富水砂卵石地層地鐵車站基坑降水優(yōu)化研究*

畢志華，賈興隆，趙善樂，林志宇，涂 果

(1.中國(guó)水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810000； 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引言

城市軌道交通是我國(guó)最重要的公共交通方式之一，其以運(yùn)量大、速度快、安全、準(zhǔn)點(diǎn)、環(huán)保、節(jié)約能源和用地等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了快速大量運(yùn)輸乘客的目的，滿足了乘客快速高效出行需求。地鐵系統(tǒng)作為城市軌道交通體系的重要組成部分，緩解了城市地面交通的擁擠問題。

地鐵車站主要采用明挖法施工，通過施作支護(hù)體系對(duì)開挖基坑進(jìn)行保護(hù)，然后在基坑內(nèi)進(jìn)行地下工程主體結(jié)構(gòu)施工。地鐵基坑工程施工工序較多，包括基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工、降水、開挖、支撐體系施工等[1-4]。其中，基坑降水是決定基坑工程能否如期安全施工的決定性工序之一，采用合理的基坑降水方法能夠防止邊坡失穩(wěn)，提高基坑穩(wěn)定性，保證施工安全[5]。滲透系數(shù)是反映土體滲透能力的指標(biāo)之一，也是保證基坑降水效果的決定性因素之一。

基坑采用井點(diǎn)降水時(shí)，滲透系數(shù)取值決定了基坑降水井?dāng)?shù)量及單井降水量，當(dāng)滲透系數(shù)設(shè)計(jì)值小于土體滲透系數(shù)實(shí)際值時(shí)，易出現(xiàn)降水過程中水位線無(wú)法下降的情況。

對(duì)于基坑土體滲透系數(shù)取值問題，目前工程上多基于現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)結(jié)果，采用已有經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，如修正太沙基法、直線斜率法、水位恢復(fù)法、Thiem法等，已有研究表明，計(jì)算誤差最小的方法為水位恢復(fù)法和Thiem法，修正太沙基法中的滲透系數(shù)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式適用于有效粒徑為0.2～0.8mm的地層[6-8]。

為進(jìn)一步明確土體滲透系數(shù)影響因素，楊兵等[9]研究了砂土不均勻系數(shù)、曲率系數(shù)、平均粒徑和孔隙比對(duì)滲透系數(shù)的影響，結(jié)果表明，滲透系數(shù)隨著曲率系數(shù)的增大而增大，隨著不均勻系數(shù)的增大而減小，滲透系數(shù)與平均粒徑的變化關(guān)系接近線性正相關(guān)。丁瑜等[10]通過平均影響值法和試驗(yàn)驗(yàn)證，評(píng)價(jià)了不同級(jí)配粒徑對(duì)滲透系數(shù)的影響，分析了孔隙比對(duì)粗粒土滲透系數(shù)的影響。張明斌等[11]通過室內(nèi)滲流試驗(yàn)，建立了滲透系數(shù)線性預(yù)報(bào)模型，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值平均相對(duì)誤差為12.39%?？紤]到現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)與室內(nèi)滲流試驗(yàn)提高了時(shí)間成本與工程造價(jià)，趙磊等[12]基于有限元數(shù)值模擬方法計(jì)算了土體滲透系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果具有較高的精度。趙勇博[13]依托福州市軌道交通2號(hào)線典型的富水砂卵石地層深基坑承壓水降水工程，通過理論分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、數(shù)值計(jì)算等多種手段對(duì)降水方案進(jìn)行優(yōu)化分析。羅志兵[14]基于地下水動(dòng)力學(xué)及數(shù)值模擬理論，運(yùn)用Midas/GTS軟件建立了基坑降水?dāng)?shù)值模型，分析了基坑降水過程中地下水位變化規(guī)律，為工程施工提供了參考。

目前對(duì)于土體滲透系數(shù)取值的計(jì)算方法研究較多，而關(guān)于土體滲透系數(shù)對(duì)基坑降水深度的影響規(guī)律研究相對(duì)較少。鑒于此，本文依托洛陽(yáng)軌道交通1號(hào)線青年宮站工程，采用數(shù)值模擬方法，分析不同土體滲透系數(shù)下基坑降水深度，并針對(duì)基坑降水過程中水位線無(wú)法下降的問題，優(yōu)化基坑降水方案。將數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與降水實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性。

1 工程概況

洛陽(yáng)軌道交通1號(hào)線青年宮站位于中州東路與左安街交口處地下，沿中州東路東西向敷設(shè)。車站西北側(cè)為青年宮廣場(chǎng)，北側(cè)為天府火鍋，南側(cè)為老城區(qū)郵局及神州眼科醫(yī)院。青年宮站為地下3層島式車站，主體結(jié)構(gòu)采用雙柱3跨鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu)。車站總長(zhǎng)216m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬21.40m，縱向坡度為2‰(下坡)，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約24.22m，站臺(tái)中心里程處覆土厚度約3.50m，車站共設(shè)4個(gè)出入口、2組風(fēng)亭。

2 計(jì)算模型建立與參數(shù)選取

計(jì)算模型建立時(shí)采用以下假定。

1)土體和結(jié)構(gòu)材料均為勻質(zhì)、連續(xù)且各向同性。

2)地表面和各土層呈勻質(zhì)水平層狀分布，各土層厚度相同。

3)初始地應(yīng)力僅考慮土體自重應(yīng)力。

4)假定基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及土體之間符合變形協(xié)調(diào)原則。

5)將基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)灌注樁均利用等效抗彎剛度等效為地下連續(xù)墻[15]。

基坑長(zhǎng)216m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段寬21.40m，根據(jù)基坑尺寸，同時(shí)考慮對(duì)建筑物的影響、邊界條件等因素，確定計(jì)算模型尺寸為578m×203m×73m(基坑長(zhǎng)度方向×基坑寬度方向×地層深度方向)。

模型邊界條件為：模型底面設(shè)置x，y，z向約束；與x軸垂直的兩面均設(shè)置x向約束；與y軸垂直的兩面均設(shè)置y向約束；模型頂面無(wú)約束，為自由面。

基坑降水前水位設(shè)置為地面以下19.7m，采用節(jié)點(diǎn)流量進(jìn)行井點(diǎn)降水模擬，設(shè)置降水時(shí)間為15d。計(jì)算過程中，建筑物側(cè)墻、圍護(hù)結(jié)構(gòu)均采用線彈性模型模擬，土體采用修正莫爾-庫(kù)侖模型模擬。建模過程中，土體采用實(shí)體單元模擬，基坑圍護(hù)樁采用板單元模擬，降水井采用梁?jiǎn)卧M，止水帷幕采用界面單元模擬，如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型

施加的荷載考慮各土層和構(gòu)筑物自重，模擬分析步驟如下：①分析步1 分析初始滲流場(chǎng)；②分析步2 分析初始應(yīng)力場(chǎng)，并將位移清零；③分析步3 模擬基坑圍護(hù)樁、止水帷幕及降水井施工；④分析步4 模擬基坑井點(diǎn)降水。

計(jì)算模型中各層土體及主要結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

3 基坑初始降水方案

3.1 方案概況

根據(jù)青年宮站勘察資料可知，場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水類型主要為卵石孔隙潛水，含水層在③層卵石層，基坑開挖深度約24.4m，基坑開挖底板已進(jìn)入地下水層。

初步設(shè)計(jì)青年宮站降水方案時(shí)，地質(zhì)勘察報(bào)告中含水層滲透系數(shù)取值為8.68cm/s，考慮到基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)承壓含水層的截?cái)嘧饔茫瑢尉行Ы邓娣e取為132.31m2進(jìn)行計(jì)算。

標(biāo)準(zhǔn)段疏干井分別布設(shè)在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)，呈縱向布設(shè)3排，間距約30m，其中標(biāo)準(zhǔn)段布設(shè)20口疏干井，編號(hào)為J1～J20，端頭段布設(shè)8口疏干井，編號(hào)為J21～J28，如圖2所示。根據(jù)單井試驗(yàn)結(jié)果，單井降水量為25m3/h。

圖2 降水井布置示意

3.2 方案分析

按照基坑初始降水方案進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計(jì)算得到基坑初始及降水至15d的水位如圖3所示。將計(jì)算得到的典型降水井J17，J18，J23，J26水位與實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖4所示。

圖3 基坑地層水位

圖4 典型降水井水位

由圖3可知，降水井降水15d后，基坑水位已穩(wěn)定降至坑底以下約2.5m位置處，且此時(shí)壓力水位等值線呈漏斗狀。止水帷幕與地層結(jié)合處的水位出現(xiàn)驟降，這是由于此處地下水被止水帷幕截?cái)?，表明止水帷幕具有較好的止水效果。

由圖4可知，降水井降水15d后，降水深度約7.2m。降水前期，降水井水位基本隨降水時(shí)間呈線性變化；降水3d后，降水井水位下降速率明顯降低，這是由于止水帷幕完全截?cái)嗪畬?，?dāng)降水至一定深度時(shí)，降水井出水量與坑底以下含水層補(bǔ)水量平衡，降水井水位下降速率降低。

數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果表明基坑水位處于坑底以下約2.5m位置處，初始降水方案滿足設(shè)計(jì)要求。但實(shí)測(cè)水位在降水12d左右趨于穩(wěn)定，水位處于坑底以上約2m位置處。與數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果相比，實(shí)測(cè)水位下降速率較小，可知基坑初始降水方案存在一定問題。

4 含水層滲透系數(shù)對(duì)基坑降水深度的影響

4.1 計(jì)算工況設(shè)置

在基坑降水過程中，對(duì)降水效果影響最大的是含水層滲透系數(shù)。當(dāng)進(jìn)行基坑降水時(shí)，含水層滲透系數(shù)越大，補(bǔ)水能力越強(qiáng)，基坑降水至坑底1～2m越困難，基坑設(shè)計(jì)單井降水量越大。由此可知，如果基坑含水層滲透系數(shù)設(shè)計(jì)值過小，會(huì)導(dǎo)致基坑水位無(wú)法下降，需分析含水層滲透系數(shù)對(duì)基坑降水深度的影響，本研究設(shè)計(jì)3種計(jì)算工況，即工況1～3，對(duì)應(yīng)的滲透系數(shù)分別為9.82，11.57，17.36cm/s。

4.2 計(jì)算結(jié)果分析

以降水井J17為例，分析不同計(jì)算工況下降水井降水效果，結(jié)果如圖5所示。

圖5 不同計(jì)算工況下降水井水位

由圖5可知，降水3d后，所有計(jì)算工況下降水井水位趨于穩(wěn)定；降水井水位穩(wěn)定后，工況1水位位于基坑坑底以下約1.3m位置處，工況2水位位于基坑坑底以上約1.3m位置處，工況3水位位于基坑坑底以上約2.3m位置處；隨著含水層滲透系數(shù)的增大，降水井降水深度明顯減小。

綜上所述，隨著含水層滲透系數(shù)的增大，含水層補(bǔ)水效率提高，當(dāng)基坑降水井降水量一定時(shí)，降水井降水深度隨著含水層滲透系數(shù)的增大而減小。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降水情況可知，該基坑含水層滲透系數(shù)為11.57～17.36cm/s。

5 基坑降水方案優(yōu)化

5.1 優(yōu)化措施

根據(jù)基坑含水層不同滲透系數(shù)對(duì)降水深度的影響，結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降水情況，取基坑含水層滲透系數(shù)為17.36cm/s。依據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》有關(guān)要求對(duì)基坑初始降水方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將標(biāo)準(zhǔn)段疏干井布設(shè)在車站結(jié)構(gòu)內(nèi)，呈縱向布設(shè)3排，上、下排疏干井間距約15m，中間排疏干井間距約30m，其中標(biāo)準(zhǔn)段布設(shè)32口疏干井，編號(hào)為UJ1～UJ32，端頭段布設(shè)8口疏干井，編號(hào)為UJ33～UJ40，如圖6所示。單井降水量為25m3/h。

圖6 降水井布置優(yōu)化

5.2 優(yōu)化效果分析

將計(jì)算得到的典型降水井UJ29，UJ30，UJ35，UJ38水位與降水方案優(yōu)化后實(shí)測(cè)水位進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 降水方案優(yōu)化后典型降水井水位

由圖7可知，數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示降水井穩(wěn)定水位位于基坑坑底以下約1.4m位置處，滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示降水井穩(wěn)定水位位于基坑坑底以下約1m位置處，滿足設(shè)計(jì)要求；實(shí)測(cè)降水井水位變化速率小于計(jì)算結(jié)果；數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均表明降水初期降水井水位下降速率與降水時(shí)間呈線性變化，隨后降水井水位下降速率逐漸減小并趨于穩(wěn)定。

綜上所述，增加降水井?dāng)?shù)量可有效增大降水深度，使降水井出水量與基坑坑底以下含水層補(bǔ)水量平衡位置下移，增大基坑水位下降初始速率。

6 結(jié)語(yǔ)

依托洛陽(yáng)軌道交通1號(hào)線青年宮站基坑降水工程，對(duì)基坑初始降水方案進(jìn)行分析，通過數(shù)值模擬計(jì)算，研究含水層滲透系數(shù)對(duì)基坑降水深度的影響，得到符合工程實(shí)際情況的滲透系數(shù)。對(duì)基坑初始降水方案進(jìn)行優(yōu)化，并通過數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)優(yōu)化效果進(jìn)行分析。

1)降水初期，基坑水位下降速率較大，降水一段時(shí)間后，基坑水位下降速率逐漸減小，水位逐漸趨于穩(wěn)定。

2)隨著含水層滲透系數(shù)的增大，含水層補(bǔ)水效率提高，當(dāng)基坑降水井降水量一定時(shí)，降水井降水深度隨著含水層滲透系數(shù)的增大而減小。結(jié)合施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際降水情況確定本工程基坑含水層滲透系數(shù)為11.57～17.36cm/s。

3)增加降水井?dāng)?shù)量可有效增大降水深度，減小降水速率。

4)降水方案優(yōu)化后，降水井降水深度數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果差別較小，其中數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果顯示降水井穩(wěn)定水位位于基坑坑底以下約1.4m位置處，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示降水井穩(wěn)定水位位于基坑坑底以下約1m位置處，均滿足設(shè)計(jì)要求。