承壓富水地層地鐵車站基坑降水與回灌施工滲流穩(wěn)定性及地面變形研究*

盧福聰 索 瀟 吳 波 陳立平 卞士海 農(nóng)忠建 許九保

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，530004，南寧； 2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，530004，南寧；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，530004，南寧； 4.廣西交科集團(tuán)有限公司，530007，南寧；5.浙江省工程勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，315211，寧波∥第一作者，講師)

地下水控制是巖土工程的一大技術(shù)難點(diǎn)[1]，為了降低基坑開挖過程中由地下水帶來的危害，需要施以降水施工。但過渡的降水會(huì)帶來地下水資源的破壞以及過大的地面沉降，回灌是一種良好的地下水控制方法[2]。近年來，國(guó)內(nèi)已有較多針對(duì)基坑降水方面的研究。文獻(xiàn)[3]考慮了降水過程中的地下水位分布情況，在二維滲流條件下計(jì)算地面沉降變形，推導(dǎo)了降水過程中預(yù)測(cè)地下水及地面沉降的計(jì)算方法。文獻(xiàn)[4]在降水引起的土體沉降計(jì)算中考慮了修正分層總和法，合理推算出在基坑開挖條件下的基坑外部土體沉降理論公式。文獻(xiàn)[5]結(jié)合理論計(jì)算和數(shù)值模擬對(duì)回灌井深度和回灌壓力進(jìn)行了控制研究，分析了不同回灌壓力和回灌井深度情況下的地面沉降變化情況，結(jié)果表明：選擇合適的回灌井深度和回灌壓力能夠減小地面沉降，但當(dāng)回灌井過長(zhǎng)或回灌壓力過大時(shí)，減小地面沉降的效果不太明顯。文獻(xiàn)[6]基于Mod Flow軟件和GTS NX軟件，對(duì)工程場(chǎng)地進(jìn)行壓力回灌試驗(yàn)，并獲得了不同回灌量下的地面沉降控制情況。目前，對(duì)于基坑降水與回灌對(duì)地面沉降的影響已有一定的研究，但大多數(shù)研究對(duì)象均為潛水，針對(duì)承壓水降水和回灌滲流分析的研究較少。

濟(jì)南市水文地質(zhì)條件特殊，地下水類型以承壓水為主且水頭壓力較大，對(duì)基坑施工具有較大的危害。本文以濟(jì)南某富水承壓基坑為研究對(duì)象，分析基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果，并采用有限元數(shù)值分析方法，建立基坑降水-開挖-回灌的三維滲流應(yīng)力耦合模型，將其與經(jīng)驗(yàn)值及實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限元模型的合理性。本文研究揭示了承壓富水地層車站基坑降水-回灌施工的滲流變形規(guī)律，可為施工相關(guān)問題提供借鑒與參考。

1 工程概況

濟(jì)南某富水承壓深基坑的設(shè)計(jì)里程為SK 26+559.367—SK 26+769.967，全長(zhǎng)210.6 m。車站站臺(tái)長(zhǎng)為120.0 m，站臺(tái)寬為11.0 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段總寬為18.3 m。采用旋噴樁止水帷幕與袖閥管注漿結(jié)合的方式作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案。根據(jù)《濟(jì)南市軌道交通R2線一期工程設(shè)計(jì)技術(shù)要求》和JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式為φ1 000 mm@1 400 mm鉆孔灌注樁+鋼支撐，標(biāo)準(zhǔn)段豎直方向采用頂部冠梁與2道鋼支撐，端頭井通過換撐架設(shè)第4道鋼支撐。

1.1 工程地質(zhì)概況

該車站所在地貌為平原，地勢(shì)較為平整，地質(zhì)勘測(cè)結(jié)果顯示，車站場(chǎng)地地層自上而下劃分為7層，各層的土層物理參數(shù)如表1所示。

表1 基坑場(chǎng)地各地層物理性質(zhì)指標(biāo)

1.2 降低水位設(shè)計(jì)

潛水及承壓水為該車站降水目標(biāo)。在車站標(biāo)準(zhǔn)段，降水井的井深為22 m，間距為24～26 m；在車站端頭，降水井的井深為24 m，間距25～30 m。降水井設(shè)置36眼。降水井設(shè)置于基坑內(nèi)部?；毓嗑?0眼，距離基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)10～20 m，沿基坑外延設(shè)置，間距為25 m，回灌井深度為12 m，過濾段長(zhǎng)度為3 m。

2 基坑監(jiān)測(cè)方案

對(duì)基坑支護(hù)體系和周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖截圖如圖1所示。測(cè)點(diǎn)主要用于監(jiān)測(cè)基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移、地面沉降與水位變化，針對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)合理安排開挖與降水速率，同時(shí)采取必要措施保證基坑施工的安全。圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移、地面沉降與水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)均沿坑周布置，地面監(jiān)測(cè)點(diǎn)每處徑向各布置3個(gè)點(diǎn)，用以監(jiān)測(cè)遠(yuǎn)離基坑方向的地面沉降變化。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖截圖Fig.1 Screenshot of monitoring points layout in foundation pit

3 基坑監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.1 坑周地面沉降變化監(jiān)測(cè)

選取基坑端頭6個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(DB19—DB24)，其坑周地面沉降變化如圖2所示。截至2019年3月1日基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，DB20觀測(cè)點(diǎn)處的地面沉降為23.4 mm，距基坑約10～20 m處為地面沉降最大點(diǎn)位。在回灌施工后，距基坑較遠(yuǎn)處DB24觀測(cè)點(diǎn)的地面沉降逐漸恢復(fù)至8.7 mm，最后趨于穩(wěn)定。由于在基坑開挖前進(jìn)行了地基加固處理，且降水及回灌對(duì)遠(yuǎn)端地面沉降的影響有限，距基坑小于5 m或大于30 m處的沉降趨勢(shì)不明顯。

圖2 基坑周邊不同測(cè)點(diǎn)的地面沉降曲線

3.2 基坑開挖期間的水位變化監(jiān)測(cè)

選取6個(gè)水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，不同測(cè)點(diǎn)地下水位隨時(shí)間的變化曲線如圖3所示。地下水位下降按降水設(shè)計(jì)要求一直保持在基坑開挖面以下，在2019年3月20日基坑周邊施作回灌施工后，地下水位呈上升趨勢(shì)。故需在施工過程中合理降水并施以回灌施工，以減小由降水帶來的地下水滲流破壞而導(dǎo)致的地面沉降過大，保證基坑施工的安全性。

圖3 不同測(cè)點(diǎn)地下水位隨時(shí)間變化曲線

4 基坑開挖滲流模擬與分析

4.1 地下水滲流理論

在承壓完整井降水-回灌共同作用時(shí)，假設(shè)承壓含水平面的二維滲流中勢(shì)函數(shù)為：

dφ=kMdh

(1)

式中：

M——含水層厚度；

k——含水層滲透系數(shù)；

φ——滲流量；

h——水頭。

同樣，按潛水完整井求承壓完整井降水-回灌共同作用下的浸潤(rùn)曲線方程，其具體推導(dǎo)過程可參考文獻(xiàn)[7]。降水井與回灌井共同作用下的地下水變化為：

hc=hcj+hch-M

(2)

式中：

hc——降水-回灌共同作用下的水頭；

hcj——降水井群共同作用下的水頭；

hch——多回灌井共同作用下的水頭。

4.2 數(shù)值模擬

對(duì)車站深基坑建立Midas GTS有限元軟件的開挖-降水-回灌應(yīng)力滲流耦合模型，在模型兩側(cè)施加初始水頭邊界(水頭值為31 m)，用以模擬施工前地下水初始滲流場(chǎng)。承壓水通過節(jié)點(diǎn)水頭進(jìn)行模擬，在每開挖步前施加低于開挖面3 m的節(jié)點(diǎn)水頭模擬降水。開挖過程中，地下水一直保持在基坑底部。土體選用修正摩爾-庫(kù)倫彈塑性屈服準(zhǔn)則實(shí)體單元，內(nèi)部支撐和圍護(hù)樁采用線彈性本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。基于基坑開挖與降水影響范圍，土體模型設(shè)置為600 m×400 m×50 m。有限元計(jì)算模型如圖4所示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元如圖5所示。具體施工步驟為：

圖4 有限元計(jì)算模型Fig.4 Finite element calculation model

步驟1：在開挖深度為0處設(shè)置混凝土支撐和冠梁；

圖5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)單元Fig.5 Enclosure structure unit

步驟2：第2道鋼支撐架設(shè)于開挖深度5.75 m處，水頭降至23 m(開挖深度為7.60 m);

步驟3：第3道鋼支撐架設(shè)于開挖深度11.15 m處，水頭降至17 m(開挖深度為13.50 m)；

步驟4：第4道鋼支撐架設(shè)于開挖深度14.30 m端頭井處，設(shè)置底板，水頭降至13 m(開挖深度為16.00 m)；

步驟5：進(jìn)行回灌施工。

4.3 降低水位滲流分析

上述施工步驟中，步驟1、步驟2和步驟5中的孔隙水壓力軟件模擬結(jié)果截圖如圖6所示。由圖6可知，基坑未開挖及降水施工時(shí)，基坑內(nèi)、外部存在水頭差，孔隙水壓力呈水平自然狀態(tài)分布，土體在原有應(yīng)力狀態(tài)下保持靜止；向基坑內(nèi)部的滲流作用是由于降水導(dǎo)致了地下水壓力失衡；在進(jìn)行回灌施工時(shí)，與降水過程相反，回灌過程中的回灌井內(nèi)壓力一般大于地下水孔隙水壓力，從而形成壓力差，將水流壓入地下，在一定程度上恢復(fù)由降水而破壞的地下水原本滲流。

圖6 孔隙水壓力軟件模擬結(jié)果截圖Fig.6 Screenshots of software simulation results of pore pressure

在降水的過程中，降低地下水水位會(huì)引起土體有效應(yīng)力的增加，進(jìn)而加大周邊地面的沉降；在回灌過程中，提升地下水水位會(huì)引起土體有效應(yīng)力的降低，進(jìn)而影響土體固結(jié)與地面沉降。因此，在降水與回灌施工中都應(yīng)密切關(guān)注基坑周邊的地面沉降情況，避免事故的發(fā)生。

4.4 模擬結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比分析

4.4.1 樁體水平位移

模擬結(jié)果選取ZQT12—ZQT14在施工步驟4～5中的樁體水平位移，實(shí)測(cè)值選取2019年3月1日(基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高并架設(shè)鋼支撐，此時(shí)處于最大樁體水平位移狀態(tài))ZQT12—ZQT14的水平位移，其對(duì)比曲線如圖7所示。由圖7可知，考慮滲流耦合效應(yīng)后，模擬值與實(shí)測(cè)值吻合得較好，則此模型可用于模擬后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。但實(shí)測(cè)值與模擬值也具有一定的差值，這主要是由于在實(shí)際基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高前控制了降水速率，給予了坑下土排水固結(jié)時(shí)間，使坑下土具有較好的固結(jié)度，從而使其圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移稍小于模擬值，這表明土體的降水固結(jié)行為能提升其抵抗變形的能力。

圖7 實(shí)測(cè)值與數(shù)值模擬值的樁體水平位移結(jié)果對(duì)比

考慮滲流效應(yīng)的模擬能夠應(yīng)用于預(yù)測(cè)實(shí)際變形過程，這與文獻(xiàn)[7]得出的結(jié)論類似。考慮降水回灌的影響，基坑底部大于開挖標(biāo)高的坑下土部分受到滲流作用的影響，導(dǎo)致樁體水平位移在開挖土層下部再次增大，形成“踢腳”的危險(xiǎn)工況。在實(shí)際工程中，特別是富水承壓地層中，應(yīng)對(duì)坑下土進(jìn)行加固壓實(shí)作業(yè)，并嚴(yán)格控制降水與回灌量，以避免坑下地下水突涌導(dǎo)致發(fā)生事故。

4.4.2 地下水變化與地面變形

基坑底部4 m以下的地下水回灌和降水壓力曲線與受地下水回灌影響的地面變形曲線如圖8所示。由圖8可知，相較于單一的由降水、回灌帶來的水-土應(yīng)力失衡，降水與回灌共同作用帶來了較大的水頭應(yīng)力差，當(dāng)其超過一定臨界值后，水-土的應(yīng)力失衡進(jìn)一步增大，需經(jīng)更大的變形才能重新平衡，故其孔隙水壓力與地面變形曲線并不是簡(jiǎn)單的疊加。文獻(xiàn)[7]的研究結(jié)果表明越近的壓力回灌，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響越大。

圖8 回灌與降水對(duì)地面變形和地下水壓力的影響

當(dāng)回灌井距離基坑越近，在其作用下的水位變化會(huì)越大，則產(chǎn)生的水頭變幅就越大，由此產(chǎn)生的地面變形也會(huì)相應(yīng)增大，從而帶來過高的地下水位，也增加了基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)，增大了圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生滲水、突涌等危險(xiǎn)工況的可能性。但回灌井距離基坑過遠(yuǎn)，其抬升地下水的幅度在降水中心處的作用會(huì)顯得過于薄弱，對(duì)恢復(fù)降水區(qū)域地下水滲流效果不明顯，所以應(yīng)嚴(yán)格控制回灌井與基坑之間的距離。

4.4.3 回灌井距離優(yōu)化設(shè)計(jì)

控制回灌井與基坑之間的距離既能控制地下水位與地面變形，又不至于危害圍護(hù)結(jié)構(gòu)。控制距離設(shè)為3 m，研究與基坑之間不同距離的回灌井對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面隆起的影響，模擬結(jié)果如圖9所示。由圖9可知：在考慮滲流-回灌耦合情況下，在距基坑約30 m處設(shè)置回灌井，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隆起的影響將會(huì)降至最小，且隨著回灌井與基坑之間距離的增加，其影響變化并不明顯；當(dāng)回灌井與基坑之間的距離約為32 m時(shí)，回灌點(diǎn)地表隆起最小，適當(dāng)減小或增大此距離都會(huì)導(dǎo)致過大的地表隆起。所以，回灌井與基坑之間的最佳距離應(yīng)控制在20～60 m，在此區(qū)間內(nèi)能在最大程度上控制由回灌帶來的地面隆起。

圖9 不同回灌井距離對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)和地面隆起的影響

5 結(jié)語(yǔ)

1) 在開挖-降水-回灌作用下，對(duì)比實(shí)際施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，兩者總體上吻合得較好，但數(shù)值模擬較實(shí)測(cè)值偏大，可能是由于實(shí)際施工中地層的不均勻滲透系數(shù)導(dǎo)致地下水滲流較小引起的。

2) 考慮降水-回灌作用，在基坑開挖與降水過程中，基坑上部支撐先增大后穩(wěn)定減小、底部支撐軸力逐漸增加、圍護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍土體繞中軸整體轉(zhuǎn)動(dòng)。

3) 應(yīng)嚴(yán)格控制基坑降水量，避免回灌井與降水井同時(shí)作業(yè)，在保證開挖處水位低于開挖面的同時(shí)，盡可能降低降水參數(shù)；加強(qiáng)對(duì)周邊地層沉降的監(jiān)測(cè)，在實(shí)際施工前應(yīng)加強(qiáng)土體底部的壓實(shí)性；施工中在開挖至底層時(shí)應(yīng)加強(qiáng)基坑底部監(jiān)測(cè)，開挖至標(biāo)高后應(yīng)盡快施作底板以穩(wěn)定基坑。

4) 應(yīng)嚴(yán)格控制回灌井與基坑距離，避免回灌井過近造成地下水位抬升過高而危害基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)；同時(shí)也應(yīng)避免回灌井過遠(yuǎn)導(dǎo)致其作用效果減小，無法起到恢復(fù)地下水滲流與控制地面變形的情況。

5) 本文討論了在開挖-降水-回灌作用下，基坑及其周邊土層與地下水滲流的變化情況，但僅限于回灌井與基坑的距離，對(duì)于回灌井的數(shù)量、密度、間距及回灌壓力等參數(shù)如何進(jìn)一步影響基坑、土層與地下水滲流還需進(jìn)一步研究。