兰州地铁湿陷性黄土深基坑在降低水位条件下的渗流稳定性分析

周　勇，王晓莉，朱彦鹏，高　升

(1.兰州理工大学 甘肃省土木工程防灾减灾重点实验室，甘肃 兰州　730050；2.兰州理工大学 西部土木工程防灾减灾教育部工程研究中心，甘肃 兰州　730050；3.中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安　710043)

随着城镇化进程的加快与地下空间开发利用的发展，基坑工程已经成为一个重要的研究课题。基坑的开挖深度越来越深，遇到的地下水问题也逐渐增多，基坑降低水位引起的地下水渗流对土体受力和变形有着不容忽视的影响，地下水控制已成为岩土工程中的又一大技术难点与热点[1]。

近年来，国内针对基坑的研究较多[2-9]，张勇等[10]利用非稳定井流理论和土力学基本原理，探讨了基坑降低水位设计中引起基坑周围地面沉降的预测方法；周念清等[11]采用三维有限差分法对基坑降低水位进行数值模拟，同时对基坑降低水位引起的地面沉降进行计算，分析了基坑降低水位施工对周边环境的影响；王超等[12]采用线性拟合控制图法对基坑监测数据进行动态分析并对深基坑桩锚支护体系的稳定性作出评价；陈兴贤等[13]采用有限元数值分析方法对深基坑降低水位三维变参数非稳定渗流地面沉降耦合模型进行求解，预测松散沉积层中深基坑降低水位引起地面沉降的变化特征；王建秀等[14]采用顶板逆回弹系数对由分层总和法计算的地表沉降进行修正；周勇等[15]通过有限元法及实际监测数据对兰州地铁1号线某车站基坑开挖降低水位过程中地下管道的位移进行分析，总结了管道的变形规律。前人对基坑降低水位引起地面沉降的预测方法、基本原理、基坑监测以及降低水位对地下管道的影响均有一定的研究，研究成果较为丰富，而目前关于地铁深基坑桩撑围护结构的全过程监测和降低水位渗流分析的研究较少。

兰州市地处湿陷性黄土地区，岩土体类型变化范围较大，水文地质条件特殊，该市某地铁车站的深基坑工程设计中首次采用桩撑支护体系。因此，本文以该工程为例，实时监测并分析湿陷性黄土深基坑围护结构变形、坑周地表沉降和降低水位；采用Midas Gts软件建立车站端头井的三维渗流应力耦合模型，分析车站深基坑在降低水位条件下的渗流稳定性，以及车站深基坑分阶段开挖过程中的围护结构变形、坑周地表沉降，并与实时监测数据进行对比分析，积累兰州地区地铁车站深基坑降低水位、分布开挖、钢支撑支护的施工经验。

1　工程概况

兰州某地铁车站的设计里程为YCK9+691.338—YCK9+908.080，全长216.742 m，标准段宽21.80 m(加宽段宽22.40 m)，总高19.49 m，结构底板埋深22.65 m，拟采用明挖顺做法施工。车站结构为地下3层；车站设置4个出入口，每侧各设置2个；车站右侧起点和终点处各设有3个风井。围护结构为钻孔灌注桩+钢支撑支护。

1.1　工程地质概况

该车站所在区域的地貌单元为黄河高漫滩，地形较平缓，地面高程约为1 526.26～1 529.39 m。在场地西南部存在水塘，塘底高程约为1 519.5 m，经人工改造塘底已填高约10.0 m。在地质勘测钻探深度内，从上往下地层依次为：人工填土、中砂、卵石1和卵石2。由于杂填土成分复杂，含有卵石、粉土、生活和建筑垃圾等，因此结构松散，工程性能差，渗透系数大，对基坑坑壁稳定和地面建筑地基稳定不利。根据地质勘测结果，车站场地地层自上而下划分为4层，各层的物理力学指标见表1。

表1　车站场地地层的物理力学指标

1.2　水文地质概况

该工程所在区域的气候属中温带半干旱大陆性季风气候，降雨量少，年平均降水量仅为293.5 mm。地下水类型属断陷盆地松散岩类孔隙潜水，主要赋存于卵石1和卵石2层中，是兰州市的主要水源地。区域内有大厚度砂卵砾石构成的含水层，最大厚度可达316.77 m。该砂卵砾石层大致可分为2层：上部为疏松的砂砾卵石，厚度约为150 m，含水量较为丰富；下部的砂砾卵石颗粒变细，且较密实。地下水位埋深为4.37～5.51 m，相应的地下水位高程为1 523.485～1 523.980 m。地下水位具有由南西向北东缓慢降低的趋势。地下水位高低的变化规律与季节变化同步，水位变化幅度一般为1.0～1.5 m，高水位期约有3个月(7月—9月)，季节性变化明显。

1.3　围护结构设计方案

对根据《建筑基坑支护技术规程》[16]和《兰州地铁1号线试验段工程技术要求》的相关规定：基坑安全等级按一级考虑，内力计算方法按增量法进行计算，地面超载取20 kPa。主体围护结构采用φ800@1 400钻孔灌注桩+钢支撑支护形式，桩间采用C20钢筋网喷混凝土，桩顶设置钢筋混凝土冠梁，截面宽×高(b×h)=0.8 m×0.8 m。基坑竖直方向采用3道钢支撑，第1道与第2道钢支撑的间距为4～6 m，第2道与第3道钢支撑的间距为2～3 m。钢支撑采用φ609钢管支撑，壁厚δ=16 mm，第1道钢支撑直接支撑于冠梁预埋件上，第2和第3道钢支撑支撑在钢围檩上。桩身混凝土强度等级为C30，桩护壁混凝土强度等级为C20；受力钢筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。

1.4　降低水位设计

针对该车站距离黄河较近，施工时又处于夏季，同时考虑兰州地区具有的水泵种类等因素，共设置降水井40眼，直径均为0.8 m；布设在主体结构围护桩的外缘，降水井中心距围护桩外缘3 m；在车站标准段，降水井的井深为30 m，间距为14～15 m；在车站端头，降水井的井深为35 m，间距为10～11 m。

基坑周边设置排水明沟，从降水井抽出的地下水通过场地两侧的排水明沟、沉淀池统一排放至场地外侧的排水沟内，然后再排入市政污水管道内。

2　基坑监测方案

基坑采用明挖顺作法施工，2014年8月3号开始降低水位。8月24日，基坑开挖深度为1.4 m，在ZL07处安装第1道钢支撑；9月15日，基坑开挖深度为6.9 m，在ZL07处安装第2道钢支撑；9月25日，基坑开挖深度为12.9 m，在ZL07处安装第3道钢支撑。基坑开挖深度H较大，周边环境复杂，所以从基坑边缘起至基坑外周围1.5H范围内为需要保护的环境。对该范围内的支撑体系、围护桩和周边环境进行监测，测点布置如图1所示，主要监测项目见表2。

图1　基坑监测点布置图

序号监测项目监测仪表测点位置测点间距测量精度允许值1桩体水平位移经纬仪、全站仪沿基坑长边设3～4个主测面(在围护桩上布设测点)，在基坑长短边的中点、基坑阳角(基坑突出来的部位)处增设测点基坑每边不少于3个10mm≤040%H或≤50mm2桩顶垂直位移水准仪同上同上10mm≤10mm3地下水位PVC管、电测水位计在基坑的四角及基坑的长短边中点处均增设测点间距20～40m，距围护结构外15～20m50mm4坑周地表沉降水准仪基坑四周距坑边10m范围内设2排，在工法变化部位增设测点排距30～50m点距5～10m10mm≤030%H5基坑底部隆起水准仪根据基坑长度在基坑中线处布设2～3个测点10mm50mm6支撑轴力轴力计、应变计在基坑内钢支撑端部布设，沿主体基坑长边支撑体系每1774m布设1个测点10～15m015%Fs(仪器测量的相对误差是满量程的015%)

3　监测数据分析

限于篇幅，在此仅选择桩体水平位移、坑周地表沉降、支撑轴力和地下水位的监测数据进行分析。

3.1　桩体水平位移

选取车站东侧端头井CX07，CX08和CX09这3根桩的桩体水平位移进行分析。桩体水平位移曲线如图2所示，其中正值表示桩体向外位移，负值表示桩体向内位移。由图2可知：桩体水平位移均呈现中间增幅大、两端增幅小的特征；在开挖过程中，围护桩呈现向坑内变形的弓形位移曲线；随着深基坑的开挖和钢支撑的施加，最大桩体水平位移发生的部位随之下移；在施加钢支撑后，桩体水平位移增加的速度有所减慢，说明钢支撑在一定程度上可以限制桩体的水平位移。

CX09桩，桩体呈前倾型变形，桩顶水平位移最大，并且随着深基坑开挖的深度增加，开挖面的暴露时间过长，桩体在3～16 m埋深范围内水平位移有显著的增加； 9月6日，桩体最大水平位移为14.07 mm，发生在深度10 m左右；9月16日，桩体最大水平位移增大到16.02 mm，发生部位下移至深度11 m左右；10月26日，桩体最大水平位移增加至28.09 mm，发生位置进一步下移到深度12 m附近；在此过程中，桩顶水平位移从0.09 mm增加到13.30 mm，深基坑底部处的桩体水平位移始终很小，说明围护桩5 m的嵌固深度满足要求。

3.2　坑周地表沉降

受到场地观测条件的限制，未能在坑周连续布点，只布设了3个地表沉降测点。DB15—DB17测点处坑周地表沉降随测量日期的变化曲线如图3所示，图中负值表示沉降。由图3可知：3个测点处的坑周地表沉降均不大，这是由于桩体与土体之间的相互作用控制了土体的变形；从深基坑开挖初始，地表则开始发生沉降，但量值非常小，仅为0.7 mm；随着深基坑开挖深度的增加，到9月30日基坑开挖至设计标高处时，DB15测点的坑周地表沉降增至17.9 mm，在此之后3个测点处的坑周地表沉降趋于稳定；最大坑周地表沉降发生在基坑边缘，在远离深基坑坑壁延伸方向，坑周地表沉降逐渐变小；总体坑周地表沉降小于地面最大沉降限值。

图2CX07，CX08和CX09桩在不同日期时桩体水平位移的变化曲线

图3　坑周地表沉降变化曲线

3.3　支撑轴力

选取ZL17处上、中、下3道支撑典型测点处的钢支撑轴力进行分析，其钢支撑轴力随测量日期的变化曲线如图4所示。由图4可知：8月24日第1道钢支撑轴力的初始值为470 kN，随着深基坑开挖，9月15日时钢支撑轴力增大到819 kN，这是由于深基坑开挖引起迎土侧土压力增大，而土体卸载，被动土压力减小，桩体产生向基坑内的变形，引起钢支撑轴力增大；9月13日到9月17日，第1道钢支撑轴力从741 kN下降到611 kN，这是由于第2道钢支撑分担了第1道钢支撑承受的侧压力；自9月25日起，随着第3道钢支撑的安装，第1和2道钢支撑的轴力趋于稳定并且保持在620 kN左右，期间轴力上下波动，可能是由于机械施工的停歇、温度的变化和土方开挖深度不一致等因素的影响；自10月23日第3道钢支撑拆除以后，第2道钢支撑轴力呈现明显增大的趋势，第1道钢支撑轴力缓慢减小，可能是因为深基坑开挖至设计标高，被动土压力较小，桩体底部位移向深基坑内侧发展，上部桩体产生向外侧的位移。

图4　支撑轴力变化曲线

3.4　深基坑开挖期间水位变化监测

选取SW07，SW08，SW09，SW10，SW11和SW12这6个典型水位监测点的数据进行分析，其水位变化量(水位变化量=本次水位-初始水位，“-”值代表水位降低)随时间的变化曲线如图5所示。由图5可知：深基坑在开挖前20天开始降低水位，即从8月3日深基坑开始降低水位到8月23日深基坑开挖时为止，地下水位降低了5 m左右；整个深基坑开挖期间，其中在8月23日至10月15日，水位下降趋势明显并保持在深基坑开挖面以下；以后水位降低趋于稳定并且保持在20 m左右；深基坑开挖期间地下水位波动较大，这是因为7月至9月是本地区的高水位期且恰逢雨季。因此，为保证深基坑的安全施工，又不至于过度降低水位造成地表沉降，故根据监测值有效控制水位降低是十分重要的。

图5　监测点水位变化量随时间的变化曲线

4　基坑开挖渗流模拟与分析

4.1　数值模型

对车站端头井建立三维渗流应力耦合的数值模型。在数值模型中，设置降低水位在深基坑开挖前20 d开始，在模型两侧施加初始水头边界(水头值28.0 m)，对于降水井采用节点总水头随时间变化的函数进行模拟。井中水头随时间变化的规律为：第0～20 d，水头从28 m降到20 m；第20～25 d，水头从20 m降到17 m；第25～30 d，水头从17 m降到14 m；第30～40 d，水头从14 m降到11 m；其后水头一直保持在井底；这与实际降低水位过程中使泵位始终保持在一定高度是一个道理。

在数值模型中，通过激活、钝化网格组实现围护结构的设置和深基坑开挖的过程。土体采用实体单元，围护桩、钢支撑、混凝土冠梁及腰梁等采用梁单元进行模拟，土体选用Mohr-Coulomb弹塑性屈服准则，围护桩和内撑采用线弹性本构模型进行模拟。模型四周设置法向约束，底面固定，表面为自由边界，无约束。由于深基坑周围施工器械和车辆作用荷载不确定，故根据工程经验，拟采用20 kPa作为深基坑四周的荷载。由此建立的有限元计算模型如图6所示，围护结构单元如图7所示。

图6　有限元计算模型

4.2　模拟工况

先计算深基坑开挖之前土体的初始渗流场和在自重作用下的初始地应力场，由于在深基坑开挖前地基变形已经稳定，因此将其位移清零，即将其在自重作用下的变形清除；再设置打入桩，施工过程中围护桩的变形不计入基坑开挖引起的深基坑变形。具体施工步骤见表3。

图7　围护结构单元

表3　深基坑开挖以及支撑支护步骤

4.3　降低水位渗流分析

选取第2步和第3步中的总水头和孔隙水压进行分析。总水头和孔隙水压如图8所示。

由图8可知：深基坑未开挖时，深基坑内外不存在水头差，压力水头是由外界的渗流压力产生的，水流保持平衡，孔隙水压力呈现水平分布，内外土体处于相对静止状态；随着深基坑的开挖，水平向孔隙水压力失衡，深基坑内外产生了水头差，导致深基坑发生渗流作用；在深基坑底部接近围护桩处，孔隙水压力由深基坑外侧到内侧，这是由于渗流作用使孔隙水压力逐渐变小；随着深基坑开挖深度的增加，深基坑内外水压力差增大，引起坑外向坑内的渗流。

在坑外降低地下水位，引起有效应力增加，进而加大了坑周地表的沉降。因此，降低水位过程中应密切关注坑周地表的沉降情况，避免深基坑事故的发生。

4.4　模拟结果与监测结果的对比分析

分别对考虑流固耦合、不考虑流固耦合进行数值模拟，并与实测结果进行对比分析。

1)桩体水平位移

模拟结果选取CX09桩第4施工步中的桩体水平位移，实测值选取10月26日(深基坑开挖至设计标高，此时桩体水平位移最大)CX09桩处的桩体水平位移，三者的对比曲线如图9所示。

图8　总水头和孔隙水压的云图

由图9可知：有、无考虑降低水位的桩体水平位移变化趋势较为相似，总体上，考虑降低水位作用时的桩体水平位移明显大于忽略地下水作用的情况，并且比监测值大，有、无考虑水位降低条件的模拟值最大相差33%，这是因为深基坑降低水位时，水流对土骨架产生影响，导致桩体水平位移增大；实测的最大位移位于二者之间，说明考虑渗流的模拟结果可较好地反映深基坑四周土体的变形情况，不考虑渗流作用的模拟值偏于不安全，与冯怀平等[17]所得不考虑水位降低情况下渗流作用的结果远小于实测值的结论相吻合；模拟位移曲线与实测位移曲线的变化不完全一致，这是由于施工过程中基坑周围环境复杂，加之可变荷载、工程机械和时间效应等的影响，而现有的数值模拟方法又不能考虑周全而导致的。

图9　桩体水平位移模拟结果与实测值的对比分析

2)坑周地表沉降

实测值取仅有的3个观测点的坑周地表沉降的平均值，考虑流固耦合和不考虑流固耦合的模拟结果均取距深基坑边不同距离处的坑周地表沉降值，三者对比曲线如图10所示。由图10可知：实测值与模拟结果较为相近，考虑地下水影响的结果与实测值更为接近，二者最大误差为6%；考虑地下水影响的结果比不考虑时增大28%，最大沉降量为19.6 mm，与梅源等[18]统计的湿陷性黄土深基坑地表最大竖向变形主要集中在0.65～2倍的围护桩最大侧向变形范围内吻合，这是因为工程降低水位使土体的孔隙水压力降低，土体固结，产生沉降；由于地下水的抽取形成抽水漏斗，其地下水源的补给，使坑周地表沉降整体呈现抛物线形；距离深基坑边缘50 m以外依然有沉降发生，最大沉降范围在距桩体20 m以内。

图10　基坑坑周地表沉降

3)深基坑底部隆起

数值模拟的深基坑底部隆起量曲线图如图11所示。由图11可知：无论是否考虑地下水的影响，深基坑底部隆起曲线均呈现相似的变形规律，即在深基坑对称面上坑底隆起最大，在深基坑坑底围护桩附近坑底两侧底部隆起最小，且沿坑底两侧向中心增大，此处曲率最大。这是因为坑底隆起是由深基坑开挖卸载回弹引起的，而围护桩与土体作用产生的摩阻力又减小了围护桩附近的坑底隆起。

图11　深基坑底部隆起曲线

5　结　论

(1)在考虑水位降低条件下进行深基坑开挖，桩体变形表现出中间增幅大，两端增幅小的特征，

最大水平位移点在开挖面附近。随着开挖深度的增加，桩体受到的主动土压力增加，被动土压力减小，并且开挖的深度越大，桩体水平位移越大，最大值出现在深基坑开挖深度的1/2至2/3处。

(2)监测结果表明，钢支撑的拆除对相邻钢支撑的轴力有较大影响。因此为防止由于支撑轴力的突然增大而引发深基坑破坏，应合理设计拆除方案，时刻关注支撑拆除对邻近支撑轴力的影响，降低由此引发的危险。

(3)孔隙水压力在深基坑底部围护桩附近呈现由坑内向坑外增大趋势。在深基坑内侧降低水位可减小渗透水压力对围护结构的影响，增强结构稳定性；在深基坑外侧降低水位则会导致有效应力增加，加大地面沉降。

(4)数值模拟结果与现场监测结果较为接近，有、无考虑水位降低条件的坑周地表沉降和坑底隆起曲线大致相同，但考虑水位降低条件下的桩体水平位移模拟结果较大；说明考虑深基坑降低水位作用使模拟结果偏于安全。

(5)采用钻孔灌注桩加钢支撑这种支护方案可有效地控制桩体水平位移及坑周地表沉降，实测的最大桩体水平位移在25～33 mm之间，小于50 mm的允许值，此支护类型适用于兰州这样地处湿陷性黄土地区的类似地铁深基坑工程的施工。

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