深厚強透水含水層地鐵深基坑地下水控制方案綜合比選方法

摘要：針對深厚強透水含水層地鐵深基坑地下水控制方案比選問題，聯(lián)合運用層次分析法、模糊綜合評價法以及數(shù)值計算方法，提出深厚強透水含水層地鐵深基坑地下水控制方法定性與定量化比選流程框架，建立了強透水地層地鐵深基坑地下水控制方案綜合比選方法。以福州地鐵水部站深基坑工程為例，采用建立的比選方法，對5種不同深基坑地下水控制方案（敞開式降水、落底式止水帷幕、深層水平封底帷幕、懸掛式止水帷幕降水以及水下開挖）進行定性評估分析，結(jié)果表明，懸掛式帷幕降水方案為該車站深基坑工程地下水控制最優(yōu)方案。采用數(shù)值模擬方法，分析得到了深基坑降水引發(fā)的周邊地表沉降值在12～23 mm之間，表明42 m懸掛式止水帷幕降水方案能有效控制深基坑降水引發(fā)的地表沉降。

關(guān)鍵詞：深基坑；地鐵；強透水含水層；地下水控制；方案比選

中圖分類號：TU924" " "文獻標志碼：A" " "文章編號：2096-6717（2024）04-0082-09

Comprehensive comparison of various scenarios to groundwater control for a deep metro excavation in highly-permeable aquifers

CAO Chengyonga，b， PENG Yuanshenga，c

（a. College of Civil and Transportation Engineering； b. Shenzhen Key Laboratory of Green， Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station； c. Key Laboratory for Coastal Urban Resilient Infrastructures of Ministry of Education， Shenzhen University， Shenzhen 518060， Guangdong， P. R. China）

Abstract： For comparison and selection of groundwater control scenarios for subway deep foundation pits in deep and high permeable aquifers， this paper presents the qualitative and quantitative comparison and selection framework by using analytic hierarchy process， fuzzy comprehensive evaluation and numerical calculation methods. Comprehensive comparison of various scenarios to groundwater control for a deep metro excavation in highly-permeable aquifers is established. Taking Shuibu metro station in Fuzhou as an example， five different groundwater control scenarios （i.e. open dewatering， fully penetrating curtains， deep horizontal bottom sealing curtain， partially penetrating curtains with dewatering， underwater excavation） are evaluated and analyzed using the proposed method. The results show that the scenario of both partially penetrating curtains and dewatering is the best for groundwater control. Then， the numerical simulation is used to analyze the surrounding surface settlement caused by dewatering. The results show that the surface settlement is in the range of 12-23 mm， which shows that the partially penetrating curtains with 42 m length can effectively control the surface settlement caused by dewatering. This method provides a solution for comparison and design of groundwater control scenarios for subway foundation pits in deep and high permeable aquifers.

Keywords： deep excavation； metro； high permeable aquifers； groundwater control； comparison and selection of scenarios

城市地下空間開發(fā)利用（如地鐵、地下商場、地下停車場等）已成為各大、中城市建設(shè)的重要方向[1-3]。深基坑工程是城市地下空間工程建設(shè)的重要組成部分，其開挖難度大、事故危害性大，尤其天津、上海、福州等沿海地區(qū)，地下水豐富，含水層厚度大，且隔水層有時分布不連續(xù)，造成沿海地區(qū)深基坑工程地下水控制困難。目前深基坑工程施工地下水控制方式，主要有敞開式（無帷幕）降水，隔、降水組合（懸掛式止水帷幕、落底式止水帷幕及深層水平封底帷幕），水下開挖等[4-6]幾種方式。深基坑工程地下水控制方法多種多樣，深基坑工程實踐中如何選擇合適的地下水控制方案是一難點。

目前已有諸多學者針對深基坑工程降、隔水問題進行了相關(guān)研究，尤其在豎向止水帷幕對深基坑降水的作用機理方面，研究成果頗多[7-10]。Wang等[11]采用數(shù)值方法，分析了深基坑降水引發(fā)的基坑內(nèi)、外水位變化，并提出采用人工回灌措施補償?shù)叵滤２軜漭x等[12]探討了地下連續(xù)墻深度、深層水平封底參數(shù)與深基坑水位降深、涌水量之間的關(guān)系。周念清等[13]采用數(shù)值模擬方法，分析了徐家匯站深基坑降水過程中周邊地層水位變化和沉降。彭戡[14]對超厚砂層深大基坑工程降隔水方案選型進行了研究，確定了等厚度水泥攪拌墻（TRD）隔水帷幕與三軸水泥土攪拌樁組合隔水方案。由上述研究成果發(fā)現(xiàn)，目前大多數(shù)研究是針對深基坑降、隔水問題，而對于深基坑地下水控制方案的比選與決策研究不多。

事實上，深基坑地下水控制方案比選與決策是一個復雜多目標決策的問題，常常需要對不同地下水控制方案進行科學、系統(tǒng)的比選與評價?？墒?，目前深基坑地下水控制的實際設(shè)計與施工中，大多數(shù)情況下主要依據(jù)深基坑專業(yè)技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷與項目管理者的決策來決定地下水控制方案，因此，急需建立一套有效的深基坑地下水控制方案比選綜合評價方法。筆者采用層次分析法、模糊綜合評價法以及數(shù)值計算方法，提出深厚強透水含水層地鐵深基坑地下水控制方法定性與定量化比選流程框架，建立了強透水含水層地鐵深基坑地下水控制綜合比選方法，為強透水含水層地鐵深基坑地下水控制比選設(shè)計提供了思路。

1 深基坑地下水控制方案比選思路

圖1給出了深基坑地下水控制方案比選流程。

深基坑地下水控制方案比選思路具體為：

1）詳細調(diào)研深基坑工程水文、地層條件、工程規(guī)模以及周圍環(huán)境等內(nèi)容，初步擬定出深基坑地下水控制方案；

2）基于層次分析-模糊綜合評價法，結(jié)合專家經(jīng)驗評估，對不同深基坑地下水控制方案（如敞開式降水、落底式止水帷幕、深層水平封底、懸掛式止水帷幕、水下開挖等（見圖2））進行比選，初步確定可操作的地下水控制方案；

3）基于數(shù)值模擬或解析計算方法，定量化地分析深基坑降水對周圍環(huán)境的影響，最后確定深基坑地下水控制方案。

2 深基坑地下水控制方案比選方法

2.1 決策指標體系的構(gòu)建

2.1.1 指標體系構(gòu)建原則

城市地鐵深厚含水層深基坑地下水控制方案比選應(yīng)遵循以下幾個原則：

1）技術(shù)方案應(yīng)該先進可行。選擇的深基坑工程地下水控制方案需具有科學性、可靠性以及施工安全性。

2）城市深基坑周邊高層建筑物密集，地下管線眾多，基坑降水不可避免地會對深基坑周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，需要考慮次生災(zāi)害發(fā)生的可能性。

3）城市地鐵深基坑工程建設(shè)成本高，施工工期嚴格控制，方案比選中必須考慮不同方案施工組織情況，應(yīng)選擇施工快捷的方案。

4）在保證地鐵深基坑建設(shè)安全的前提下，盡可能使工程造價經(jīng)濟、合理。

2.1.2 建立評價指標體系

深基坑地下水控制方案決策的影響因素眾多，在實際評價中不可能做到將所有因素納入方案決策中，因此，在實際操作中需要提煉出具有代表性的因素來構(gòu)建決策指標體系。一般來說，城市地鐵深基坑周邊建筑密集，深厚含水層地下水控制方案的選擇需要考慮技術(shù)方案的可行性、造價是否經(jīng)濟、合理、施工便捷與否，以及深基坑工程地下水控制方案實施過程中對周圍環(huán)境的影響及引發(fā)次生災(zāi)害的可能性。

因此，根據(jù)方案的基本原則以及結(jié)合調(diào)研眾多類似工程案例，最終構(gòu)建的深基坑地下水控制方案決策指標體系由4個二級指標、10個三級指標組成，見圖3。

2.2 評價因素的權(quán)重向量確定

2.2.1 構(gòu)建判斷矩陣

邀請深基坑、水文地質(zhì)等領(lǐng)域?qū)＜覍φ{(diào)查問卷打分，根據(jù)每一層次各因素對于上一層次某因素的相對重要程度進行兩兩判斷，并采用薩蒂的1～9標度法，得到相應(yīng)的判斷矩陣A。

式中：rij的值是因素ui對各等級vj的隸屬度，其值為介于0到1之間的常數(shù)。

深基坑地下水控制方案初選決策時，大多數(shù)指標為定性指標，主要靠專家經(jīng)驗進行評判，定性指標的模糊隸屬度確定方法如下：設(shè)第i個因素的單因素評價r_i={r_i1，r_i2…r_ik…r_i5 }，其中rik（k=1， 2…5）表示關(guān)于第k個等級vk的第i個因素評價的隸屬度。評語集可以從Fuzzy子集表中查取，見表2。

2.3.3 計算綜合評價矩陣B

根據(jù)隸屬度矩陣R和由層次分析法計算得到的權(quán)重向量T={t_1，t_2…t_m }，可以求解得到模糊綜合評價矩陣B為

式中：s為降水引起的地面總附加沉降量，m；ψ為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，可根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗進行取值，無經(jīng)驗時取1；Δσ_Zi^'為第i層水位下降引起的土層附加荷載，kPa，可以根據(jù)水位降深計算；ESi為第i層土層的壓縮模量，MPa。

4 工程實例分析

4.1 工程概況

福州地鐵水部站為地下兩層島式車站，總長170 m左右，寬19.7 m，車站中心基坑深16.5 m，主體圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻厚80 cm。深基坑場地各巖土分層由上至下依次為：雜填土、淤泥、淤泥夾砂、粗中砂（含泥）、粉質(zhì)黏土、卵石以及花崗巖，如圖4所示。場地的地下水主要包含上層滯水和承壓水，上層滯水主要分布于人工填土層中，承壓水則主要分布于淤泥夾砂、粗中砂、卵石中，各承壓含水層之間具有緊密的水力聯(lián)系。土體物理力學參數(shù)見表3。

4.2 深基坑地下水控制方案比選

結(jié)合地鐵深基坑工程規(guī)模、周圍環(huán)境及水文地質(zhì)條件，針對敞開式降水X1、落底式止水帷幕X2、深層水平封底X3、懸掛式止水帷幕X4、水下開挖方案X5等，應(yīng)用層次分析-模糊綜合評價法，對各地下水控制方案進行初步比選，確定出較為適宜的地下水控制方案。

4.2.1 隸屬度矩陣確定

根據(jù)各地下水控制方案（敞開式降水X1、落底式止水帷幕X2、深層水平封底X3、懸掛式止水帷幕X4及水下開挖方案X5）的決策指標優(yōu)劣性分析，結(jié)合專家經(jīng)驗，將決策指標進行量化評判，得到各方案對應(yīng)的隸屬度矩陣R1、R2、R3、R4及R5分別為

4.2.2 權(quán)重向量確定

根據(jù)確立的地下水控制方案比選指標體系，邀請多位深基坑工程領(lǐng)域?qū)＜裔槍Ω饕蛩氐南鄬χ匾潭冉o予建議，綜合分析各種情況后，構(gòu)造目標層對于準則層X-P因素的判斷矩陣，同理可求得各準則層對于指標層P-U判斷矩陣，如表4～表8所示。同時，通過方根法計算相應(yīng)權(quán)重也列于表中。

經(jīng)計算，層次總排序計算結(jié)果具有較強的一致性，最終得到總層次排序的權(quán)重向量為：T=（0.120 5， 0.120 5， 0.241， 0.093 6， 0.023 4， 0.087 2， 0.087 2， 0.043 6， 0.152 4， 0.030 6）。

4.2.3 綜合評價矩陣B及綜合評價值S計算

方案①的模糊綜合評價矩陣B與模糊綜合評價值S分別為

同理，可以得出各方案的綜合評價得分，如表9所示。

由表9可知，懸掛式止水帷幕降水方案綜合評價得分相對較高，由此可見，該方案理論上可作為該地鐵車站深基坑地下水控制優(yōu)先方案。

然而，當選擇懸掛式止水帷幕降水方案時，需要進一步定量評估深基坑降水對基坑外環(huán)境的影響，最終合理確定深基坑開挖地下水控制具體方案（如降水井布置、止水帷幕設(shè)計等），以最大限度保證深基坑施工安全。

4.3 深基坑地下水控制方案定量化分析

4.3.1 深基坑安全水位降深計算

根據(jù)深基坑底板抗突涌穩(wěn)定性判別條件，深基坑內(nèi)安全水位降深計算值如表10所示。

4.3.2 深基坑降水引發(fā)的地表沉降分析

1） 數(shù)值計算模型。有限差分數(shù)值計算模型區(qū)域1 000 m×1 000 m×60 m，三維數(shù)值計算模型如圖5所示。模型四周邊界采用定水頭模擬，承壓水頭邊界為地表以下3 m，各土層的初始水位設(shè)置為相應(yīng)邊界的水位高度。在深基坑豎向止水帷幕設(shè)計中，地下連續(xù)墻深度為42 m（圖6），充分利用圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻下方粉質(zhì)黏土的弱透水性，以減少深基坑內(nèi)外、水力聯(lián)系?；觾?nèi)降壓抽水井布置方案如圖7所示。深基坑地下連續(xù)墻（止水帷幕）采用滲透系數(shù)非常小（1×10-8 m/d）單元進行模擬。管井濾管處單元設(shè)置定流量邊界。

2）懸掛式止水帷幕深基坑降水預(yù)測分析。通過對深基坑各抽水井的抽水量不斷調(diào)試，設(shè)定抽水總時間為30 d，以表10中深基坑內(nèi)安全水位降深為控制標準，各抽水井抽水流量如表11所示，分析得到基坑抽水30 d后周邊水位降深，如圖8所示。采用深基坑降水作用引發(fā)的地表沉降預(yù)測式（11），計算得到深基坑降水30 d后地表沉降預(yù)測結(jié)果，如圖9所示。

從圖8和圖9中可以看出：

1）深基坑抽水30 d后，基坑東端頭井、西端頭井以及標準段均基本能滿足表10要求的安全水位降深。

2）深基坑周邊建筑的沉降值在12～23 mm之間，處于合理范圍內(nèi)（小于30 mm），表明42 m懸掛式止水帷幕方案能有效控制基坑降水引發(fā)的地表沉降。

5 結(jié)論

1）提出了深厚強透水層地鐵深基坑地下水控制方法定性與定量化比選流程框架，建立了強透水地層地鐵深基坑地下水控制方案綜合比選方法。

2）采用建立的比選方法，對5種不同基坑地下水控制方案（敞開式降水、落底式止水帷幕、深層水平封底、懸掛式止水帷幕及水下開挖）進行評估分析，結(jié)果表明，懸掛式止水帷幕方案為該車站基坑地下水控制最優(yōu)方案。

3）采用數(shù)值模擬方法，分析得到基坑降水引發(fā)的周邊建筑沉降值在12～23 mm之間，表明42 m懸掛式止水帷幕能有效地控制基坑降水引發(fā)的地表沉降。

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（編輯" 王秀玲）

收稿日期：2022?01?11

基金項目：國家自然科學基金（51938008）；中國博士后科學基金（2021T140474）

作者簡介：曹成勇（1988- ），男，博士（后），助理教授，主要從事地下與隧道工程研究，E-mail：chengyongcao@163.com。

Received： 2022?01?11

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51938008）; China Postdoctoral Science Foundation （No. 2021T140474）

Author brief： CAO Chengyong （1988- ）， postdoctor， assistant professor， main research interests： underground and tunnel engineering， E-mail： chengyongcao@163.com.