承压富水地层地铁车站基坑降水与回灌施工渗流稳定性及地面变形研究*

2023-02-13卢福聪陈立平卞士海农忠建许九保

城市轨道交通研究 2023年1期

卢福聪索潇吴波陈立平卞士海农忠建许九保

(1.广西大学土木建筑工程学院，530004，南宁； 2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，530004，南宁；3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，530004，南宁； 4.广西交科集团有限公司，530007，南宁；5.浙江省工程勘察设计院集团有限公司，315211，宁波∥第一作者，讲师)

地下水控制是岩土工程的一大技术难点[1]，为了降低基坑开挖过程中由地下水带来的危害，需要施以降水施工。但过渡的降水会带来地下水资源的破坏以及过大的地面沉降，回灌是一种良好的地下水控制方法[2]。近年来，国内已有较多针对基坑降水方面的研究。文献[3]考虑了降水过程中的地下水位分布情况，在二维渗流条件下计算地面沉降变形，推导了降水过程中预测地下水及地面沉降的计算方法。文献[4]在降水引起的土体沉降计算中考虑了修正分层总和法，合理推算出在基坑开挖条件下的基坑外部土体沉降理论公式。文献[5]结合理论计算和数值模拟对回灌井深度和回灌压力进行了控制研究，分析了不同回灌压力和回灌井深度情况下的地面沉降变化情况，结果表明：选择合适的回灌井深度和回灌压力能够减小地面沉降，但当回灌井过长或回灌压力过大时，减小地面沉降的效果不太明显。文献[6]基于Mod Flow软件和GTS NX软件，对工程场地进行压力回灌试验，并获得了不同回灌量下的地面沉降控制情况。目前，对于基坑降水与回灌对地面沉降的影响已有一定的研究，但大多数研究对象均为潜水，针对承压水降水和回灌渗流分析的研究较少。

济南市水文地质条件特殊，地下水类型以承压水为主且水头压力较大，对基坑施工具有较大的危害。本文以济南某富水承压基坑为研究对象，分析基坑监测结果，并采用有限元数值分析方法，建立基坑降水-开挖-回灌的三维渗流应力耦合模型，将其与经验值及实测值进行对比，以验证有限元模型的合理性。本文研究揭示了承压富水地层车站基坑降水-回灌施工的渗流变形规律，可为施工相关问题提供借鉴与参考。

1 工程概况

济南某富水承压深基坑的设计里程为SK 26+559.367—SK 26+769.967，全长210.6 m。车站站台长为120.0 m，站台宽为11.0 m，车站标准段总宽为18.3 m。采用旋喷桩止水帷幕与袖阀管注浆结合的方式作为围护结构方案。根据《济南市轨道交通R2线一期工程设计技术要求》和JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》中的相关规定，车站围护结构形式为φ1 000 mm@1 400 mm钻孔灌注桩+钢支撑，标准段竖直方向采用顶部冠梁与2道钢支撑，端头井通过换撑架设第4道钢支撑。

1.1 工程地质概况

该车站所在地貌为平原，地势较为平整，地质勘测结果显示，车站场地地层自上而下划分为7层，各层的土层物理参数如表1所示。

表1 基坑场地各地层物理性质指标

1.2 降低水位设计

潜水及承压水为该车站降水目标。在车站标准段，降水井的井深为22 m，间距为24～26 m；在车站端头，降水井的井深为24 m，间距25～30 m。降水井设置36眼。降水井设置于基坑内部。回灌井共20眼，距离基坑围护结构10～20 m，沿基坑外延设置，间距为25 m，回灌井深度为12 m，过滤段长度为3 m。

2 基坑监测方案

对基坑支护体系和周边环境进行监测，基坑监测点布置图截图如图1所示。测点主要用于监测基坑开挖过程中围护结构的水平位移、地面沉降与水位变化，针对监测数据合理安排开挖与降水速率，同时采取必要措施保证基坑施工的安全。围护结构水平位移、地面沉降与水位监测点均沿坑周布置，地面监测点每处径向各布置3个点，用以监测远离基坑方向的地面沉降变化。

图1 基坑监测点布置图截图Fig.1 Screenshot of monitoring points layout in foundation pit

3 基坑监测结果

3.1 坑周地面沉降变化监测

选取基坑端头6个地面沉降监测点(DB19—DB24)，其坑周地面沉降变化如图2所示。截至2019年3月1日基坑开挖至设计标高时，DB20观测点处的地面沉降为23.4 mm，距基坑约10～20 m处为地面沉降最大点位。在回灌施工后，距基坑较远处DB24观测点的地面沉降逐渐恢复至8.7 mm，最后趋于稳定。由于在基坑开挖前进行了地基加固处理，且降水及回灌对远端地面沉降的影响有限，距基坑小于5 m或大于30 m处的沉降趋势不明显。

图2 基坑周边不同测点的地面沉降曲线

3.2 基坑开挖期间的水位变化监测

选取6个水位监测点进行分析，不同测点地下水位随时间的变化曲线如图3所示。地下水位下降按降水设计要求一直保持在基坑开挖面以下，在2019年3月20日基坑周边施作回灌施工后，地下水位呈上升趋势。故需在施工过程中合理降水并施以回灌施工，以减小由降水带来的地下水渗流破坏而导致的地面沉降过大，保证基坑施工的安全性。

图3 不同测点地下水位随时间变化曲线

4 基坑开挖渗流模拟与分析

4.1 地下水渗流理论

在承压完整井降水-回灌共同作用时，假设承压含水平面的二维渗流中势函数为：

dφ=kMdh

(1)

式中：

M——含水层厚度；

k——含水层渗透系数；

φ——渗流量；

h——水头。

同样，按潜水完整井求承压完整井降水-回灌共同作用下的浸润曲线方程，其具体推导过程可参考文献[7]。降水井与回灌井共同作用下的地下水变化为：

hc=hcj+hch-M

(2)

式中：

hc——降水-回灌共同作用下的水头；

hcj——降水井群共同作用下的水头；

hch——多回灌井共同作用下的水头。

4.2 数值模拟

对车站深基坑建立Midas GTS有限元软件的开挖-降水-回灌应力渗流耦合模型，在模型两侧施加初始水头边界(水头值为31 m)，用以模拟施工前地下水初始渗流场。承压水通过节点水头进行模拟，在每开挖步前施加低于开挖面3 m的节点水头模拟降水。开挖过程中，地下水一直保持在基坑底部。土体选用修正摩尔-库伦弹塑性屈服准则实体单元，内部支撑和围护桩采用线弹性本构模型进行模拟。基于基坑开挖与降水影响范围，土体模型设置为600 m×400 m×50 m。有限元计算模型如图4所示，围护结构单元如图5所示。具体施工步骤为：

图4 有限元计算模型Fig.4 Finite element calculation model

步骤1：在开挖深度为0处设置混凝土支撑和冠梁；

图5 围护结构单元Fig.5 Enclosure structure unit

步骤2：第2道钢支撑架设于开挖深度5.75 m处，水头降至23 m(开挖深度为7.60 m);

步骤3：第3道钢支撑架设于开挖深度11.15 m处，水头降至17 m(开挖深度为13.50 m)；

步骤4：第4道钢支撑架设于开挖深度14.30 m端头井处，设置底板，水头降至13 m(开挖深度为16.00 m)；

步骤5：进行回灌施工。

4.3 降低水位渗流分析

上述施工步骤中，步骤1、步骤2和步骤5中的孔隙水压力软件模拟结果截图如图6所示。由图6可知，基坑未开挖及降水施工时，基坑内、外部存在水头差，孔隙水压力呈水平自然状态分布，土体在原有应力状态下保持静止；向基坑内部的渗流作用是由于降水导致了地下水压力失衡；在进行回灌施工时，与降水过程相反，回灌过程中的回灌井内压力一般大于地下水孔隙水压力，从而形成压力差，将水流压入地下，在一定程度上恢复由降水而破坏的地下水原本渗流。

图6 孔隙水压力软件模拟结果截图Fig.6 Screenshots of software simulation results of pore pressure

在降水的过程中，降低地下水水位会引起土体有效应力的增加，进而加大周边地面的沉降；在回灌过程中，提升地下水水位会引起土体有效应力的降低，进而影响土体固结与地面沉降。因此，在降水与回灌施工中都应密切关注基坑周边的地面沉降情况，避免事故的发生。

4.4 模拟结果与监测结果的对比分析

4.4.1 桩体水平位移

模拟结果选取ZQT12—ZQT14在施工步骤4～5中的桩体水平位移，实测值选取2019年3月1日(基坑开挖至设计标高并架设钢支撑，此时处于最大桩体水平位移状态)ZQT12—ZQT14的水平位移，其对比曲线如图7所示。由图7可知，考虑渗流耦合效应后，模拟值与实测值吻合得较好，则此模型可用于模拟后续优化设计模型。但实测值与模拟值也具有一定的差值，这主要是由于在实际基坑开挖至设计标高前控制了降水速率，给予了坑下土排水固结时间，使坑下土具有较好的固结度，从而使其围护结构水平位移稍小于模拟值，这表明土体的降水固结行为能提升其抵抗变形的能力。

图7 实测值与数值模拟值的桩体水平位移结果对比

考虑渗流效应的模拟能够应用于预测实际变形过程，这与文献[7]得出的结论类似。考虑降水回灌的影响，基坑底部大于开挖标高的坑下土部分受到渗流作用的影响，导致桩体水平位移在开挖土层下部再次增大，形成“踢脚”的危险工况。在实际工程中，特别是富水承压地层中，应对坑下土进行加固压实作业，并严格控制降水与回灌量，以避免坑下地下水突涌导致发生事故。

4.4.2 地下水变化与地面变形

基坑底部4 m以下的地下水回灌和降水压力曲线与受地下水回灌影响的地面变形曲线如图8所示。由图8可知，相较于单一的由降水、回灌带来的水-土应力失衡，降水与回灌共同作用带来了较大的水头应力差，当其超过一定临界值后，水-土的应力失衡进一步增大，需经更大的变形才能重新平衡，故其孔隙水压力与地面变形曲线并不是简单的叠加。文献[7]的研究结果表明越近的压力回灌，对围护结构的不利影响越大。

图8 回灌与降水对地面变形和地下水压力的影响

当回灌井距离基坑越近，在其作用下的水位变化会越大，则产生的水头变幅就越大，由此产生的地面变形也会相应增大，从而带来过高的地下水位，也增加了基坑施工的风险，增大了围护结构发生渗水、突涌等危险工况的可能性。但回灌井距离基坑过远，其抬升地下水的幅度在降水中心处的作用会显得过于薄弱，对恢复降水区域地下水渗流效果不明显，所以应严格控制回灌井与基坑之间的距离。

4.4.3 回灌井距离优化设计

控制回灌井与基坑之间的距离既能控制地下水位与地面变形，又不至于危害围护结构。控制距离设为3 m，研究与基坑之间不同距离的回灌井对围护结构和地面隆起的影响，模拟结果如图9所示。由图9可知：在考虑渗流-回灌耦合情况下，在距基坑约30 m处设置回灌井，对基坑围护结构隆起的影响将会降至最小，且随着回灌井与基坑之间距离的增加，其影响变化并不明显；当回灌井与基坑之间的距离约为32 m时，回灌点地表隆起最小，适当减小或增大此距离都会导致过大的地表隆起。所以，回灌井与基坑之间的最佳距离应控制在20～60 m，在此区间内能在最大程度上控制由回灌带来的地面隆起。