素墻對地鐵基坑懸掛式降水效果及周邊環(huán)境的影響分析

摘要：基于某市地鐵車站基坑采用懸掛式降水的工程背景，通過三維數(shù)值模擬，對比分析了設置素墻與未設置素墻兩種方案下的水頭及周邊建筑物和地面沉降變化，研究了素墻對地鐵車站基坑懸掛式降水效果及周邊環(huán)境的影響。結(jié)果表明：懸掛式降水能有效將基坑內(nèi)承壓水位降至安全標高，是一種經(jīng)濟合理的抗突涌措施。通過增加素墻深度來加強止水帷幕效果，可有效增加承壓水繞流路徑，減少了降水對坑外承壓水位的影響，從而減小了坑外地面沉降風險。

關(guān)鍵詞：懸掛式降水；基坑；沉降；地鐵

中圖分類號：TU753.66"" 文獻標識碼：A"" 文章編號：2096-2118（2024）06-0083-05

Analysis of the Effect of Plain Wall on Suspended Precipitation of Subway

Foundation Pit and Its Impact on the Surrounding Environment

LU Xisheng

（Guangzhou Metro Design amp; Research Institute Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

Abstract：Based on the engineering background of using suspended dewatering in the foundation pit of a subway station in a certain city，this study compared and analyzed the changes in water head，surrounding buildings，and ground settlement under two schemes of setting and not setting plain walls through three-dimensional numerical simulation.The study also investigated the impact of plain walls on the suspended dewatering effect of subway station foundation pits and the surrounding environment.The results indicate that suspended dewatering can effectively lower the pressurized water level in the foundation pit to a safe elevation，and is an economically reasonable measure to resist sudden surges.By increasing the depth of the plain wall to enhance the effect of the waterproof curtain，the flow path of the confined water can be effectively increased，reducing the impact of precipitation on the confined water level outside the pit and thus reducing the risk of ground settlement outside the pit.

Keywords：suspended precipitation；foundation pit；settlement；subway

0 引言

當前城市軌道交通快速發(fā)展，各地開通運營的線路里程逐年增多，工程安全也越來越被重視。在富水地層地區(qū)，地下水是軌道交通建設中需要解決的關(guān)鍵問題，基坑開挖階段如何有效隔水、降水，同時減小對周邊環(huán)境的影響[1]，依然是軌道交通建設中的重難點。本文以江蘇省蘇州市一地鐵車站基坑降水工程為例，通過三維數(shù)值模擬基坑施工及降水過程，對比地連墻是否設置素墻情況下的水頭降深、周邊建（構(gòu)）筑物變形及地表沉降，對比分析得出素墻對基坑懸掛式降水效果及周邊環(huán)境的影響[2-4]。并收集降水施工過程中實測數(shù)據(jù)，研究分析實際降水及影響規(guī)律，對比驗證數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，為后續(xù)類似工程降水計算提供參考。

1 工程背景

該地鐵車站位于蘇州市主干道路下，基坑開挖深度17.0 m，基坑寬度20.7 m，基坑總長477 m，總周長1 016 m，總面積10 146 m2。車站主體基坑坑底存在承壓水層⑦2粉砂夾粉土層，水頭標高約-2.00 m，承壓水層埋深大，地連墻未隔斷承壓水層，車站主體基坑采用懸掛式降水[2]，基坑開挖時需要降承壓水水頭?；泳嚯x某小區(qū)五區(qū)最近13.98 m，距離某小區(qū)六區(qū)最近13.56 m?；訃o結(jié)構(gòu)采用800 mm地連墻，嵌入深度0.8倍基坑深度。自上而下設置四道支撐，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，其余三道為鋼支撐，均采用對撐形式。基坑降水井布置及周邊建（構(gòu)）筑物見圖1。

2 影響機理

懸掛式降水，顧名思義即止水帷幕不完全隔斷承壓水層[2]，使坑內(nèi)外承壓水相連通。通過改變坑內(nèi)外承壓水的滲流路徑來減少承壓水井的抽水量，同時減小坑外承壓水水頭降深，從而降低對周邊環(huán)境的影響。在承壓水層較厚的地質(zhì)情況下，隔斷承壓水需要付出的施工成本過高，施工難度也大，綜合考慮宜采用懸掛式降水作為應對措施。

承壓水層對上覆不透水層施加向上的水壓力，該水壓力與承壓水水頭正相關(guān)，當承壓水水頭降低后，承壓水層對上覆不透水層的水壓力減小，根據(jù)受力平衡原理，上覆不透水層對承壓水層土體結(jié)構(gòu)的壓力增加，即附加應力，附加應力使土層壓縮變形，從而導致地表沉降。該附加應力與水頭降深正相關(guān)[1]，基坑內(nèi)水頭降深幾乎相同，因此坑內(nèi)附加應力可視為同一值f1，基坑外附加應力f2分布與承壓水水頭降深分布規(guī)律相同，如圖2所示。附加應力與應力位置離基坑的距離呈對數(shù)函數(shù)關(guān)系[1]，表達式為：

f

=

γ（H-h

）

f

=

γ［H

--

H］（1）

式（1）中：γw為水的重度，kN/m3；H為承壓水初始水頭，m；h0為基坑內(nèi)承壓水水頭，m；Q1為出水量，m3/d；R為基坑中心到邊界的距離，m；r為基坑中心與止水帷幕的距離，m；Hw為基坑外承壓水水頭，m；kh為水平滲透系數(shù)； f0為不完整井插入比lt;1.0時的局部阻抗[1]。

根據(jù)土層附加應力計算結(jié)果，采用分層總和法計算地表沉降值[4]。

3 數(shù)值分析模型建立

3.1 計算模型

采用Visual MODFLOW Pro2015軟件對該車站主體基坑工程建模并進行數(shù)值分析，按實際施工步序模擬基坑開挖及降水過程，分析每個步序的計算結(jié)果，對比總結(jié)得出素墻對基坑懸掛式降水效果、周邊建（構(gòu)）筑物變形及地表沉降的影響規(guī)律和影響程度。分別模擬采用地連墻設置素墻和不設置素墻兩種方案，其中非素墻部分深度相同，模擬計算兩種方案下的降水效果、周邊建（構(gòu)）筑物變形及地表沉降相關(guān)數(shù)值。分別采用適用的單元模型對整體工程建模，Mohr-colomb實體單元模型用于模擬土體，板單元用于模擬地連墻，桿單元用于模擬降水井，梁單元用于模擬圍檁、支撐、格構(gòu)柱及立柱樁等；土體周邊邊界設置約束限制其法向位移；同時考慮基坑四周車輛影響，在道路范圍內(nèi)施加與荷載規(guī)范相對應的車輛荷載。基坑工程數(shù)值分析模型如圖3所示。

3.2 計算參數(shù)

土體模型物理力學參數(shù)選取自詳細勘察階段該車站巖土工程勘察報告，站址所在場地土層物理力學指標綜合建議值詳見表1。

地連墻及立柱樁混凝土標號均為C35，混凝土支撐、板撐及冠梁混凝土標號均為C30。建模選取的混凝土力學參數(shù)詳見表2。

3.3 數(shù)值模擬過程

分別建立兩個三維計算模型，區(qū)別在于地連墻是否設置長5 m素墻，其余條件、參數(shù)一致。數(shù)值模擬步序與實際車站主體基坑開挖、回筑施工及降水步驟一致。開挖步序前對初始應力場及地連墻、降水井施工進行模擬。數(shù)值模擬步序詳見表3。

4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.1 降水效果對比分析

車站基坑開挖需進行降水，開挖前降潛水，開挖至一定深度后開始降承壓水。經(jīng)抗突涌計算，基坑內(nèi)承壓水水頭標高降至-9.0 m時基坑抗突涌系數(shù)達到規(guī)范要求，承壓水水頭標高需降低約8.0 m。采用Visual MODFLOW Pro2015軟件建模，并設置降壓井出水量，使基坑內(nèi)承壓水水位達到設計要求。其中，在不設置素墻方案中，單井出水量需達到144 m3/d；而在設置素墻方案中，單井出水量需達到120 m3/d。兩種方案均在基坑開挖至坑底時，地面沉降及建（構(gòu)）筑物變形達到最大值。車站范圍及周邊承壓水水頭標高等值線如圖4所示，承壓水水頭降深等值線如圖5所示。

由圖4～圖5可知，設置素墻的水頭標高及降深等值線較不設置素墻方案更為緊湊，同一水頭標高或降深的等值線離基坑邊緣更近；在相同位置上，設置素墻方案的水頭標高及水頭降深較不設置素墻方案小30%～40%，說明在設置素墻的情況下，對基坑外承壓水位的影響更小且影響范圍更窄。

4.2 建筑物變形對比分析

根據(jù)數(shù)值計算結(jié)果得到不設置素墻和設置素墻兩種方案的周邊建筑物及地面沉降云圖，如圖6～圖7所示。

由圖6～圖7可知，不設置素墻方案沉降影響范圍更大，在相同位置上，設置素墻方案建筑物沉降值比不設置素墻方案小35%～45%，設置素墻對減小周邊建筑物沉降效果顯著，地面沉降及建筑物變形指標對比結(jié)果詳見表4。

由表4可知，按設計要求降承壓水，在不設置素墻情況下，基坑周邊地面沉降及建筑物最大沉降超過了規(guī)范限值。然而，采用設置素墻方案后，各項控制值均小于規(guī)范限值。由此可見，設置素墻是一種有效措施，可以增加懸掛式止水帷幕深度，并減小其對周邊環(huán)境的影響。

5 實測數(shù)據(jù)分析

5.1 水頭降深數(shù)據(jù)分析

根據(jù)規(guī)范要求的抗突涌系數(shù)反算安全開挖深度，基坑開挖至-9.72 m后抗突涌系數(shù)不再滿足規(guī)范要求，需降承壓水水頭標高，即基坑抗突涌臨界開挖標高為-9.72 m，對應的施工階段為開挖基坑第三層土。

由圖8可以看出，降壓井開啟2 d后，坑內(nèi)降壓井兼觀測井J5，J12，J17水位水頭降深達到-8.0 m，滿足底板收底時的降壓需求，未發(fā)生突涌情況；坑外觀測井SW5，SW8，SW13水頭降深-6.4 m～-7.1 m，表明模擬結(jié)果與實際降深相符；以地連墻為界，坑內(nèi)外水頭降深差值近1 m，表明懸掛式止水帷幕阻礙了坑內(nèi)外承壓水一部分水力聯(lián)系，增設素墻加深止水帷幕可以有效增加承壓水繞流路徑。

5.2 地面沉降數(shù)據(jù)分析

由圖9可以看出，地面沉降的發(fā)展存在一定滯后性，隨著水頭降深達到設計值，需在承壓含水層進行大量抽水，3周～4周后沉降接近最大值，地面沉降曲線的斜率開始由陡變緩趨于穩(wěn)定。距基坑1 m，20 m，40 m，60 m，80 m，100 m處地面沉降實測最大值分別為11.05 mm，9.32 mm，7.37 mm，5.41 mm，3.31 mm，1.21 mm，與數(shù)值模擬結(jié)果相近，表明數(shù)值模擬結(jié)果符合實際；后期隨著水位的逐漸恢復，地面沉降出現(xiàn)回彈跡象，且地面沉降變形的回彈同樣呈現(xiàn)出滯后性。

6 結(jié)論及建議

本文以某地鐵車站基坑降水工程為例，采用有限分析軟件Visual MODFLOW Pro2015模擬基坑施工及降水工程，對比分析了設置素墻與不設置素墻兩種方案下的水頭及周邊建筑物和地面沉降變化，研究了素墻對地鐵車站基坑懸掛式降水效果及周邊環(huán)境的影響分析，結(jié)論如下。

1） 懸掛式降水可有效降低基坑內(nèi)承壓水位到安全標高，是一種經(jīng)濟合理的抗突涌措施。

2） 通過設置素墻加深止水帷幕深度，可有效增加承壓水繞流路徑，降低降水對坑外承壓水位的影響，從而減小坑外地面沉降，降低工程風險。

3） 實測結(jié)果與數(shù)值模擬分析結(jié)果相近，數(shù)值模擬結(jié)果與實際相符，模型設定及參數(shù)設置等可為后續(xù)類似工程降水計算提供參考。

參 考 文 獻

[1]孫大朋，吳云濤，汪鵬程.承壓水地層懸掛止水帷幕坑內(nèi)降水引起地表沉降解析[J].合肥工業(yè)大學學報，2023，46（12）：1679-1684.

[2]宋翔東.深厚含水層懸掛式截水帷幕設計實踐[J].工程勘察，2024（5）：27-32.

[3]董海風.深基坑開挖中懸掛式止水帷幕的設置深度研究[J].科技與創(chuàng)新，2024（4）：1-6.

[4]張志紅，郭晏展，凡琪輝，等.懸掛式止水帷幕基坑降水引起坑外地面沉降計算方法[J].東北大學學報，2021，42（9）：1329-1334.

編輯：劉 巖