朝阳站富水砂卵石层施工动态降水控制技术研究

娄平，赵星, 2，汤卓，倪志国，唐治，陈杰欣，李卓，徐庆元



朝阳站富水砂卵石层施工动态降水控制技术研究

娄平1，赵星1, 2，汤卓3，倪志国3，唐治3，陈杰欣3，李卓3，徐庆元1

(1. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430063；3. 中建五局土木工程有限公司，湖南 长沙 410004)

以长沙地铁5号线朝阳站为工程背景，对车站工程地质和水文条件，采用理论分析、数值模拟等方法对富水砂卵地层条件下基坑动态降水控制技术进行研究。通过确定降水方法，明确降水过程中地下水位动态水文变化过程排水量的计算公式；得到3个降水阶段基坑降水进入稳定的时间、地表沉降达到稳定需要的时间以及最后的沉降值。

富水砂卵地层；基坑降水；数值模拟；动态控制

随着中国城镇化建设的持续推进，城市人口的不断增加，人口密度逐渐增大，现有的地面交通体系已经不足以满足人们的出行要求，地铁凭借舒适、快速、便捷、环保、安全、运量大和运输效率高等特性，成为城市交通追求的重点目标。地铁施工过程中，富水砂卵地层在我国大多数城市不可避免会遇到，该地层易液化、无黏聚力以及压缩性小等特点，是工程界的一大技术难题[1]。富水砂层进行暗挖施工时，砂性土稳定性差、大断面洞室开挖自稳能力差，暗挖段开挖后，水会迅速从工作面渗出，岩层软化，容易发生涌砂，塌方以及涌水等工程灾害，造成塌陷破坏路面并导致行车事故[2−3]；明挖施工时，施工过程中渗漏水会带走土中的粉细颗粒，导致水土流失严重引起涌水以及涌砂，进而地面沉降过大，危及附近建筑物和地下管线安 全[4−5]。我国在富水砂卵地层建设地铁时间较短，施工技术和工程经验都比较欠缺。降水措施不当是导致富水砂卵地层发生事故的主要原因之一[6−7]，如对北京地铁10号线22标的基坑的富水砂卵地层采用暗挖降水施工，不当的降水措施导致基坑坍塌大面积达到400多m2。以长沙地铁5号线一期工程朝阳站为工程背景，对其开展富水砂卵石层施工动态降水控制技术研究，提出合理有效的降水方案，对于保证施工安全，缩短工期，降低工程造价具有十分重要的意义。

1 朝阳站地下水分布概况

朝阳站场地地貌单元主要为浏阳河的Ⅱ~Ⅲ级冲积阶地，地面标高约为37 m，地形起伏不大。由现场勘察资料表明，拟建场地主要地层为填土、第四系上更新统的冲积粉质黏土以及砂卵石层。基坑工程中地下水一般按照含水层性质和地下水埋藏条件来划分。朝阳站场地地下水具体分类如表1 所示。

表1 朝阳站地下水分布表

2 朝阳站降水方案

2.1 朝阳站基坑计算涌水量

根据井点降水理论，对于承压完整井，由达西渗透定律以及裘布依降水理论，承压井涌水流量与降水成正比，−为直线关系曲线，因此对朝阳站实际工程项目，按照项目范围及工期长度，采取实践公式进行基坑总降水量计算，其值按式(1)进行估算：

2.2 降水井的设计

朝阳站基坑开挖面积为9 838.71 m2，本工程采用管井降水施工，单井的影响面积约165 m2，经计算拟采用60口管井降水。井径为650 mm，井深为22.5 m，降水井采用桥式滤水管，外包一层50目的尼龙网，滤水管直径与井壁管直径相同，均为250 mm，滤水管底部设置长度为1.00 m的沉淀管。另外，基坑外拟布置8口观测井，如图1所示。

图1 基坑降水井和观测井设计平面图

3 降水动态控制

3.1 单井降水井排水量的计算方法

由裘布依公式理论分析，降水井在降水后周边形成降水漏斗曲线，从水位1降至水位2，1和2以地面为基准测量，均为负值，2条曲线之间的面积为增加的降水漏斗曲线之间的排水量[8]，如图2所示。

图2 单井漏斗曲线

式中：1为水位从1降至2所需要增加的排水量，m3；r为抽水井半径，m；为承压含水层厚度，m；为水位降深，m；为抽水井估算影响半径，m；为渗透系数，m3/d；

由式(2)计算得到从1降至2所需要增加的降水井的总排水量，对于实际工程而言，降至目标水位需要一段时间完成，因此水位下降过程中每天排水量为

式中：Q为水位下降过程每天的排水量；降水 天数。

3.2 基坑外的井群水位排水量的计算方法

计算基坑外井群水位的排水量，降水井内的水位从1降至2所需要增加的排水量可用式(4) 计算[9]

施工中车站基坑开挖水位控制在开挖面以下1 m，根据施工进程实现对地下水水位动态的控制，降低总排水，达到施工的要求。采用承压完整井的理论公式，计算降深区间[S,S]进行积分得到基坑外井群的排水量。

降水过程中降水井群计算总排水量

式中：为降水井群计算总排水量。

表2 计算结果汇总

4 动态降水数值模拟

利用MIDAS软件对朝阳站基坑施工动态降水进行数值模拟，根据渗流模型和土体变形模型结合形式不同，沉降模型和地下水模型分别采用完全耦合和真三维模型[10−12]。

模型长度取635.3 m，宽度取300 m，深度取45 m，轴为模型长度方向，轴为模型宽度方向，轴为模型深度方向，如图3所示。模型认为基坑降水地下水运动对水头边界影响可以忽略[13−15]。

图3 基坑CAD模型

模型共1 529 811个三维实体单元，1 025 177个节点，模型如图4所示。

图4 MIDAS基坑模型

简化后模型地质条件为：埋深0~3.5 m范围内地层为素填土，埋深3.5~8.3 m范围内地层为粉质黏土，8.3~16.2 m范围内地层为圆砾，16.2~45 m范围内的地层为风化砾岩。

围岩及支护结构计算参数见表3。

表3 数值模拟计算参数

朝阳站工程施工及降水分多个阶段进行控制。第1阶段基坑开挖至设计标高30.5 m处(水位控制标高为29.5 m，地表下7.5 m)，第2阶段基坑开挖至设计标高24.5 m处(水位控制标高为23.5 m，地表下13.5 m)，第3阶段基坑开挖至设计标高19.8m处(水位控制标高为18.8 m，地表下18.2 m)。

对该模型取3个剖面，即垂直轴的剖面1(=−301.14)，反映基坑外地层的地下水位及沉降变化情况；垂直轴的剖面2(=−238.12)，反映基坑主体与基坑外沿段交界面的地下水位及沉降变化情况；垂直轴的剖面3(=0)；反映基坑主体中心的地下水位及沉降变化情况，得到3个剖面的地下水位和沉降变化。并取3个剖面与轴线的相交点分别设为，和3点，如图3所示。

4.1 水位变化

为节约篇幅，仅画出基坑开挖剖面3第3个阶段的水位曲线图，如图5所示，图中纵坐标以地表值为0，由图5可知：

1) 剖面3地下水位基本呈曲线槽分布，基坑所在范围的地下水位比基坑外低，这是由降水井对基坑降水所致；

2) 施工3个阶段降水均能满足施工安全要求。

图5 剖面3水位曲线(第3阶段)

图6 C点水位时程曲线图(第1阶段)

图6~8为基坑开挖剖面3中的3个阶段点处水位时程曲线，由图6~8可知：

1) 施工第1阶段降水时间为4 d，地下水位随降水时间的增加不断下降，但下降的速率不断变小，变化的幅度不断减小，说明降水井抽水导致的渗流从不稳定状态逐渐变成稳定状态；

2) 施工第2阶段明挖段降水大约在2 d后，地下水位达到基本稳定状态，动态降水基本完成。

3) 施工第3阶段水位达到稳定状态变化幅度很小，达到基坑施工的技术要求。

图7 C点水位时程曲线(第2阶段)

4.2 基坑沉降

图9~11为3个剖面在施工3个阶段的沉降曲线，图12为3个剖面，和3处地表沉降曲线。

由图9~11可知：

1) 地表沉降沿剖面中心基本呈对称分布；

图8 C点水位时程曲线(第3阶段)

图9 剖面1在3个阶段沉降曲线

图10 剖面2在3个阶段沉降曲线

图11 剖面3在3个阶段沉降曲线

图12 A，B和C处地表沉降时程曲线

2) 剖面1的地表最大累积沉降量为2.44 mm，位于剖面中心处；剖面2的地表最大累积沉降量为7.85 mm，位于轴坐标27.57 m的位置处；剖面3的地表最大累积沉降量为10.79 mm，位于轴坐标28.27 m的位置处。对比3个剖面的最大累积沉降量，剖面1的最小，这是由于该剖面位于基坑外部所致；另外，3个剖面的沉降量值表明距离基坑开挖中心越远其值越小；

3)，和3处地表沉降量随着降水时间的不断增加，地表沉降逐渐增加但变化幅值逐渐变小；降水进行7 d以后沉降基本没有变化，到达稳定状态。

5 结论

1) 结合当地的地质水文条件，并充分考虑现场施工条件和经济效益，确定朝阳站基坑开挖降水采取管井井点降水方法。

2) 基于地下水渗流的基本理论，针对实际的施工方法和条件，明确了考虑降水过程中地下水位动态水文变化过程排水量的计算公式。

3) 基坑采取分阶段开挖同时分阶段降水控制，3个阶段地下水位基本呈曲线槽分布，基坑范围内水位低而边界的水位高；第3阶段水位达到稳定状态，各点变化幅度很小，达到基坑施工的技术要求。

4) 朝阳站基坑降水约7 d进入稳定期。

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Study on dynamic dewatering control technology for water-rich sandy gravel layer in Chaoyang station

LOU Ping1, ZHAO Xing1, 2, TANG Zhuo3, NI Zhiguo3, TANG Zhi3, CHEN Jiexin3, LI Zhuo3, XU Qingyuan1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China; 2. Civil Engineering Co., Ltd., China Construction Five Bureau, Changsha 410004, China)

The Chaoyang station in the 5th line of Changsha subway is taken as engineering background. Considering the station engineering geological and hydrological conditions, the dynamic dewatering control technologies for the water-rich sandy gravel layer of foundation ditch were studied by using theory analysis, field test and numerical simulation methods. The drawdown method was determined, the formula for calculating the displacement of groundwater level considering drawdown process was definited, and the stability time of foundation ditch at three drawdown stages of foundation, the time to reach steady and the final settlement value for surface subsidence were obtained.

water-rich sandy gravel layer; foundation ditch dewatering; numerical simulation; dynamic control

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.02.023

U231+.4

A

1672 − 7029(2019)02 − 0457 − 07

2018−02−07

中国建筑第五工程局有限公司科技资助项目(2017tm002)；中南大学研究生自主探索创新资助项目(2017zzts760)

娄平(1968−)，男，湖南浏阳人，教授，博士，从事铁道工程方面研究；E−mail：pinglou@csu.edu.cn

(编辑 蒋学东)