深厚强透水含水层地铁深基坑地下水控制方案综合比选方法

摘要：针对深厚强透水含水层地铁深基坑地下水控制方案比选问题，联合运用层次分析法、模糊综合评价法以及数值计算方法，提出深厚强透水含水层地铁深基坑地下水控制方法定性与定量化比选流程框架，建立了强透水地层地铁深基坑地下水控制方案综合比选方法。以福州地铁水部站深基坑工程为例，采用建立的比选方法，对5种不同深基坑地下水控制方案（敞开式降水、落底式止水帷幕、深层水平封底帷幕、悬挂式止水帷幕降水以及水下开挖）进行定性评估分析，结果表明，悬挂式帷幕降水方案为该车站深基坑工程地下水控制最优方案。采用数值模拟方法，分析得到了深基坑降水引发的周边地表沉降值在12～23 mm之间，表明42 m悬挂式止水帷幕降水方案能有效控制深基坑降水引发的地表沉降。

关键词：深基坑；地铁；强透水含水层；地下水控制；方案比选

中图分类号：TU924" " "文献标志码：A" " "文章编号：2096-6717（2024）04-0082-09

Comprehensive comparison of various scenarios to groundwater control for a deep metro excavation in highly-permeable aquifers

CAO Chengyonga，b， PENG Yuanshenga，c

（a. College of Civil and Transportation Engineering； b. Shenzhen Key Laboratory of Green， Efficient and Intelligent Construction of Underground Metro Station； c. Key Laboratory for Coastal Urban Resilient Infrastructures of Ministry of Education， Shenzhen University， Shenzhen 518060， Guangdong， P. R. China）

Abstract： For comparison and selection of groundwater control scenarios for subway deep foundation pits in deep and high permeable aquifers， this paper presents the qualitative and quantitative comparison and selection framework by using analytic hierarchy process， fuzzy comprehensive evaluation and numerical calculation methods. Comprehensive comparison of various scenarios to groundwater control for a deep metro excavation in highly-permeable aquifers is established. Taking Shuibu metro station in Fuzhou as an example， five different groundwater control scenarios （i.e. open dewatering， fully penetrating curtains， deep horizontal bottom sealing curtain， partially penetrating curtains with dewatering， underwater excavation） are evaluated and analyzed using the proposed method. The results show that the scenario of both partially penetrating curtains and dewatering is the best for groundwater control. Then， the numerical simulation is used to analyze the surrounding surface settlement caused by dewatering. The results show that the surface settlement is in the range of 12-23 mm， which shows that the partially penetrating curtains with 42 m length can effectively control the surface settlement caused by dewatering. This method provides a solution for comparison and design of groundwater control scenarios for subway foundation pits in deep and high permeable aquifers.

Keywords： deep excavation； metro； high permeable aquifers； groundwater control； comparison and selection of scenarios

城市地下空间开发利用（如地铁、地下商场、地下停车场等）已成为各大、中城市建设的重要方向[1-3]。深基坑工程是城市地下空间工程建设的重要组成部分，其开挖难度大、事故危害性大，尤其天津、上海、福州等沿海地区，地下水丰富，含水层厚度大，且隔水层有时分布不连续，造成沿海地区深基坑工程地下水控制困难。目前深基坑工程施工地下水控制方式，主要有敞开式（无帷幕）降水，隔、降水组合（悬挂式止水帷幕、落底式止水帷幕及深层水平封底帷幕），水下开挖等[4-6]几种方式。深基坑工程地下水控制方法多种多样，深基坑工程实践中如何选择合适的地下水控制方案是一难点。

目前已有诸多学者针对深基坑工程降、隔水问题进行了相关研究，尤其在竖向止水帷幕对深基坑降水的作用机理方面，研究成果颇多[7-10]。Wang等[11]采用数值方法，分析了深基坑降水引发的基坑内、外水位变化，并提出采用人工回灌措施补偿地下水。曹树辉等[12]探讨了地下连续墙深度、深层水平封底参数与深基坑水位降深、涌水量之间的关系。周念清等[13]采用数值模拟方法，分析了徐家汇站深基坑降水过程中周边地层水位变化和沉降。彭戡[14]对超厚砂层深大基坑工程降隔水方案选型进行了研究，确定了等厚度水泥搅拌墙（TRD）隔水帷幕与三轴水泥土搅拌桩组合隔水方案。由上述研究成果发现，目前大多数研究是针对深基坑降、隔水问题，而对于深基坑地下水控制方案的比选与决策研究不多。

事实上，深基坑地下水控制方案比选与决策是一个复杂多目标决策的问题，常常需要对不同地下水控制方案进行科学、系统的比选与评价。可是，目前深基坑地下水控制的实际设计与施工中，大多数情况下主要依据深基坑专业技术人员的经验判断与项目管理者的决策来决定地下水控制方案，因此，急需建立一套有效的深基坑地下水控制方案比选综合评价方法。笔者采用层次分析法、模糊综合评价法以及数值计算方法，提出深厚强透水含水层地铁深基坑地下水控制方法定性与定量化比选流程框架，建立了强透水含水层地铁深基坑地下水控制综合比选方法，为强透水含水层地铁深基坑地下水控制比选设计提供了思路。

1 深基坑地下水控制方案比选思路

图1给出了深基坑地下水控制方案比选流程。

深基坑地下水控制方案比选思路具体为：

1）详细调研深基坑工程水文、地层条件、工程规模以及周围环境等内容，初步拟定出深基坑地下水控制方案；

2）基于层次分析-模糊综合评价法，结合专家经验评估，对不同深基坑地下水控制方案（如敞开式降水、落底式止水帷幕、深层水平封底、悬挂式止水帷幕、水下开挖等（见图2））进行比选，初步确定可操作的地下水控制方案；

3）基于数值模拟或解析计算方法，定量化地分析深基坑降水对周围环境的影响，最后确定深基坑地下水控制方案。

2 深基坑地下水控制方案比选方法

2.1 决策指标体系的构建

2.1.1 指标体系构建原则

城市地铁深厚含水层深基坑地下水控制方案比选应遵循以下几个原则：

1）技术方案应该先进可行。选择的深基坑工程地下水控制方案需具有科学性、可靠性以及施工安全性。

2）城市深基坑周边高层建筑物密集，地下管线众多，基坑降水不可避免地会对深基坑周边环境产生不利影响，需要考虑次生灾害发生的可能性。

3）城市地铁深基坑工程建设成本高，施工工期严格控制，方案比选中必须考虑不同方案施工组织情况，应选择施工快捷的方案。

4）在保证地铁深基坑建设安全的前提下，尽可能使工程造价经济、合理。

2.1.2 建立评价指标体系

深基坑地下水控制方案决策的影响因素众多，在实际评价中不可能做到将所有因素纳入方案决策中，因此，在实际操作中需要提炼出具有代表性的因素来构建决策指标体系。一般来说，城市地铁深基坑周边建筑密集，深厚含水层地下水控制方案的选择需要考虑技术方案的可行性、造价是否经济、合理、施工便捷与否，以及深基坑工程地下水控制方案实施过程中对周围环境的影响及引发次生灾害的可能性。

因此，根据方案的基本原则以及结合调研众多类似工程案例，最终构建的深基坑地下水控制方案决策指标体系由4个二级指标、10个三级指标组成，见图3。

2.2 评价因素的权重向量确定

2.2.1 构建判断矩阵

邀请深基坑、水文地质等领域专家对调查问卷打分，根据每一层次各因素对于上一层次某因素的相对重要程度进行两两判断，并采用萨蒂的1～9标度法，得到相应的判断矩阵A。

式中：rij的值是因素ui对各等级vj的隶属度，其值为介于0到1之间的常数。

深基坑地下水控制方案初选决策时，大多数指标为定性指标，主要靠专家经验进行评判，定性指标的模糊隶属度确定方法如下：设第i个因素的单因素评价r_i={r_i1，r_i2…r_ik…r_i5 }，其中rik（k=1， 2…5）表示关于第k个等级vk的第i个因素评价的隶属度。评语集可以从Fuzzy子集表中查取，见表2。

2.3.3 计算综合评价矩阵B

根据隶属度矩阵R和由层次分析法计算得到的权重向量T={t_1，t_2…t_m }，可以求解得到模糊综合评价矩阵B为

式中：s为降水引起的地面总附加沉降量，m；ψ为沉降计算经验系数，可根据地区工程经验进行取值，无经验时取1；Δσ_Zi^'为第i层水位下降引起的土层附加荷载，kPa，可以根据水位降深计算；ESi为第i层土层的压缩模量，MPa。

4 工程实例分析

4.1 工程概况

福州地铁水部站为地下两层岛式车站，总长170 m左右，宽19.7 m，车站中心基坑深16.5 m，主体围护结构地下连续墙厚80 cm。深基坑场地各岩土分层由上至下依次为：杂填土、淤泥、淤泥夹砂、粗中砂（含泥）、粉质黏土、卵石以及花岗岩，如图4所示。场地的地下水主要包含上层滞水和承压水，上层滞水主要分布于人工填土层中，承压水则主要分布于淤泥夹砂、粗中砂、卵石中，各承压含水层之间具有紧密的水力联系。土体物理力学参数见表3。

4.2 深基坑地下水控制方案比选

结合地铁深基坑工程规模、周围环境及水文地质条件，针对敞开式降水X1、落底式止水帷幕X2、深层水平封底X3、悬挂式止水帷幕X4、水下开挖方案X5等，应用层次分析-模糊综合评价法，对各地下水控制方案进行初步比选，确定出较为适宜的地下水控制方案。

4.2.1 隶属度矩阵确定

根据各地下水控制方案（敞开式降水X1、落底式止水帷幕X2、深层水平封底X3、悬挂式止水帷幕X4及水下开挖方案X5）的决策指标优劣性分析，结合专家经验，将决策指标进行量化评判，得到各方案对应的隶属度矩阵R1、R2、R3、R4及R5分别为

4.2.2 权重向量确定

根据确立的地下水控制方案比选指标体系，邀请多位深基坑工程领域专家针对各因素的相对重要程度给予建议，综合分析各种情况后，构造目标层对于准则层X-P因素的判断矩阵，同理可求得各准则层对于指标层P-U判断矩阵，如表4～表8所示。同时，通过方根法计算相应权重也列于表中。

经计算，层次总排序计算结果具有较强的一致性，最终得到总层次排序的权重向量为：T=（0.120 5， 0.120 5， 0.241， 0.093 6， 0.023 4， 0.087 2， 0.087 2， 0.043 6， 0.152 4， 0.030 6）。

4.2.3 综合评价矩阵B及综合评价值S计算

方案①的模糊综合评价矩阵B与模糊综合评价值S分别为

同理，可以得出各方案的综合评价得分，如表9所示。

由表9可知，悬挂式止水帷幕降水方案综合评价得分相对较高，由此可见，该方案理论上可作为该地铁车站深基坑地下水控制优先方案。

然而，当选择悬挂式止水帷幕降水方案时，需要进一步定量评估深基坑降水对基坑外环境的影响，最终合理确定深基坑开挖地下水控制具体方案（如降水井布置、止水帷幕设计等），以最大限度保证深基坑施工安全。

4.3 深基坑地下水控制方案定量化分析

4.3.1 深基坑安全水位降深计算

根据深基坑底板抗突涌稳定性判别条件，深基坑内安全水位降深计算值如表10所示。

4.3.2 深基坑降水引发的地表沉降分析

1） 数值计算模型。有限差分数值计算模型区域1 000 m×1 000 m×60 m，三维数值计算模型如图5所示。模型四周边界采用定水头模拟，承压水头边界为地表以下3 m，各土层的初始水位设置为相应边界的水位高度。在深基坑竖向止水帷幕设计中，地下连续墙深度为42 m（图6），充分利用围护结构地下连续墙下方粉质黏土的弱透水性，以减少深基坑内外、水力联系。基坑内降压抽水井布置方案如图7所示。深基坑地下连续墙（止水帷幕）采用渗透系数非常小（1×10-8 m/d）单元进行模拟。管井滤管处单元设置定流量边界。

2）悬挂式止水帷幕深基坑降水预测分析。通过对深基坑各抽水井的抽水量不断调试，设定抽水总时间为30 d，以表10中深基坑内安全水位降深为控制标准，各抽水井抽水流量如表11所示，分析得到基坑抽水30 d后周边水位降深，如图8所示。采用深基坑降水作用引发的地表沉降预测式（11），计算得到深基坑降水30 d后地表沉降预测结果，如图9所示。

从图8和图9中可以看出：

1）深基坑抽水30 d后，基坑东端头井、西端头井以及标准段均基本能满足表10要求的安全水位降深。

2）深基坑周边建筑的沉降值在12～23 mm之间，处于合理范围内（小于30 mm），表明42 m悬挂式止水帷幕方案能有效控制基坑降水引发的地表沉降。

5 结论

1）提出了深厚强透水层地铁深基坑地下水控制方法定性与定量化比选流程框架，建立了强透水地层地铁深基坑地下水控制方案综合比选方法。

2）采用建立的比选方法，对5种不同基坑地下水控制方案（敞开式降水、落底式止水帷幕、深层水平封底、悬挂式止水帷幕及水下开挖）进行评估分析，结果表明，悬挂式止水帷幕方案为该车站基坑地下水控制最优方案。

3）采用数值模拟方法，分析得到基坑降水引发的周边建筑沉降值在12～23 mm之间，表明42 m悬挂式止水帷幕能有效地控制基坑降水引发的地表沉降。

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（编辑" 王秀玲）

收稿日期：2022⁃01⁃11

基金项目：国家自然科学基金（51938008）；中国博士后科学基金（2021T140474）

作者简介：曹成勇（1988- ），男，博士（后），助理教授，主要从事地下与隧道工程研究，E-mail：chengyongcao@163.com。

Received： 2022⁃01⁃11

Foundation items： National Natural Science Foundation of China （No. 51938008）; China Postdoctoral Science Foundation （No. 2021T140474）

Author brief： CAO Chengyong （1988- ）， postdoctor， assistant professor， main research interests： underground and tunnel engineering， E-mail： chengyongcao@163.com.