杭州地铁承压含水层基坑降水数值模拟分析①

沈 露， 张 俊， 吴 蓉， 罗 梦

(河海大学文天学院，安徽 马鞍山 243031)

0 引 言

地铁隧道开挖，车站、风井的修建以及其他设施的修建过程中都难免会遇到多层的、不同类型的地下水。地下承压水问题较复杂，需要引起足够的重视，如处理不好将会造成较大的工程隐患。当基坑底下存在承压水时，隔水顶板随着基坑深度的增加而减小，当隔水顶板的厚度减小至一定值时，其承压水所产生的水压力大于土体的自重力，便会冲破基坑底板的不透水层，产生突涌。

深基坑降水采用的是悬挂式止水帷幕加深井降水方案[1]，悬挂式帷幕对降水的影响需要结合三维渗流理论来解决问题，利用GMS软件中的MODFLOW模块进行数值模拟，经过多次试算得出合理的降水方案——悬挂式止水帷幕和深井降水结合。，与实际工程降水情况相吻合，可以满足基坑开挖的要求。

1 工程概况

杭州地铁1号线江陵路站临近钱塘江，深基坑开挖时由于该地区水文环境复杂，承压水埋深较浅，随着基坑开挖深度的逐步加大，承压水顶板的隔水层变薄，此种情况极易造成突涌风险。若不及时采取合理的降水方案，将对工程顺利施工产生重大影响。

由于研究区域施工隧洞在江南及江北风井处需要穿越砂性地层，而该土层具有较强的透水性能，且本地区地下水和钱塘江水系水力联系较大，加上承压水水头较高，这些因素无疑会加大盾构进洞地基加固的施工难度，在盾构进洞施工过程中，流砂和涌水的可能性陡增。

图1 模型三维剖分网格图

2 基坑降水数值模拟

2.1 三维渗流数学模型

结合研究区情况，连续墙穿过潜水层以及承压水隔水顶板进入承压水层[2]，但未到达隔水底板。连续墙把基坑内外承压水部分隔绝，基坑内部井点降低底部承压水水头，在降水过程中，地下水呈三维流态。属于吴林高等学者提出的第三类基坑降水墙-井作用模式，如图1所示，需要利用三维渗流来解决问题。

图2 承压水位降低后的效果图

减压降水分析由三维渗流理论，借助数值模拟软件GMS中的MODFLOW模块，结合实际工程情况提出减压降水布井方案。

地下水三维渗流数学模型如下：

(1)

式中：，Kxx，Kvv,Kzz为沿x，y，z各方向的渗透系数；W为单位体积流量；h为各时刻的水头值；Ss储水率；Γ1为第一类边界条件，Γ2为第二类边界条件，Ω为第三类边界条件；h0(x,y,z)为初始水位；nx，nv，nz为边界Γ2的外法线沿x，y，z轴方向单位矢量；q为Γ2上单位面积侧向补给量。

2.2 三维渗流数值分析

模型的概化如下：关于边界条件，上边界为素填土底部作为弱透水层边界，下边界为全风化泥质粉砂岩顶部作为隔水边界，且将四周的边界设置为定水头边界。由定水头边界应远离抽水井影响半径边界为原则，勘察报告中抽水试验的影响半径为239m，故模型边界为基坑各边界向外延伸400m，即平面尺寸为，经过多次模拟试算该尺寸满足计算要求。每层网格剖分个网格单元，纵向共分为五层，如图1所示。各层的渗透系数由实际地层并结合多次试算所得，如表1所示。

表1 模型各层对应渗透系数

通过数值模拟多次试算，当布置4口降压井按每天抽水2500来考虑[3]，每口井深均为52m进入圆砾层中，并且滤水管设置为6m。通过最终的模拟结果可得承压水可以满足降低13m的要求。如图2为承压水降低后的效果图，说明此降水降压方法可行。

江南风井(深基坑)的承压水降水方法是：悬挂式帷幕加深井降水，利用了三维渗流理论，并结合数值模拟软件GMS中的MODEFLOW模块，提出了基坑的降水降压方案，在实际施工中按照此方案达到了理想的降水效果[4]，降低承压水头17.82m(设计要求降深13m)保证了基坑开挖的安全。

3 结 论

考虑到降低承压水的降水难度及对环境的影响程度，江南风井可采用落入基岩的地下连续墙对坑壁进行支护止水或采用悬挂式地下连续墙，并辅以降水井进行基坑施工。后者的降水理论为三维渗流理论，按照达西定律增加路径及减小过水断面积[5]，在其他条件一定的情况下可以减小水量，即相同的降深可采用更少的井。前者的止水效果相对较好，但是要穿过15m厚的圆砾层，施工造价较高；后者施工难度稍小，成本相对低，止水效果略差于前者。综合考虑各方面因素，确定江南风井的降水方法为：悬挂式止水帷幕和深井降水结合。

[1] 丁春林. 软土地区承压水基坑突涌稳定计算法研究综述[J].地下空间与工程学报,2007,(2):147-152.

[2] 王建秀,郭太平,吴林高,等.深基坑降水中墙井作用机理及工程应用[J].地下空间与工程学报,2010,(3): 130-136.

[3] 成都勘测设计研究院.水电水利工程钻孔抽水试验规程[S].2005.

[4] 李培妍,宋福贵,宫全美,等.高承压水条件下地铁深基坑减压降水研究[J].华东交通大学学报,2012,(4): 44-49.

[5] 吴林高,姚迎.粘弹性越流含水层组三维渗流模型的数值解[J].同济大学学报(自然科学版),1995,(1):1-7.