)條件的合理、安全、經(jīng)濟(jì)的抗浮設(shè)防水位，研究成果具有進(jìn)一步推廣的價(jià)值。