兰州某地铁车站深基坑降水对地表沉降的影响分析

2020-04-25杨校辉

甘肃科学学报 2020年2期

杨宏,柳勇,周勇,杨校辉

(1.中铁二十局集团市政工程有限公司,甘肃兰州 730020; 2.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; 3.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)

随着科学技术和人类文明的进步,城市化进程的不断加快,地面的有限空间已经不能满足人们的要求,城市拥堵日益严重,因此,地铁建设势在必行。兰州地铁1号线车站深基坑工程基坑底面均处于地下水位以下,在基坑开挖前需要将地下水位降至开挖面以下,保证基坑处于干燥的环境下施工[1]。基坑降水不仅可以有效的防止基坑坡面和基坑底面发生渗水[2],保证基坑处于干燥的环境下施工,还可以提高基坑的稳定性,避免基坑边坡及基坑底部的土颗粒流失,防止发生管涌和流沙现象[3]。但是基坑降水往往会诱发周围土体的变形和地表的沉降,对基坑和周围环境造成不利的影响,甚至出现基坑坍塌、周围构筑物倒塌、地下管线破裂等工程事故[4-5]。

针对地铁的开挖与降水,国内已有学者做了大量的研究,周勇等[6]以兰州地铁车站基坑支护工程为背景,分析了基坑开挖降水对地下管道的影响;柳利丽等[7]以某地铁车站深基坑降水工程为例,通过现场抽水试验确定了黄土地区基坑降水的影响半径及渗透系数,并总结了降水的施工工艺流程及基坑降水中应注意的问题;李炜明等[8]以武汉地铁某车站基坑工程为例,分析了短时强降水对地表沉降的影响,认为降水对基坑短边的影响较小,对长边的影响主要集中在基坑中部;杨卓等[9]以北京地铁朝阳门站深基坑工程为背景,采用有限元软件模拟了基坑降水对周围地表沉降的影响,并与实测数据对比分析,认为施工顺序对地表的沉降也有的影响。因此,研究将考虑渗流力产生的附加应力对地表沉降的影响,通过与规范计算对比分析,验证改进算法的合理性,分析不同监测点处地表沉降的变形规律,以及相同距离处地表沉降差异的原因,进一步对基坑降水引起地面沉降的变形规律和趋势,提出相应的治理措施,为以后类似工程做以借鉴。

1 理论计算

1.1 规范计算方法

目前国内大多依据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)[10]和《建筑深基坑工程施工安全技术规范》(JGJ311-2013)[11]2个规范,计算由工程降水诱发地表沉降,二者均以分层总和法为理论基础估算降水诱发的地表沉降量,即

(1)

其中:S为降水所诱发的地表总沉降量(m);Si为第i计算土层的沉降量(m);Δpi为第i计算土层由降水所诱发的附加应力(kPa);Ei为第i计算土层的压缩模量(kPa);Hi为第i计算土层的厚度(m)。

对于没有越流的潜水含水层,具体参加计算的地层范围为降水目标含水层及其以上地层。

1.2 考虑渗流力的计算方法

基坑降水使地下水产生运动,从而使降水井周围土体的渗流场与应力场发生改变。渗流力产生的附加应力使得失水土层固结压密,该附加应力方向与渗流力作用方向近似相同,最终使得土层发生竖向沉降和侧向变形。忽略群井效应的影响,基于裘布依假设,则降水后井周地下水位面的漏斗曲线方程为

(2)

根据分析,降水漏斗形成后,在曲线上下分为干土部分、疏干部分和饱和部分。降水前后S0区土体均位于水位线以上,可近似认为是干土区,始终不含地下水,降水过程中亦不会产生渗流力,不存在附加应力,忽略土体的压密,则S0=0;在整个降水历程中,S1区的土体被疏干,S2区的土体在降水前后均位于稳定地下水位面以下故而始终饱和,如图1所示。

图1 降水后疏干区及饱和区土层附加应力示意图Fig.1 Additional stress of soil layers in draining and saturated areas after dewatering

新算法区别规范算法,单独计算三部分土体各自的沉降量,其中疏干部分和饱和土部分考虑渗流力作用[12],由降水诱发的土层附加应力在数值上等于土体孔隙水压力的负增量,即

Δp=Δσ'=γw(h1-h2)。

(3)

对于疏干区,渗流力所在直线斜率与曲线上x0点的斜率相同,即

tanα=y′(x0)=

(4)

由几何关系可得

(5)

S1区土层由降水产生的附加应力在竖直方向的分量为

Δpiy疏干=Δpi·sinα=[γw·z+(1-χ)s]·sinα,

(6)

则由规范公式计算疏干区内土层的沉降量为

(7)

对于饱和区,sinα值与距抽水井相同距离处的疏干区相同,同理可得

Δpiy饱和=Δp′i·sinα=γw(H-y)·sinα。

(8)

降水后稳定水位面下S2区饱和土的沉降量为

(9)

其中:χ为非饱和土的有效应力参数;s为非饱和土基质吸力;x0为S点距井轴水平距离(m);z为计算土层中点至初始地下水位的垂直距离(m);y为计算点的稳定漏斗曲线高度(m),其公式为

(10)

综上所述,基坑降水所引发的井周地面总沉降量即为三块区域的土层产生的沉降量的总和,即

S=S0+S1+S2=S1+S2。

(11)

2 工程概况

2.1 基坑工程概况

兰州东方红广场地铁车站基坑工程主体长度743.1 m,标准段宽41.30 m,总高14.04 m,结构底板埋深约17.02 m,顶板覆土厚约2.87 m,基坑深度17.0～22.0 m,车站主体建筑面积6 0757.74 m2。围护结构采用钻孔咬合桩结构,车站分别在南北两侧各设4个出入口,在车站南北两侧设置4组风亭。

2.2 水文地质情况

表1 土的物理力学指标

2.3 降水方案设计

依据当地的降水经验及其地勘报告,采用管井井点降水加咬合桩止水帷幕加集水明排相结合的降水措施完成该工程降水任务。设计中取降水井设计降水深度为基坑底面以下2.0 m,考虑到设计降深较大,因此需要的一定长度的沉砂管,场地地下水为孔隙潜水类型,卵石层为主要含水层,且其平均厚度为12.0 m,井点外露高度1.0 m。计算模型采用潜水完整井,水位降深S=9 m,过滤器半径为0.15 m,含水层厚度H0=12 m(卵石层厚度平均值),渗透系数K=45 m/d,降水影响半径R=418.3 m,计算得到管井数65口。井径300 mm,井间距22～24 m,尽可能的隔绝周边水源的侧向补给。

2.3 监测点平面布置及沉降结果观测分析

各监测点平面布置如图2所示。

图2 监测点平面布置图Fig.2 Monitoring point plan

取8个不同监测点进行沉降结果分析,各监测点沉降量随时间的变化曲线如图3所示。

图3 各监测点沉降量随时间变化曲线Fig.3 Change curve of settlement over time at each monitoring point

从图3可以看出,随着地下水位的下降,各沉降量走势基本相同,最大沉降量为10.53 mm,沉降速率随降水的开展逐渐减小,但沉降依然增加,5月20日左右,由于部分降水井停止抽水,部分沉降出现较小的位移回弹,随着抽水的继续进行,沉降又逐渐增大,当降水达到水位标准时,沉降逐渐趋于稳定,基本在10 mm以内,满足相关规范的控制要求。

3 数值模拟和监测结果对比分析

3.1 数值模拟建立

采用大型岩土分析软件FLAC3D内置Extrusion建模,几何模型尺寸依据圣维南原理选取360 m×210 m×60 m,平面形状近似等效为1 m×1 m的矩形,最终单元数66 240,节点数71 589,限制模型4个侧壁的法向位移、底面的竖向位移,本构模型选取Mohr-Coulomb本构模型[13],几何模型如图4所示。

图4 三维几何模型Fig.4 3D geometry model

3.2 距坑边不同距离处沉降结果分析

通过前文提出的改进算法、规范算法及数值模拟,结合现场监测数据,得出了在该工程实例水文地质参数背景下的井周土体各沉降值对比图,如图5所示。

图5 距井轴不同距离地表沉降量计算值与监测值对比Fig.5 Comparison between the calculation value and the monitoring value of surface settlement at different distances from the well shaft

从几种计算结果来看,数值模拟、理论计算和现场监测变化趋势基本相同,距坑边越近地表沉降越大,且呈非线性增长,即距坑边越近,沉降增长越快[14]。由于未考虑时空效应、地面运动荷载及周边基坑工程的影响,数值模拟略小于现场检测值。规范法偏于保守,计算结果值偏大,考虑渗流力的计算方法仍然与实际监测值有一定的差距,但相比规范法更接近于现场监测值,即改进算法较合理。

3.3 距坑边不同距离处沉降结果分析

取距坑边15 m处10个不同的监测点的沉降结果分析,各监测点最大沉降量如图6所示。

图6 地表最大沉降量计算值与监测值对比Fig.6 Comparison between the calculation value and the monitoring value of the maximum surface settlement

结合改进算法、规范算法、数值模拟的计算结果,分析距坑一定距离处的最大沉降量。从图6可以看出,最大沉降量为9.28 mm,最小沉降量为4.21 mm,平均沉降量为6.066 mm。沉降最大点附近有荷载堆积,且受附近地面运动荷载影响[15]。数值模拟较接近于平均值,而由于基坑周围不可控因素,地表沉降与数值模拟仍有一定差距,而改进算法与规范算法依然大于最大沉降量,因而也验证了改进算法的合理性。