浅谈轨道交通超大基坑抗浮设防水位的确定

肖星球

（中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031）

0 引言

城市建设的高速发展导致土地资源紧缺，“轨道+物业”建设模式应运而生。轨道交通的停车场、车辆段建筑面积大，且由于上盖物业多采用下沉方案，随之出现了大量超大规模基坑。由于基坑规模大，抗浮水位对工程造价、结构安全、后期运营管理影响很大，提供科学、合理的抗浮水位对结构设计十分重要。本文选择地下水模拟系统，研究建立区水文地质概念模型，对轨道交通超大基坑地下水流进行数值分析及模拟，在地下水数值模拟的基础上确定抗浮设防水位，并且以此为基础，为轨道交通的发展提供依据，推动轨道交通的发展。

1 研究区概况

1.1 基本情况

深圳市城市轨道交通13号线二期工程（北延）公明车辆段位于光明区，在茅洲河西侧，整个地块呈现南高北低的状态，当前主要是农业用地和工业用地。线路南北长1300 m，东西宽430 m。公明车辆段拟采用下沉式方案，车辆段盖体主体结构为钢筋混凝土框架结构，盖体结构（图1）分为出入段线区域（A1/A2/A3）、咽喉区（B1/B2/B3/B4/B5）、检修主厂房区（C1/C2）、运用库区（D1/D2/D3/D4/D5/D6）。

图1 车辆段盖体结构分区

1.2 研究目标与任务

抗浮设防水位是岩土工程勘察的重要内容，应提高地下水对工程建设影响的认识，对地下水的问题进行认真研究，并根据工程情况合理确定建筑抗浮设计水位。

本文主要结合工程地段的地质水文条件和近年来地下水位的动态数据对地下水位的变化进行模拟，最终确定抗浮设防水位[1]。研究的具体任务包括以下3点：①收集车辆段场地周边地下水位长期观测资料，分析地下水的动态变化特征。②建立地下水流模拟模型，根据水位观测井数据对模型参数进行识别验证。③结合已有的勘察成果以及地下水流的模拟模型，分析地下水位的影响因素，确定抗浮设防水位，为后续的工程提供技术指导。

1.3 自然环境条件

公明车辆段所属地区为深圳市，属于亚热带季风气候，日照时间长，热量丰富。区域气候呈现雨热同季、干凉同期的特点，降雨量和气温随季节变化较大，其降雨集中在5—9月，多年平均降雨量为1935.8 mm，年平均相对湿度为74%。场区及附近地表水主要为大凼水水体（既有明沟）和茅洲河。公明车辆段场地主要处于冲积平原及低台地地貌区，地形平坦，局部略有起伏，表层为第四系全新统人工填土，其下为第四系冲洪积层的淤泥、淤泥质粉质黏土、泥炭质土、粉质黏土、粉细砂、中粗砂及砾砂层，基岩上部多为第四系残积层、坡积层所覆盖，下伏基岩为加里东期片麻状黑云母花岗岩。

2 场地内水文地质条件

2.1 含水层性质

根据地下水的赋存条件，车辆段场地内地下水类型主要为松散土层孔隙水和基岩裂隙水。具体表现如下：①松散土层孔隙水主要赋存于第四系杂填土、中粗砂和砾砂中。第四系素填土、硬塑状粉质黏土、砂质黏性土层为微透水～弱透水层，杂填土、中粗砂、砾砂为中等～强透水层，富水性好，属于潜水～承压水。②基岩裂隙水主要分布于加里东期片麻状黑云母花岗岩中，包括风化裂隙水及构造裂隙水，受含水层岩性、地质构造、地貌条件、基岩风化程度及构造破碎程度的影响。总体上，基岩裂隙水发育具非均一性，具有一定承压性。基岩裂隙水主要赋存于岩石强、中等风化带及构造破碎带中。

2.2 地下水的补给、径流及排泄条件

地下水的补给类型主要为降雨和地表水渗入补给，局部越流补给。场地范围内降雨量充沛，地表水发育明显。场区内的降雨受季节因素较为明显，因此雨季地下水的补给较为丰富。从地下水的运动来看，由于工程区域属于低台地地貌，地形平坦，而且夏季的雨水补给强度大，因此雨季的降水通过黏性土覆盖层渗入岩石裂隙中，成为地下水[2]。从地下水的排泄来看，主要是以地下潜流的方式排泄至茅洲河，少量地下水以蒸发的方式排泄。

2.3 地下水水位变化特征

勘察期间，可以在场区设立长期观测井，对地下水位进行长期观测。从地下水的划分来看，公明车辆段属于茅洲河地下水系统。根据近年来茅洲河地下水系统的动态观察资料，结合其补给、排泄等相关因素，综合分析其水位变化情况。该区域有3口长期观测井，近5年来，3口观测井的水位变化不大，丰水期的水位高程为6.55～7.07 m，枯水期平均水位高程为6.51～6.78 m，5年平均水位高程为6.57～6.95 m。场区内的地下水主要为第四系孔隙潜水、基岩裂隙水，降雨是地下水的主要补给方式，侧向径流是主要排泄方式，茅洲河地下水系统长期观测井基本信息如表1所示。

表1 茅洲河地下水系统长期观测井基本信息

2.4 地下水动态影响因素

从地下水的变化规律来看，影响地下水的因素主要包括：①补给因素。这是影响地下水的关键因素，其中降雨补给是场区内地下水的主要补给方式，降水量的大小、降水方式、降水强度、降水持续时间，以及地面植被发育情况、地形坡度等均对地下水补给产生影响。②排泄因素。城市地下水通常为战略储备资源，人工开采较少，因此地下水主要是以蒸发和径流作为排泄方式，水位较浅的地下水中，蒸发的因素影响较为明显。③径流与储藏因素。含水层性质对地下水径流影响明显；包气带作为大气降水潜水蒸发的通道，对地下水具有间接影响。④局部动态因素。受到地表水体、沟渠等局部因素的影响，地下水位也会发生变化。

3 地下水流数值分析以及数值模拟

本文研究在开展资料收集、野外调查与试验研究基础上，依据深圳市比例尺为1:50 000的水文地质图，分析场区水文地质条件和地下水动态特征，从而建立场区水文地质概念模型。

3.1 研究区域以及边界条件

根据公明车辆段所在区段，结合自然边界条件明确地下水模拟区域边界。东部以茅洲河东岸为界，概化为已知水头边界；西部以大凼水库东岸为界，概化为已知水头边界；南部和北部边界平行于地下水流线，概化为零通量边界。地表接受大气降水入渗补给，所以上边界定为补给边界；下边界为裂隙发育较弱的微风化带地层，以微风化带顶面作为隔水边界。

3.2 地下水流数学模型

本次模拟研究中，建立了基于等效多孔介质的三维非均质各向异性非稳定流地下水流模型。研究区地下水流数学模型如式（1）所示。

4 抗浮设防水位确定

4.1 规范对抗浮水位的一般规定

截至目前，国内相关的规范在提到地下水浮力的作用时，没有给出全面而明确的计算方法。《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2002）首次提到抗浮条文：当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下结构存在上浮问题时，应进行抗浮计算。但该规范并未说明如何计算浮力。《建筑地基基础设计规范》（GB 5007—2011）也未说明抗浮设防水位如何取值，只明确了在简单浮力作用下采取1.05的安全系数。上海市工程建设规范《地基基础设计规范》（DG J08-11—2010）以及广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DB J 15-31—2016）等规范提出了抗浮相关计算方法，指出地下基础施工需要考虑地下水的分布状况，并且以设计使用年限内的最高地下水位作为抗浮水位的标准，对地下水水头进行计算，采取有效的方式控制地下水[3]。湖北省地方标准《建筑地基基础技术规范》（DB42/242—2014）、国家标准《岩土工程勘察规范（2009修订版）》（GB 50021—2001）等指出，地下水对基础的浮力作用需要结合长期地下水勘察资料，选择相应的最高水位作为水位计算标准，从而确定相关的折减系数。

从当前的相关规范来看，虽然许多条文规范都指出了地下水对地下建筑的影响，且抗浮水位具有现实价值，但是抗浮设防水位的取值方法至今尚未形成共识。地下水位的长期动态变化规律，是一个受气象、水文、地质、城市规划、城市用水政策及远景规划等因素综合影响的随机现象，当前对其远期动态变化规律进行预测的尝试尚存在很多困难。然而地下水位的动态变化会直接影响地下结构上的浮力大小，建立相对合理的地下水位预测模型具有重要的现实意义。

4.2 抗浮设防水位确定的参考资料

依据相关规范，结合公明车辆段详细勘察成果资料，确定其抗浮设防水位的参考资料如下。

（1）场地地形地貌、地下水补给与排泄条件以及车辆段周边规划场坪高程。

（2）场地地下水位动态变化规律，根据3个观测井的长期观测资料，茅洲河水系的地下水位相对稳定，没有出现大的波动，其中6—9月雨季时的地下水位最高，而2—5月旱季时的地下水位最低，近5年的水位变化波动不大，在－0.32～0.86 m。

（3）设计使用年限内场地地下水水位预测，按防御100年一遇洪水的最高水位标准数值模拟测定。

（4）对场地地下水位有影响的地表水体（茅洲河和大凼水）的100年一遇洪水位。根据《深圳市河道整治规划报告》可知，茅洲河100年一遇的供水标高为14.5 m。

4.3 抗浮设防水位

通过对场区地下水流进行数值分析及模拟，结合地下水动态变化规律及影响因素分析，公明车辆段防洪设防水位得以最终确定。分区中给定的抗浮设防水位为区块中心位置处的平均水位，区块内的抗浮设防水位随实际地形起伏而变化，设计可根据抗浮设防水位等值线图进行取值。

5 结语

本文将地下水流模型引入基坑工程中，通过概化边界条件，建立起直观的立体模型，模拟工程建设（基坑开挖）过程中引起的地下水系统流场变化，综合分析确定符合实际水文地质条件的合理、安全、经济的抗浮设防水位，研究成果具有进一步推广的价值。