地铁车站深基坑微承压水—潜水交换特征研究

陶 东 军

(苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215004)

1 概述

随着我国经济发展，城市规模越来越壮大，城市人口聚集规模呈现几何式增长，现有的城市道路已经很难满足城市人口出行需求[1]。轨道交通作为集约式交通运输工具，绿色节能，通行效率高，随着城市规模的发展，轨道交通成为重要的公共交通工具[2]。由于轨道交通建设工程分布于城市人员、建筑集中地区，如何在建设中保证场地周边人员与建筑安全，是轨道交通建设中的重要问题[3]。

长江中下游地区作为我国最发达地区，城市建筑密集，人口稠密，轨道交通需求旺盛。而长江三角洲地区属于冲积平原，土层以第四纪松散堆积物为主，土层空隙较大且地下水位较高，潜水、微承压水与承压水等多种地下水形式互联互通[4]，形成交叉网状体系，在轨道交通建设，特别在地铁车站中深基坑开挖与基坑监测中地面沉降是重要的控制因素[5]。

Terzaghi为解决饱和土体渗透固结时的变形，通过建立饱和土体一维固结模型，得到了饱和土体沉降的一维固结理论。该理论以饱和土为研究对象，给出了饱和土渗透固结的变形规律。一维土体固结理论由于简单方便且不确定参数较少，经过经验性处理所得的相应解能够满足工程应用，在深基坑降水计算方法中得到了广泛的应用[6]。但Terzaghi理论中忽视了土的三维受力的现实特征，为解决孔隙压力消散与土骨架变形相互关系的Biot提出Bio固结方程，用以反映孔隙水压力与土体变形之间的关系[6]。基于上述两种理论，在深基坑降水中形成较为多样的地面沉降计算方法，如渗流场简化模糊计算法、利用抽水试验的线性拟合估算法、弹性理论计算法与水力参数计算法等[7]。

本文基于长江三角洲地区土层与地下水特征，利用多孔介质下地下水流动三维模型[7,8]，建立砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型，利用微承压水—潜水流动方程，得出了相应深基坑的地面沉降，为砂土环境下微承压水—潜水特征的深基坑沉降控制提供了相应的理论支撑。

2 理论分析

研究基于弹性理论计算法，认为降水过程中含水层的压缩量分为弹性压缩与非弹性压缩，其中弹性压缩量与降水水头变化成正比，非弹性压缩量与降水水头差值成正比，在此基础上形成储水系数与地下水量耦合，故在砂土环境下，地下水流动的三维偏微分方程[9,10]为：

(1)

其中，kxx,kyy,kzz指土体分别沿x,y,z坐标轴方向的渗透系数；h为土体内点(x，y，z)在t时刻水头值；W为源汇项；SS为点(x，y，z)处的储水率；t为时间。

计算含水层的沉降模型方程为：

Δb=-qi·Δt·A

(2)

其中：

(3)

基于抽水试验下，监测井的出水能力监测，可以得到深基坑开挖现场原状土的渗透系数K：

(4)

其中，Q为抽水试验下，监测井单井的流量；r为监测井半径值；l为有效过滤器长度。

得出砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型：

(5)

(6)

h(x,y,z,t)|t=t0=h0(x,y,z)

(7)

H(x,y,z,t)|Γ1=H(x,y,z,t)

(8)

其中，kxx,kyy,kzz指土体分别沿x,y,z坐标轴方向的渗透系数；h为土体内点(x，y，z)在t时刻水头值；W为源汇项(含井)；Sy为给水度；B为潜水含水层层厚；h0(x，y，z)点(x，y，z)处的初始水位nx,ny,nz为点的外点(x，y，z)处边界面法线沿x，y，z轴方向单位矢量;q为点的外点(x，y，z)处边界面上单位面积的侧向补给量。

3 试验方案

3.1 工程概况

试验选取长江中下游某城市地铁地下车站深基坑为研究对象，该基坑采用地下连续墙内支撑的围护方案，车站(如图1所示)采用明挖法施工，标准段开挖深度约为16.44 m～16.75 m，南部端头井开挖深度约18.20 m，北部端头井开挖深度约18.48 m。

该地铁车站底板与地下连续墙位于粉砂夹粉土层，其具体土体物理性质如表1所示。

表1 地铁车站土体物理性质

3.2 试验方案

试验针对现场情况，在地勘阶段中参考GB 50307—2012城市轨道交通岩土工程勘察规范中勘察点选取原则进行抽水试验井点位置选择并通过抽水试验来确定基坑纵横向渗透系数。

研究基于车站主体基坑距离周边建(构)筑物较远，针对地铁车站主体工程深基坑条状特征在围挡范围内均匀布置沉降监测点，以观测地铁车站深基坑沉降规律，沉降观测方法参照GB 50026—2007工程测量规范。同时在沉降监测点附近均匀布置相应的水位观测井，以验证降水水位变化对周围环境水位的影响，其观测方法参照GB 50307—2012城市轨道交通岩土工程勘察规范进行。整体监测点布测方案如图2所示。

试验由于考虑潜水与微承压水互相联通，由于承压水对基坑安全风险存在较大影响，因此虽然坑内疏干降水时已经将坑内整体水位降低至底板下1 m，但是为了保证基坑安全，在基坑内两个端头和标准段各布置一口承压水观测井，在基坑开挖时随时观测坑内承压水水位的变化，保证承压水水头标高控制在安全水位以下。

4 成果与分析

研究基于利用砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型，利用MODFLOW进行相应分析。模型在水平方向上采用非等距矩形网格，其中在基坑开挖区域附近网格加密，非加密区面积约为(50×50)m2，加密区的面积为(1×1)m2；基坑共剖分为4层。

根据抽水试验所得渗透系数取纵向渗透系数为K=3 m/d、横向渗透系数为K=1.5 m/d。通过MODFLOW得出降水引起的地面沉降量如图3所示。

由图3可知，通过MODFLOW计算得出主体结构坑外因降水引起的最大地面沉降量约为18.25 mm。为了验证砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型，现场试验中对于地铁车站深基坑各测点从开挖至车站封顶的全寿命周期的沉降监测，并统计全寿命周期的基坑累计沉降，沉降值如表2所示。

由表2可知，在基坑全寿命阶段，地表最大沉降值为15 mm，与计算理论值相差仅3.25 mm，且理论沉降值高于实际沉降值，故而理论沉降值可靠。

基坑水位监测结果表明，坑内降水引起坑外水位最大降深约1 m；现场实际地表沉降约11.1 mm。而利用室内试验的渗透系数计算中，同样井点数下坑外水位最大降深约5.1 m，引起坑外沉降约18.2 mm，与实际监测结果相差较大。

地勘资料中土体的渗透系数均是由室内渗透试验得到，而长江三角洲地区属于冲积平原，土层以第四纪松散堆积物为主，土体骨架较为敏感，土的渗透系数与土体实际受力状态关系密切[11]，本文利用抽水试验所得的渗透系数与室内试验所得差异较大，主要有两方面的原因：

1)抽水试验中渗流土体大部分处于原始受力状态，人工作用对于其的扰动影响不大，渗透系数更加贴合实际；2)传统降水分析中，没有考虑止水帷幕对水文参数的影响，进而造成两者差异较大。

表2 基坑累计沉降表 mm

传统降水理论计算基于稳定渗流理论，当达到渗流稳定时，抽水量等于补给量。当保证坑内降水水位位于坑底0.5 m～1 m时，由于理论计算中渗透系数小，补给量无法满足抽水量的要求，这就只能通过坑外水位漏斗面降低来满足稳定渗流的需求[12]，即理论计算坑外水位降深偏大。在开放性的富水砂土环境中，微承压水与潜水交换通道较多，微承压水—潜水交换动态平衡更容易维持，相比室内试验，砂土的实际渗透系数更大，这就使得补给更加充分而不需通过坑外水位面的降低来达到平衡的要求，因此理论上坑外的降深要大于实测值。

在工程施工过程中实际上增加了6 m的素墙，延长了渗流路径，减小了渗流速度，使得砂土颗粒更加难以带动，微承压水—潜水交换动态平衡更加可靠。

5 结论

本文基于长江三角洲土层与地下水特征，利用多孔介质下地下水流动三维模型，建立砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型，利用微承压水—潜水流动方程，得出了相应深基坑的地面沉降的理论值，并通过现场试验验证砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型合理性，得出以下结论：

1)通过对比研究证明了砂土环境下深基坑微承压水—潜水交换特征模型的适用性。

2)通过模型计算所得理论沉降值略高于地表实际沉降值，该理论所分析沉降值合理可靠。

3)相比于室内渗透试验，现场抽水试验所得出的渗透系数在降水分析中更具有优势。