大连地铁5号线后盐站深基坑止水帷幕优化研究

郭涛，王海涛，苏鹏，祁可录，邵军辉

(1.大连交通大学 土木工程学院，辽宁 大连 116028；2.中铁七局集团第二工程有限公司，辽宁 沈阳 110000)*

随着城市建设的快速发展，各种建筑工程如雨后春笋般拔地而起.在各种土建工程中，岩土工程占有十分重要的地位.岩土工程中的基坑开挖打破了原有土壤中的水力平衡状态，地下水将在坑内外水头差的作用下出现渗流情况，进而对基坑的稳定性及周边环境造成较大影响.基坑地下水控制不当可能引起基坑管涌、突涌、失稳、地面和周围建筑物沉降等问题，是很多基坑工程事故发生的主要原因，也是基坑支护防渗设计必须考虑的问题之一[1-5].由于基坑渗流是比较复杂的情况，一般很难获得精确的解析解，而用简化公式计算的结果与实际往往存在较大差距，故数值分析是目前较为有效的方法.止水帷幕作为一种防水隔渗手段，在基坑底部以及基坑侧壁中设置防水隔渗体，已经在实际工程有了广泛的使用[6].止水帷幕的存在必将对基坑的渗流场产生一定影响，一些专家学者越来越重视相关研究.王国光等[7-9]利用数值模拟对存在止水帷幕的基坑进行了渗流分析，研究了止水帷幕的作用原理及其特点.丁洲祥等[10-11]通过理论分析及有限元数值模拟，讨论了止水帷幕深度不同情况下及发生意外漏水时对渗流场的影响，得到了渗漏情况下渗流场的变化规律.吴世兴等[12-13]模拟分析了不同开挖工况下悬挂式止水帷幕对基坑渗流场的影响，从而得到有利于减小对基坑外地下水影响的降水方案.

本文针对大连地铁5号线后盐站深基坑工程，运用Midas GTS NX有限元分析软件，分析了不同止水帷幕参数条件下的基坑渗流变化情况，以期为基坑最优止水帷幕参数提供理论参考.

1 工程背景

大连地铁5号线后盐站深基坑项目采用明挖法施工，基坑位于快轨三号线后盐站北广场东侧，主体沿东南至西北设置，总长185 m，标准段宽22.5 m，开挖深度17.5～18.9 m.基坑与黄海海岸线最小距离为2 km.基坑邻近有水塘和水塔，泉水富集.基坑为钻孔灌注桩加内支撑支护体系，地下水处理拟采用基坑外截水和坑内明排相结合，其中坑外截水采用桩间止水加帷幕注浆方式.基坑平面示意图如图1所示.

图1 基坑平面示意图

根据抽水试验结果及地区经验综合分析，得知地下水类型为第四系孔隙潜水及基岩裂隙(岩溶裂隙)潜水，地下水位深度0.01～0.95 m，地下水位标高4.21～4.90 m，综合渗透系数k=58.68m/d，中风化石灰岩层渗透系数40.68～57.99 m/d，车站明挖法施工且不考虑止水措施的条件下，计算车站基坑总涌水量为20 992.9 m3/d，抽水试验估算结果如下：渗透系数为60 m/d，潜水含水层厚度20 m，水位降深19.5 m，基坑等效半径38.4 m，降水影响半径1 316.8 m，基坑面积4 625 m2，基坑涌水20992.9m3/d.场地东南侧由泉水形成的池塘水与本场地地下水具有水力联系，其补给场地第四系含水层及基岩裂隙含水层的水量较大，基础施工时应采用降水-止水相结合方案.

根据压水试验成果分析，场地围岩透水率为1.49～282.22Lu.场地围岩透水率大，基坑开挖时将大量涌水，因此对基坑进行防渗处理，拟采用处理方案为止水帷幕灌浆施工工艺，灌浆材料由水泥、水玻璃、水和外加剂组成，浆液水灰比采用0.8∶1，水泥水玻璃双液浆配合比1∶0.8(体积比)，速凝剂、减水剂、稳定剂掺入量分别为水泥量的3%、2%、2%，对止水帷幕方案进行数值模拟计算.

2 数值计算模型

根据工程实际的地质水文情况，运用Midas GTS NX有限元分析软件，利用修正摩尔库伦本构模型，改善了摩尔库伦的本构条件，消除摩尔库伦本构偏平面六边形计算顶点塑应变方向时的不稳定因素，使计算的收敛性更好[14-16].通过建立多次模型进行对比，最终选取有限元计算模型尺寸136 m×28 m×60 m，岩土体参数根据本工程勘察报告及现场试验或相关规范选定，具体参数如表1.模型土层由上至下分别是素填土、中风化石灰岩，本工程拟采用止水帷幕深度为22 m，厚度为1.0 m，开挖深度为18 m.取无止水帷幕及深度为16、18、20、22、24 m不同工况下的止水帷幕，厚度为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m不同工况下的止水帷幕，渗透系数为1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工况下的止水帷幕，分别分析了止水帷幕深度、厚度和渗透系数对基坑渗流场的影响规律.

表1 模型参数取值

由水文地质情况及综合考虑，拟设定初始水位总水头-1 m，基坑的多次降水均达到开挖面以下0.5 m，降水水头依次为-3.8、-9.8、-14.8和-18.5 m.经过四步降水后，总的内外水头差值为17.5 m，故地下水的渗流会对基坑产生不可忽视的影响.依据上述条件分析得出基坑立面示意图(图2)和数值计算模型(图3).

图2 基坑立面示意图

图3 深度22 m的止水帷幕计算模型

3 止水帷幕参数的优化分析

3.1 不同深度止水帷幕渗流分析

由总水头云图(图4)可知基坑地下水的渗流导致总水头在坑外逐渐减小进而产生水位差，无止水帷幕工况下的总水头比有止水帷幕的减速快，渗流流量分别为100和51 m3/d，显然止水帷幕有效的减少地下水向基坑渗流.取不同止水帷幕深度的基坑右侧2 m位置处各节点，得出孔隙水压力水头值随深度变化的曲线图(图5).在无止水帷幕、止水帷幕深度16和18 m时，基坑侧壁和底部交角处发生突变，基坑坑角土体中地下水相连，表明未达到基底深度的止水帷幕止渗效果不明显.然而深度为20、22和24 m的止水帷幕具有显著的止水效果，深度为22和24 m止水帷幕的曲线相似且基本为斜直线，故深度为22和24m止水帷幕的止水效果更为显著.

(a)无止水帷幕

图5 孔隙水压力水头值随深度变化的曲线图

图6为渗流速度随深度变化的曲线图.无止水帷幕和深度为16 m的止水帷幕两种工况下，渗流速度最大发生在基坑坑角，分别为154、143 m/d.止水帷幕深度为18、20、22、24 m时，帷幕底端地下水流速最大，最大值依次是134、91、76、65 m/d.深度为18 m的止水帷幕渗流速度较大且止水效果不明显，但改变了最大渗流速度发生的位置，最大渗流速度在止水帷幕底端外侧，进而在一定程度上保护坑角.无止水帷幕的最大渗流速度是深度为20 m时的1.69倍，深度为22 m时的2.03倍，深度为24 m的2.37倍，故止水帷幕的深度与最大渗流速度成反比.当止水帷幕深度从20 m增加到22 m时渗流速度减小了15 m/d，22 m增加到24m时渗流速度减小了9 m/d，故流速减小效果随着相同深度的增加而变弱，即止水帷幕的深度达到一定值后的流速变化随着深度增加不再明显.深度为22 m的止水帷幕在各阶段的渗流速度基本都小于其他工况，在实际施工中应选择适当深度的止水帷幕，本工程止水帷幕的深度在20～24 m处于合理范围，综合考虑后的止水帷幕深度与基坑深度比为1.22，即深度为22 m时止水帷幕达到最佳效果.

图6 渗流速度随深度变化的曲线图

3.2 不同厚度止水帷幕渗流分析

通过不同厚度止水帷幕的六种工况，得出相应的渗流路径示意图(图7)、地下水总水头曲线图(图8)和不同厚度的止水帷幕流速曲线图(图9).上述工况下的渗流路径变化出现了显著的现象，随着止水帷幕厚度的逐渐增大，基坑的抗突涌稳定性不断提升.但上述工况的总水头分布基本一致，故止水帷幕的厚度对总水头影响较小.无帷幕和帷幕厚度为0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 m时，流速分别为154、82、76、74、72、69 m/d.表明止水帷幕有效的减小了渗流流速，但止水帷幕厚度的增加对流速减小作用不明显，止水帷幕厚度超过1.0m时渗流流速几乎一致.考虑到经济性，本工程止水帷幕厚度为1.0 m较为合理.

(a)止水帷幕厚度1 m

图8 总水头随深度变化的曲线图

图9 渗流速度随深度变化的曲线图

3.3 不同渗透系数止水帷幕渗流分析

渗透系数为1×10-6、5×10-6、1×10-5、1×10-4、5×10-4m/d不同工况下止水帷幕的渗流场各物理量的分布情况有明显的相似现象，由水力梯度合成值(表2)分析得出，止水帷幕的渗透系数与基底水力 梯 度 呈 现负相关，但随着渗透系数的减小致使水力梯度变化有所减弱.由此可见，随着止水帷幕渗透系数的减小，其止水效果逐渐趋于稳定，当渗透系数小于一定值时，变化止水帷幕渗透系数对基坑渗流场影响不大，故本工程中拟定止水帷幕的渗透系数1×10-5m/d最为合适.

表2 各工况的水力梯度合成值

4 结论

本文对大连地铁5号线后盐站深基坑止水帷幕进行了优化研究，得到以下相关结论：

(1)止水帷幕改变了地下水渗流路径，对基坑侧壁和坑角起到了一定的保护作用.当止水帷幕的深度未超过基底时，虽然起到了一定程度的止水效果但并不明显，并且不能有效的保护基坑侧壁和坑角不受渗流的破坏.深度超过基底时，止水帷幕产生了显著作用，但在插入一定深度后，止水帷幕深度的增加对其止水效果没有明显的改善.合适深度的止水帷幕与止水性能密切相关，止水帷幕深度与基坑深度比为1.22时该工程达到最佳止水效果；

(2)止水帷幕厚度与基坑抗突涌稳定性存在正相关关系，渗流流速随着厚度的增大而减慢，当厚度超过1.0 m时流速变化不再显著.综合考虑后，本工程拟定厚度1.0 m的止水帷幕更为合理；

(3)改变止水帷幕的渗透系数会对渗流场产生一定影响，止水帷幕的渗透系数与基底水力梯度呈现负相关，但随着渗透系数的减小致使水力梯度变化有所减弱.基坑渗流场的影响随着渗透系数的降低而逐渐减弱并趋于稳定，故本工程中最终拟定止水帷幕的渗透系数为1×10-5m/d； (4)通过对深基坑止水帷幕优化研究可知，各种因素对基坑的影响都处在一定的范围之内，达到某一临界值后影响逐渐减小，并最终趋于稳定.本文中所得的一些大致规律，准确的临界值还需今后进一步的研究与探讨.