地鐵車站深基坑微承壓水—潛水交換特征研究

　　摘要：利用長江流域下游某地鐵車站深基坑降水與監(jiān)測工程，建立富水砂土環(huán)境下微承壓水—潛水交換模型，通過模型計算所得理論沉降值略高于地表實際沉降值，該理論所分析沉降值合理可靠。

　　本文源自山西建筑,2020,46(23):61-63.《山西建筑》(旬刊)創(chuàng)刊于1975年，由山西省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳主管，山西省建筑科學(xué)研究院主辦，面向國內(nèi)外公開發(fā)行，是山西省建設(shè)行業(yè)唯一的一份國家級刊物，山西省一級期刊。雜志社設(shè)有編輯部、廣告部、發(fā)行部和排版中心，共有采編40余人，主編1人，副主編3人，責(zé)任編輯6人，編輯30余人。

　　1、概述

　　隨著我國經(jīng)濟發(fā)展，城市規(guī)模越來越壯大，城市人口聚集規(guī)模呈現(xiàn)幾何式增長，現(xiàn)有的城市道路已經(jīng)很難滿足城市人口出行需求[1]。軌道交通作為集約式交通運輸工具，綠色節(jié)能，通行效率高，隨著城市規(guī)模的發(fā)展，軌道交通成為重要的公共交通工具[2]。由于軌道交通建設(shè)工程分布于城市人員、建筑集中地區(qū)，如何在建設(shè)中保證場地周邊人員與建筑安全，是軌道交通建設(shè)中的重要問題[3]。

　　長江中下游地區(qū)作為我國最發(fā)達地區(qū)，城市建筑密集，人口稠密，軌道交通需求旺盛。而長江三角洲地區(qū)屬于沖積平原，土層以第四紀松散堆積物為主，土層空隙較大且地下水位較高，潛水、微承壓水與承壓水等多種地下水形式互聯(lián)互通[4]，形成交叉網(wǎng)狀體系，在軌道交通建設(shè)，特別在地鐵車站中深基坑開挖與基坑監(jiān)測中地面沉降是重要的控制因素[5]。

　　Terzaghi為解決飽和土體滲透固結(jié)時的變形，通過建立飽和土體一維固結(jié)模型，得到了飽和土體沉降的一維固結(jié)理論。該理論以飽和土為研究對象，給出了飽和土滲透固結(jié)的變形規(guī)律。一維土體固結(jié)理論由于簡單方便且不確定參數(shù)較少，經(jīng)過經(jīng)驗性處理所得的相應(yīng)解能夠滿足工程應(yīng)用，在深基坑降水計算方法中得到了廣泛的應(yīng)用[6]。但Terzaghi理論中忽視了土的三維受力的現(xiàn)實特征，為解決孔隙壓力消散與土骨架變形相互關(guān)系的Biot提出Bio固結(jié)方程，用以反映孔隙水壓力與土體變形之間的關(guān)系[6]?；谏鲜鰞煞N理論，在深基坑降水中形成較為多樣的地面沉降計算方法，如滲流場簡化模糊計算法、利用抽水試驗的線性擬合估算法、彈性理論計算法與水力參數(shù)計算法等[7]。

　　本文基于長江三角洲地區(qū)土層與地下水特征，利用多孔介質(zhì)下地下水流動三維模型[7,8]，建立砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型，利用微承壓水—潛水流動方程，得出了相應(yīng)深基坑的地面沉降，為砂土環(huán)境下微承壓水—潛水特征的深基坑沉降控制提供了相應(yīng)的理論支撐。

　　2、理論分析

　　研究基于彈性理論計算法，認為降水過程中含水層的壓縮量分為彈性壓縮與非彈性壓縮，其中彈性壓縮量與降水水頭變化成正比，非彈性壓縮量與降水水頭差值成正比，在此基礎(chǔ)上形成儲水系數(shù)與地下水量耦合，故在砂土環(huán)境下，地下水流動的三維偏微分方程[9,10]為:

　　其中，kxx,kyy,kzz指土體分別沿x,y,z坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù);h為土體內(nèi)點(x,y,z)在t時刻水頭值;W為源匯項;SS為點(x,y,z)處的儲水率;t為時間。

　　計算含水層的沉降模型方程為:

　　其中:

　　其中，qi為土體分別沿x,y,z坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù);h為土體內(nèi)點(x,y,z)在t時刻水頭值;S'sk為點(x,y,z)處的儲水率;t為時間。

　　基于抽水試驗下，監(jiān)測井的出水能力監(jiān)測，可以得到深基坑開挖現(xiàn)場原狀土的滲透系數(shù)K:

　　其中，Q為抽水試驗下，監(jiān)測井單井的流量;r為監(jiān)測井半徑值;l為有效過濾器長度。

　　得出砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型:

　　其中，kxx,kyy,kzz指土體分別沿x,y,z坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù);h為土體內(nèi)點(x,y,z)在t時刻水頭值;W為源匯項(含井);Sy為給水度;B為潛水含水層層厚;h0(x,y,z)點(x,y,z)處的初始水位nx,ny,nz為點的外點(x,y,z)處邊界面法線沿x,y,z軸方向單位矢量;q為點的外點(x,y,z)處邊界面上單位面積的側(cè)向補給量。

　　3、試驗方案

　　3.1工程概況

　　試驗選取長江中下游某城市地鐵地下車站深基坑為研究對象，該基坑采用地下連續(xù)墻內(nèi)支撐的圍護方案，車站(如圖1所示)采用明挖法施工，標(biāo)準段開挖深度約為16.44m～16.75m，南部端頭井開挖深度約18.20m，北部端頭井開挖深度約18.48m。

　　圖1地鐵車站場地布置圖(單位：m)

　　該地鐵車站底板與地下連續(xù)墻位于粉砂夾粉土層，其具體土體物理性質(zhì)如表1所示。

　　表1地鐵車站土體物理性質(zhì)

　　3.2試驗方案

　　試驗針對現(xiàn)場情況，在地勘階段中參考GB50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范中勘察點選取原則進行抽水試驗井點位置選擇并通過抽水試驗來確定基坑縱橫向滲透系數(shù)。

　　研究基于車站主體基坑距離周邊建(構(gòu))筑物較遠，針對地鐵車站主體工程深基坑條狀特征在圍擋范圍內(nèi)均勻布置沉降監(jiān)測點，以觀測地鐵車站深基坑沉降規(guī)律，沉降觀測方法參照GB50026—2007工程測量規(guī)范。同時在沉降監(jiān)測點附近均勻布置相應(yīng)的水位觀測井，以驗證降水水位變化對周圍環(huán)境水位的影響，其觀測方法參照GB50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范進行。整體監(jiān)測點布測方案如圖2所示。

　　試驗由于考慮潛水與微承壓水互相聯(lián)通，由于承壓水對基坑安全風(fēng)險存在較大影響，因此雖然坑內(nèi)疏干降水時已經(jīng)將坑內(nèi)整體水位降低至底板下1m，但是為了保證基坑安全，在基坑內(nèi)兩個端頭和標(biāo)準段各布置一口承壓水觀測井，在基坑開挖時隨時觀測坑內(nèi)承壓水水位的變化，保證承壓水水頭標(biāo)高控制在安全水位以下。

　　圖2主體工程監(jiān)測點布置圖

　　4、成果與分析

　　研究基于利用砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型，利用MODFLOW進行相應(yīng)分析。模型在水平方向上采用非等距矩形網(wǎng)格，其中在基坑開挖區(qū)域附近網(wǎng)格加密，非加密區(qū)面積約為(50×50)m2，加密區(qū)的面積為(1×1)m2;基坑共剖分為4層。

　　根據(jù)抽水試驗所得滲透系數(shù)取縱向滲透系數(shù)為K=3m/d、橫向滲透系數(shù)為K=1.5m/d。通過MODFLOW得出降水引起的地面沉降量如圖3所示。

　　圖3降水引起的地面沉降量等值線圖(單位：mm)

　　由圖3可知，通過MODFLOW計算得出主體結(jié)構(gòu)坑外因降水引起的最大地面沉降量約為18.25mm。為了驗證砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型，現(xiàn)場試驗中對于地鐵車站深基坑各測點從開挖至車站封頂?shù)娜珘勖芷诘某两当O(jiān)測，并統(tǒng)計全壽命周期的基坑累計沉降，沉降值如表2所示。

　　由表2可知，在基坑全壽命階段，地表最大沉降值為15mm，與計算理論值相差僅3.25mm，且理論沉降值高于實際沉降值，故而理論沉降值可靠。

　　基坑水位監(jiān)測結(jié)果表明，坑內(nèi)降水引起坑外水位最大降深約1m;現(xiàn)場實際地表沉降約11.1mm。而利用室內(nèi)試驗的滲透系數(shù)計算中，同樣井點數(shù)下坑外水位最大降深約5.1m，引起坑外沉降約18.2mm，與實際監(jiān)測結(jié)果相差較大。

　　地勘資料中土體的滲透系數(shù)均是由室內(nèi)滲透試驗得到，而長江三角洲地區(qū)屬于沖積平原，土層以第四紀松散堆積物為主，土體骨架較為敏感，土的滲透系數(shù)與土體實際受力狀態(tài)關(guān)系密切[11]，本文利用抽水試驗所得的滲透系數(shù)與室內(nèi)試驗所得差異較大，主要有兩方面的原因:

　　1)抽水試驗中滲流土體大部分處于原始受力狀態(tài)，人工作用對于其的擾動影響不大，滲透系數(shù)更加貼合實際;2)傳統(tǒng)降水分析中，沒有考慮止水帷幕對水文參數(shù)的影響，進而造成兩者差異較大。

　　表2基坑累計沉降表

　　傳統(tǒng)降水理論計算基于穩(wěn)定滲流理論，當(dāng)達到滲流穩(wěn)定時，抽水量等于補給量。當(dāng)保證坑內(nèi)降水水位位于坑底0.5m～1m時，由于理論計算中滲透系數(shù)小，補給量無法滿足抽水量的要求，這就只能通過坑外水位漏斗面降低來滿足穩(wěn)定滲流的需求[12]，即理論計算坑外水位降深偏大。在開放性的富水砂土環(huán)境中，微承壓水與潛水交換通道較多，微承壓水—潛水交換動態(tài)平衡更容易維持，相比室內(nèi)試驗，砂土的實際滲透系數(shù)更大，這就使得補給更加充分而不需通過坑外水位面的降低來達到平衡的要求，因此理論上坑外的降深要大于實測值。

　　在工程施工過程中實際上增加了6m的素墻，延長了滲流路徑，減小了滲流速度，使得砂土顆粒更加難以帶動，微承壓水—潛水交換動態(tài)平衡更加可靠。

　　5、結(jié)論

　　本文基于長江三角洲土層與地下水特征，利用多孔介質(zhì)下地下水流動三維模型，建立砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型，利用微承壓水—潛水流動方程，得出了相應(yīng)深基坑的地面沉降的理論值，并通過現(xiàn)場試驗驗證砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型合理性，得出以下結(jié)論:

　　1)通過對比研究證明了砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型的適用性。

　　2)通過模型計算所得理論沉降值略高于地表實際沉降值，該理論所分析沉降值合理可靠。

　　3)相比于室內(nèi)滲透試驗，現(xiàn)場抽水試驗所得出的滲透系數(shù)在降水分析中更具有優(yōu)勢。

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