地铁车站深基坑工程降水施工技术的数值模拟分析

胡世亮 （上海城建市政工程（集团）有限公司，上海200032）

1 引言

近年来，地铁工程的建设速度不断加快，地铁车站深基坑开挖前通过合理的降水手段解决地下水位过高、地表水量过大等问题是保障基坑顺利开挖的重要措施[1]。常用的基坑工程降水方法主要有明沟排水技术、轻型井点抽水技术、管井井点降水技术以及喷射井点降水技术等[2]。但在降水设计及施工过程控制方面，为满足深基坑的开挖要求，难免会出现需根据抽水试验结果调整降水方案的情况。另外，对于基坑内含有2层承压水的典型地质构造，若增加井点数量则会提高工程费用，并且地铁车站深基坑内空间有限，过多的井点管将会影响挖土效率。

因此，利用专业软件对深基坑降水工程进行数值模拟，实现可视化是工程建设的发展趋势之一，其中VisualMODFLOW[3]是目前国际上流行且被多国认可的地下水流模拟可视化专业软件系统[4]，它实现了概念模型和数值模型的无缝转化，具备强大的可视化功能。

2 工程概况

2.1 车站概况

本工程地铁车站深基坑位于南京市江宁区，车站为地下两层岛式车站，标准段宽度20.1m，总长246.4m，底板埋深16.79m。主体围护结构采用Φ1000@1200钻孔灌注桩+Φ850@600三轴搅拌桩止水帷幕结合内支撑，采用明挖顺作法施工，基坑开挖深度最深处达20.3m，基坑总面积约5689m2，周长560m。场地环境平整开阔，站位周边为已拆迁区，规划商办混合、市政公用设施用地，无地下管线分布，基坑安全等级为一级。

2.2 水文地质情况

2.2.1 地质概况

拟建场地地貌单元为秦淮河漫滩冲积平原，基坑范围内自上而下地层分布依次为①-2素填土、②-1b2粉质黏土、②-1c3黏质粉土、②-2b4+c3淤泥质粉质黏土夹粉土、③-2b2粉质黏土、③-2b2+c3粉质黏土夹黏质粉土、③-4e含卵砾石粉质黏土、K1g-2强风化泥岩、泥质砂岩、砂岩和K1g-3中风化泥岩、泥质砂岩、砂岩。典型地质剖面图如下图所示。

2.2.2 水文情况

场地范围内地下水有孔隙潜水和承压水，其中潜水含水层为①-2层素填土，水位埋深为地面下0.3～1.0m左右。

承压水水位埋深为地面下1.0～3.5m左右，水位标高约4.7～5.3m，含水层主要为②-1c3层黏质粉土、②-2b4+c3层淤泥质粉质黏土夹粉土、③-2b2+c3层粉质黏土夹黏质粉土、③-4e层含卵砾石粉质黏土，隔水层顶板为微透水的②-1b2层粉质黏土，隔水底板为下伏岩层。范围内微透水的③-2b2层粉质黏土将承压水分为上下段，上段含水层为②-1c3层黏质粉土、②-2b4+c3层淤泥质粉质黏土夹粉土，下段含水层为③-2b2+c3层粉质黏土夹黏质粉土、③-4e层含卵砾石粉质黏土。区域范围内上下段承压水贯通。

基坑开挖涉及的承压含水层分为上下2个承压含水层，均被围护结构隔断，其中下部含水层和基岩裂隙水相通。

各土层室内渗透系数及透水性评价表 表2

3 数值模拟

通过对基坑突涌稳定性安全验算，基坑开挖过程中须及时对下部承压水采取有效的减压降水措施，防止突涌破坏。为有效降低和控制承压含水层的水头，结合场地的工程地质与水文地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，采用VisualMODFLOW软件进行数值模拟计算。

3.1 概念模型

设定减压降水目标层为③-2b2+c3层粉质黏土夹黏质粉土、③-4e层含卵砾石粉质黏土、k1g-2强风化泥岩。考虑到降水过程中，上覆潜水含水层、上部承压水将与下伏承压含水层组之间将发生一定的水力联系，因此，将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。

3.2 边界条件

为克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源、汇项。计算以整个基坑四周最远边界点为起点，向外扩展约600m～700m，即实际计算平面尺寸为1500×1000m2，四周均按定水头边界处理。

3.3 渗流模型建立

以基坑为中心，边界设置在降水井影响半径以外。依据该原则将区域进行剖分，水平方向将水文地质概念模型剖分285行、386列。网格立体剖分及模型地层剖面图分别如图2和图3所示。

图2 网格立体剖分图

图3 模型地层剖面图

3.4 计算分析

假定第③-2b2+c3层、第③-4e层、k1g-2微承压水水位埋深1.00m，模型中围护结构深度简化为27.0m、30.0m，减压降水深井运行时，考虑围护结构隔水效果及群井效应因素，随着降水井运行时间加长，单井涌水量平均5～8m3/h。基坑内降压井布置26口，井深26m，考虑本工程基坑上部分布浅层承压水，故井管结构采用双滤头形式（图4），且计算时将该层承压水概化为疏干降水。

图4 井管结构剖面图

根据以上条件通过模拟计算获得的预测水位降深等值线和预测水位埋深等值线分别如图5和图6所示。

图5 基坑降水运行后预测水位降深等值线图（单位：m）

图6 基坑降水运行后预测水位埋深等值线图（单位：m）

通过图5和图6可知，基坑降水运行后坑内水位降深约为20.5m左右，云图显示坑内降水未对坑外水位产生明显的影响，即坑内外未见明显的水力联系。降水运行后坑内水位埋深稳定在-23m～-25m，坑外水位埋深为-7.9m～-8.9m。坑内水位埋深的范围波动是由于地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性。

基坑抽水运行过程中选择3口坑内降水井进行观测记录，得到的水位-时间曲线如下图（图7）所示。

图7 坑内观测井水位-埋深曲线

图7表明，基坑抽水运行后水位降深约为19m～20m，与数值模拟计算结果基本保持一致，抽水后坑内水位埋深约为23m左右，与计算结果相差1m～2m，这是因为地下含水层分布广、厚度大，地质情况复杂，实际抽水过程中地下水的连通性所致，同时不排除止水帷幕局部渗漏导致的水位补给影响。

对于基坑工程本身而言，数值模拟的计算结果和现场抽水试验结果均证明抽水后坑内水位可满足坑底局部最大挖深下方1m以上的要求，且数值模拟和现场抽水试验结果体现出较好的吻合性。

4 结论

①对于基坑四周连续封闭隔断、地质构造内分布2层承压水的深基坑降水井管可采用双滤头构造形式，降水效果可满足基坑开挖要求，且可减少井点的数量，不影响基坑挖土。

②利用VisualMODFLOW软件对地铁车站深基坑进行降水数值模拟能较为直观的揭露地下水的渗流特征，方法可行，计算结果准确，并且通过与抽水试验结果的对比可侧面反映止水帷幕的施工质量问题。

③深基坑工程降水是一个非常复杂的课题，基坑围护结构施工过程中应重视施工过程及质量管理，减少围护结构渗漏，对于保障基坑开挖安全、工程降水研究以及验证数值模拟结果的准确性等方面均具有重要意义。