透水砂層地鐵基坑降水控制分析

摘要：依托西安地鐵8號(hào)線(xiàn)2標(biāo)段廣泰門(mén)站項(xiàng)目，開(kāi)展了數(shù)值仿真模擬，研究透水砂層地鐵深基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。研究結(jié)果表明：隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，地表沉降增加幅度也隨之增大。標(biāo)準(zhǔn)段外地表沉降明顯大于端頭井段地表沉降，基坑開(kāi)挖完畢后，標(biāo)準(zhǔn)段地表沉降峰值為2.6mm。降水完成后，開(kāi)挖過(guò)程不會(huì)再額外產(chǎn)生過(guò)多的沉降。隨著基坑降水與開(kāi)挖的開(kāi)展，地下連續(xù)墻位移持續(xù)增加，位移峰值出現(xiàn)在墻體中上部，曲線(xiàn)呈“鼓肚”狀。地下連續(xù)墻水平位移主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖階段，基坑降水對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響不及基坑開(kāi)挖造成的影響劇烈?；娱_(kāi)挖完畢后，基坑中部地下連續(xù)墻水平位移峰值約為1.54mm，較拐角位置處的地下連續(xù)墻水平位移下降了21%。

關(guān)鍵詞：深基坑；地鐵車(chē)站；基坑降水；透水砂層

0" "引言

隨著我國(guó)城市化的推進(jìn)與地下工程建設(shè)的不斷發(fā)展，在富水地層進(jìn)行地下工程施工時(shí)出現(xiàn)的降水問(wèn)題越來(lái)越多。針對(duì)于此，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)透水砂層地鐵深基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律開(kāi)展了一系列研究。

張軍和童剛強(qiáng)[1]依托天津地鐵某車(chē)站項(xiàng)目，在基坑開(kāi)挖前開(kāi)展降水試驗(yàn)，分析了車(chē)站基坑地下連續(xù)墻水平位移、地表和附近建筑物沉降情況。萬(wàn)昊等[2]提出了落底式止水帷幕條件下承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)的解析和數(shù)值計(jì)算方法，并結(jié)合武漢園林路地鐵站深基坑現(xiàn)場(chǎng)抽水連通試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了方法的正確性和可靠性。朱浪等[3]依托工程實(shí)例，對(duì)喀斯特地質(zhì)復(fù)雜施工環(huán)境深基坑內(nèi)無(wú)空間降水控制技術(shù)進(jìn)行了剖析。張龍保等[4]基于天津?yàn)l海某地鐵車(chē)站項(xiàng)目，提出了一種瀕海富水軟土地質(zhì)懸掛式止水帷幕深基坑管涌防治技術(shù)，為類(lèi)似工程管涌險(xiǎn)情的應(yīng)急處理提供了技術(shù)支撐。孫大朋等[5]提出了懸掛式止水帷幕條件下深基坑群井降水引起的地表沉降計(jì)算公式，并對(duì)止水帷幕插入比、基坑內(nèi)水頭降深、基坑半徑與承壓含水層厚度之比，對(duì)地表沉降值的影響做了探究。李忠寶等[6]依托徐州市某深基坑開(kāi)挖案例，開(kāi)展了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和數(shù)值模擬，研究了不同降水工況對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形及周?chē)孛娉两档挠绊懸?guī)律和機(jī)理。

本文依托西安地鐵8號(hào)線(xiàn)2標(biāo)段廣泰門(mén)站項(xiàng)目，通過(guò)有限元軟件建立地鐵車(chē)站基坑開(kāi)挖降水?dāng)?shù)值模型，分析基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中基坑周邊地表的沉降變形和圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移發(fā)展規(guī)律。本文的研究成果可為相似工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定的借鑒、指導(dǎo)意義。

1" "工程背景

1.1" "工程基本情況

本文依托西安地鐵8號(hào)線(xiàn)2標(biāo)段廣泰門(mén)站項(xiàng)目，該車(chē)站建筑面積23038m2，為地下三層島式站臺(tái)車(chē)站，基坑長(zhǎng)度約為193m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為24.5m，深度約為24.68m。采用明挖+局部暗挖的施工方式，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐，地下水處理采取坑外截水和坑內(nèi)降水相結(jié)合的方式。

車(chē)站位于廣運(yùn)潭大道大道和廣安路交叉路口以北，沿廣運(yùn)潭大道南北向布置。場(chǎng)地地勢(shì)東高西低，地面高程介于404.4～405.4m之間，場(chǎng)地地貌單元屬?zèng)汉尤?jí)階地。車(chē)站周邊主要為商業(yè)用地和住宅。交叉路口東南象限為西岸國(guó)際花園小區(qū)，西南象限為信迪汽修中心及中鐵二十局第六工程有限公司，西北象限現(xiàn)狀為空地。

1.2" "地質(zhì)狀況

本站場(chǎng)地地基土的組成自上而下為人工填土、粉質(zhì)黏土、中砂、中風(fēng)化巖層等。未發(fā)現(xiàn)溶洞等不良地質(zhì)條件，地下水位埋深在1.8～2.5m范圍區(qū)間。各土層參數(shù)如表1所示。

2" "有限元數(shù)值仿真模型建立

2.1" "模型簡(jiǎn)化和假定

在進(jìn)行有限元數(shù)值仿真模擬過(guò)程中，為了在不影響計(jì)算結(jié)果精度的前提下，提高計(jì)算效率，對(duì)模型做了一系列簡(jiǎn)化和假定[7-8]。

首先在模擬計(jì)算過(guò)程中，忽略了止水帷幕的強(qiáng)度影響，僅考慮到了止水帷幕的止水作用。其次，為了方便建模，基于等效剛度理論，將鉆孔灌注樁等效成了地下連續(xù)墻，厚度為0.5m。

2.2" "模型參數(shù)確定

本次地鐵車(chē)站深基坑部分實(shí)際長(zhǎng)度約為35.5m，寬度約為27.4m，開(kāi)挖深度為24.68m，考慮到邊界效應(yīng)，將模型幾何尺寸設(shè)為150m×140m×60m（長(zhǎng)×寬×高）。

采用修正的摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型模擬土體，采用線(xiàn)彈性模型模擬擋土墻和內(nèi)支撐，地下連續(xù)墻、止水帷幕以及各單元之間的接觸作用通過(guò)界面單元模擬[9-10]。圍護(hù)結(jié)構(gòu)模型輸入?yún)?shù)見(jiàn)表2。

2.3" "邊界條件設(shè)定與網(wǎng)絡(luò)劃分

邊界條件方面，將模型底部設(shè)為固定約束邊界條件，模型四周設(shè)為法向約束邊界條件，頂部設(shè)為自由約束條件。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)基坑支護(hù)周?chē)突痈浇乇砦恢锰庍M(jìn)行了局部的網(wǎng)格加密處理，共劃分出321985個(gè)10節(jié)點(diǎn)有限元網(wǎng)格。該模型的網(wǎng)格劃分情況如圖1所示。

3" "結(jié)果分析與討論

基坑采取分布降水與分步開(kāi)挖策略，開(kāi)挖方式為先挖后撐，共進(jìn)行了4次開(kāi)挖。

3.1" "基坑外地表沉降

3.1.1" "端頭井段地表沉降

圖2展示了端頭井段坑外地表沉降變化曲線(xiàn)。從圖2可以看出，隨著基坑降水與開(kāi)挖的進(jìn)行，坑外地表沉降峰值增加，且隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，地表沉降增加幅度也隨之增大。

從距基坑邊緣距離可以看出，同一工況下最大沉降出現(xiàn)在距基坑邊緣0～5m范圍內(nèi)。沉降達(dá)到峰值后，隨著距離的增加地表沉降逐漸下降，曲線(xiàn)呈現(xiàn)凹槽狀分布。深基坑降水與開(kāi)挖完畢后，端頭井段周?chē)乇碜畲蟪两颠_(dá)到了2.2mm。

3.1.2" "標(biāo)準(zhǔn)段坑外地表沉降

圖3展示了標(biāo)準(zhǔn)段坑外地表沉降變化情況。從圖3可以看出，基坑標(biāo)準(zhǔn)段外地表沉降變化亦呈現(xiàn)上文所述趨勢(shì)。但從數(shù)值而言，同一工況下標(biāo)準(zhǔn)段坑外的地表沉降數(shù)值均大于端頭井段?；娱_(kāi)挖完畢后，標(biāo)準(zhǔn)段地表沉降峰值達(dá)到了2.6mm。降水完成后，進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中不會(huì)再額外產(chǎn)生過(guò)多的沉降，甚至沉降會(huì)出現(xiàn)下降。分析認(rèn)為，由于在基坑分步開(kāi)挖過(guò)程中，還包括了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土支撐的施工，該施工對(duì)基坑起到了一定的加固作用。

基坑降水過(guò)程中，由于孔隙水壓力不斷下降，引起坑外土體有效應(yīng)力增加，同時(shí)由于降水引起的水頭差會(huì)產(chǎn)生滲透壓力，二者共同作用引起地表沉降增大。

3.2" "圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

3.2.1" "基坑拐角位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖4展示了基坑拐角位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的分布情況。從圖4可以看出，隨著基坑降水與開(kāi)挖的進(jìn)行，地下連續(xù)墻位移持續(xù)增加。第二次開(kāi)挖完成后，地下連續(xù)墻水平位移分布逐漸規(guī)律化，最大值出現(xiàn)在墻體中上部，曲線(xiàn)呈“鼓肚”狀。

與地表沉降不同，地下連續(xù)墻水平位移主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖階段，基坑降水對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響，遠(yuǎn)不及基坑開(kāi)挖造成的影響劇烈?；娱_(kāi)挖完成后，地下連續(xù)墻水平位移峰值達(dá)到了1.95mm。

3.2.2" "基坑中部位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移

圖5展示了基坑中部位置處圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的分布情況。從圖5可以看出，基坑中部地下連續(xù)墻水平位移亦呈現(xiàn)上文所述趨勢(shì)，即隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行水平位移逐漸增加，峰值出現(xiàn)在地下連續(xù)墻中上部。

從數(shù)值而言，基坑開(kāi)挖完畢后，基坑中部地下連續(xù)墻水平位移峰值約為1.54mm，較拐角位置處的地下連續(xù)墻水平位移下降了21%。

綜上所述，鑒于基坑拐角位置處地下連續(xù)墻水平位移，大于標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻水平位移變形，因此在實(shí)際工程中，必須采取必要的加固措施，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

4" "結(jié)束語(yǔ)

本文依托西安地鐵8號(hào)線(xiàn)2標(biāo)段廣泰門(mén)站項(xiàng)目，通過(guò)數(shù)值模擬手段，分析了透水砂層地鐵深基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中地表沉降和圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形規(guī)律。得出主要結(jié)論如下：

隨著基坑降水與開(kāi)挖的進(jìn)行，坑外地表沉降值增加，且隨著基坑開(kāi)挖深度的增大，地表沉降增加幅度也隨之增大。標(biāo)準(zhǔn)段外地表沉降要明顯大于端頭井段地表沉降?；娱_(kāi)挖完畢后，標(biāo)準(zhǔn)段地表沉降峰值達(dá)到了2.6mm。降水完成后，進(jìn)行開(kāi)挖過(guò)程中不會(huì)再額外產(chǎn)生過(guò)多的沉降。隨著基坑降水與開(kāi)挖的進(jìn)行，地下連續(xù)墻位移持續(xù)增加，最大值出現(xiàn)在墻體中上部，曲線(xiàn)呈“鼓肚”狀。地下連續(xù)墻水平位移主要發(fā)生在基坑開(kāi)挖階段，基坑降水對(duì)地下連續(xù)墻水平位移的影響，遠(yuǎn)不及基坑開(kāi)挖造成的影響劇烈。

基坑開(kāi)挖完畢后，基坑中部地下連續(xù)墻水平位移峰值約為1.54mm，較拐角位置處的地下連續(xù)墻水平位移下降了21%。鑒于基坑拐角位置處地下連續(xù)墻水平位移，大于標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻水平位移變形，因此在實(shí)際工程中，必須采取必要的加固措施，以降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 張軍，童剛強(qiáng).天津地鐵某車(chē)站基坑開(kāi)挖前降水試驗(yàn)研究[J].天津建設(shè)科技，2024，34（1）：8-11.

[2] 萬(wàn)昊，馮慶高，蔡兵華，等.落底式止水帷幕條件下承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)計(jì)算方法研究[J].安全與環(huán)境工程，2024，31（1）：57-66+74.

[3] 朱浪，孫小強(qiáng)，高濤.喀斯特地質(zhì)復(fù)雜施工環(huán)境深基坑內(nèi)無(wú)空間降水控制技術(shù)[J].云南水力發(fā)電，2024，40（1）：35-37.

[4] 張龍保，古漢卿，賈紅學(xué)，等.瀕海富水軟土地質(zhì)懸掛式止水帷幕深基坑管涌防治技術(shù)[J].施工技術(shù)（中英文），2024，53（1）：55-60.

[5] 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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2023，46（12）：1679-1684.

[6] 李忠寶，宗元春，王博.基坑降水及開(kāi)挖對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的影響[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2023（6）：19-24+42.

[7] 李飛.坑中坑開(kāi)挖對(duì)異形深基坑變形特性的影響[J/OL].鐵道建筑技術(shù)，1-4[2024-10-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.3368.TU.20240910.0921.002.html.

[8] 姬繁，施劭矗.深大基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)力學(xué)行為的溫度效應(yīng)分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2024，20（S1）：298-309.DOI：10.20174/j.JUSE.2024.S1.36.

[9] 顧正瑞，徐中華，宗露丹.軟土地層基坑群周邊地表沉降性狀研究[J/OL].施工技術(shù)（中英文），1-8[2024-10-07].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/10.1768.TU.20240820.1407.020.html.

[10] 王琦，陳緒新.復(fù)合地層深基坑逆作法施工結(jié)構(gòu)變形特征分析[J].城市道橋與防洪，2024，（08）：205-208+24.DOI：10.16799/j.cnki.csdqyfh.2024.08.048.

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