基于止水帷幕的西安地铁某工程降水效果数值模拟分析

郭晓程 范新明

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西 西安 710018）

地铁建设活动中的深基坑工程引起的地表变形，主要源于水、土两个方面。即：含水层疏干导致土层固结变形以及基坑开挖引起土体应力释放与地层应力平衡状态改变，坑周产生应力差和剪应变，引起土层位移和地表变形。显然，考虑到地表沉降的区域性、缓变性特点，工程降水引起的区域性地表变形应该是地表沉降控制研究的关键。本文以西安地铁施工中的一典型工程为例，建立二维有限元模型，对基坑降水环境效应的耦合性状进行分析，探讨采用不同止水形式对地表沉降影响的规律。

表1 基坑内各土层性质表

1 工程概况

西安地铁某车站主体结构形式为地下三层，标准段底板埋深约为24m，拟采用明挖法施工。设3个出入口及1个预留出入口，出入口底板埋深约10m，出入口拟采用明挖顺筑法施工；车站主体基坑围护结构采用围护桩形式，基坑从南向北分段分层开挖。

1.1 工程水文、地质条件

根据地质勘察报告揭示，自上而下分析该场地地层条件，表层为以路基为主的人工填土；地下水位以上为具湿陷性3-1-1层新黄土，地下水位附近为性质较差的新黄土3-1-2层，其下为性质一般的3-2-2层古土壤及4-1-2层老黄土，再向下为物理力学性质较好且厚度、层位稳定的夹4-7层密实中砂的4-4层粉质黏土。该场地地面下40m深度内，各地层均连续分布，且成层厚度均匀，车站基坑范围内各个土层性质如表1。

该车站附近无地表水体，车站工程建设影响范围内为地下潜水。场地潜水赋存于上更新统残积古土壤、中更新世风积黄土和冲积粉质黏土及其砂夹层中。主要含水层为中更新统冲积粉质黏土1层中砂夹层，该层透水性好，赋水性强。地下水位在地面下8m左右，属潜水，车站各主体结构均位于地下水位以下。

1.2 基坑降水方案设计

图1 方案一（坑外降水）示意图

方案1：坑外降水，见图1。基坑开挖深度24米，基坑围护桩桩长31米，嵌固深度7米。降水井滤水管深度35米，与围护桩水平距离2.5米。

方案2：坑内降水，围护结构外加止水帷幕，见图2。基坑开挖深度24米，嵌固深度7米。基坑围护桩桩长31米，止水帷幕深度31米，降水井滤水管深度35米。此方案为工程实际采用方案。

2 模型建立

2.1 基本假定

图2 方案二（坑内降水）示意图

为了方便问题分析,掌握规律,本文作了以下假定:1）假定降水阶段土体的应力-应变关系符合弹性应力-应变关系；2）按平面应变问题考虑,井点、深井对称分布在基坑边；3）初始地下水位在地表；4）井点、深井降水前,土体在自重作用下固结已完成；5）埋设井点、深井引起土体应力和变形不予考虑,暂不考虑基坑开挖引起的变形。

2.2 计算区域确定

图3 计算基坑断面示意图

图4 有限元模型

图5 水位线计算分析

图6 各工况地表沉降分布

图7 水位线计算分析

图8 各工况地表沉降分布

计算深度取30m。降水影响半径以库萨金经验公式求得的最大降水影响半径和工程经验值为参考,并在实际建模中作调整。本文中取降水影响半径R=200m,即认为距离基坑边200m以外地表水位线不变化。在降水影响半径附近尽管水位下降值已趋向零,但由于不均匀沉降所产生的剪切变形会引起竖向沉降重新调整和向邻近土体扩散,即在沉降大的地方有所减小,小的地方有所增大,并随着距离的增大而逐步趋向于零。因此,沉降区的影响范围比水头下降区的范围大,但在降水影响半径一定距离以外,不论是绝对沉降量还是差异沉降量都已经相当小了。本文取离开基坑边距离200m处水平位移和竖直位移为零，见图3。

2.3 网格化分和边界条件

2.3.1 网格化分

采用有限元软件ABAQUS以非饱和土和非稳定渗流理论为基础，采用平面四边形单元（CPE4P单元），有限元网格化分见图4。计算区域各土层特性参数见表1。

2.3.2 位移边界条件

bc边为对称约束,即水平位移为零；ad边水平、竖直方向位移约束,即水平、竖直位移为零；ab边水平、竖直方向约束,即水平、竖向位移为零。

2.3.3 孔压、流量边界条件

e边为对称面,即流量为零；ab边不透水,即流量为零；井点管上部i点处为流量边界（流量大小按实际流量施加）,如果把其作为深井考虑,可考虑i点的孔压为零；dh边孔压为零。

3 计算结果与分析

3.1 降水方案一

图9 距坑壁10米处地表沉降曲线

图10 距坑壁20米处地表沉降曲线

采用方案一坑外降水。基坑开挖至24米时，分析计算出基坑外地下水位的变化规律，对计算所得的基坑外水位线随时间以及地表沉降进行了分析。水位变化与基坑距离关系见图5所示。

模拟基坑开挖至开挖深度8米、16米、24米时，地表沉降随基坑坑壁距离变化见图6所示。由图可知，未降水时，开挖对距离坑壁2h范围内地表有影响，在距基坑2h以外，沉降几乎为0。当在基坑外布置抽水井时，潜水区水位大范围下降，导致大面积地表变形。在距基坑3h范围内，沉降超过4mm，向靠近基坑方向线性增加，在距基坑壁8米处地表沉降最大，达到-28.9mm。在距基坑10h以外，地表沉降趋缓，但仍在很大范围内沉降超过2mm。

3.2 降水方案二

采用方案二坑内降水，旋喷止水帷幕深入到降水目的的含水层的底板内，坑内的含水层水位降低时，坑外潜水的水头变化微小。水位变化与基坑距离关系见图7所示。

模拟基坑开挖至开挖深度8米、16米、24米时，地表沉降随基坑坑壁距离变化见图8所示。由图可知，由于此种降水方式，止水帷幕深入降水目的的含水层的底板内，基坑内降水对坑外水位影响甚微，各工况地表变形主要由围护结构的变形引起。开挖对距离坑壁2h范围内地表有影响，最大沉降只有12.9mm。在基坑2h以外，沉降小于3mm。此种降水方式对地表沉降效果较好。

模拟各开挖工况下计算地表变形与实测变形比较见图9、图10所示。计算值与实测地表变形吻合较好，说明模型各参数选取符合实际，可以用来预测基坑开挖降水对更远范围的地标影响。

结语

以上计算结果表明，地铁深基坑施工过程中，止水形式对坑周地面沉降影响迥异。第一类渗流特征（方案一），坑外降水引起地面沉降范围较广，程度较大，距基坑坑壁2h处沉降量达11.2mm，在距坑壁2-11h范围内沉降量线性减小。第二类渗流特征（方案二），地表变形主要由围护结构自身变形引起，降水影响不明显，且地表变形主要集中在坑周2h（开挖深度）范围内，条件允许时应采用第二类止水措施。

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