基坑開挖過程中地下水位變化對地鐵車站結構的影響研究

范鵬霞(廣州大學土木工程學院)

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基坑開挖過程中地下水位變化對地鐵車站結構的影響研究

范鵬霞
(廣州大學土木工程學院)

【摘要】基坑開挖過程中地下水位的變化必然會對地鐵車站結構的使用功能和安全性產生影響，本文結合工程實踐，采用有限元分析模型，分析地下水位變化對車站結構的影響情況，為以后類似的工程實踐提供積累經驗。

【關鍵詞】地下水位；有限單元法；變形

1　引言

由于地鐵的建設，帶動了地鐵沿線的經濟發展及房地產的開發，越來越多的基坑工程出現在地鐵結構附近。基坑工程大面積卸土造成的巖土體的應力釋放和地層變形以及基坑開挖抽排水造成的地下水位變化必然會對鄰近的地鐵結構產生一定的影響。國內外不少學者對基坑開挖及地下水位變化對地鐵結構的影響進行了一系列的研究。

目前，國內外已有許多相關學者對該問題進行了研究和探討。文獻[1]分析了地下水水位上升對地鐵隧道結構的影響。在分析北京地區地下水水位上升情況的基礎上,采用FLAC數值模擬方法,以拱頂埋深6m、直徑10m的地鐵隧道為例,研究地下水水位逐步回升情況下,隧道結構在位移、變形、內力(彎矩和軸力)、塑性區等方面的變化趨勢和分布規律。文獻[2]通過收集和現場實測的石太客運專線特長隧道水文地質資料,建立了隧道圍巖的水文地質概念模型,通過對國內部分具有代表性的南、北方運營隧道滲漏水狀況的調查,建立了運營隧道滲漏水病害評價指標體系。文獻[3]提出了基坑開挖對臨近地鐵隧道影響的兩階段分析方法；該文首先計算出基坑開挖作用在地鐵隧道上的附加荷載，然后基于Winkler地基模型建立地鐵隧道縱向變形影響的基本微分方程，根據Galerkin方法將該方程轉換為一維有限元方程進行計算，同時研究了不同隧道埋深、距離基坑開挖現場遠近、不同地基土質和不同隧道外徑等因素對隧道縱向變形的影響。

由以上分析可見，眾多學者大部分研究都集中在基坑開挖對其鄰近地鐵隧道結構的影響，關于地下水位變化對地鐵結構的影響情況的分析比較鮮見。本文以廣州某實際工程為例，采用MIDAS-GTS三維有限元軟件對水位變化情況進行模擬，得出一些結論。

2　工程概況

2.1工程介紹

本文以廣州地鐵九號線為背景，廣州地鐵九號線呈東西走向，經廣州市花都區和白云區，線路西起飛鵝嶺，經花都風神汽車城、廣州北站、花都區政府、機場商務區等重點地段，至三號線北延段工程高增站止，線路大致沿風神大道、農新路、秀全西路、秀全大道、公益大道、迎賓大道敷設。線路全長約20.2km，全部為地下線，共設9座地下車站。

2.2工程地質及水文地質情況

廣州地鐵九號線地鐵隧道的圍巖性質總體較差，砂層巨厚（最厚處達20m），砂層透水性好，且場地灰巖地層的溶洞發育，區間溶、土洞多為無充填或半充填狀態，部分為全充填狀態。溶、土洞空隙中充滿了地下水，局部與上部覆蓋的砂層連通，地下水補給充裕，水量很大。車站結構附近的地下水位容易受到周邊房地產開發和地下工程施工的影響而變化，特別是在車站結構附近開挖深基坑時，由于砂層直接覆蓋在灰巖面上給止水帶來了較大困難，且基巖巖溶裂隙水豐富，基坑開挖過程中基巖巖溶裂隙水涌入基坑，止水帷幕在砂層與巖面交界處漏水的可能性較大，基坑大量抽排地下水必然會影響車站結構受力狀態，進而可能影響地鐵安全。

3　理論分析

依據達西滲流定理計算出不同埋深“降水點（井）或降水面”，不同巖土層的滲透半徑，確定地下水位變化的影響范圍；

達西分析了大量實驗資料，發現土中滲透的滲流量q與圓筒截面積A及水頭損失△h成正比，與截面間距l成反比，即

式中i=△h/l，稱為水力梯度，也稱水力坡降；k為滲透系數，其值等于水力梯度為1時水的滲透速度，cm/s。

研究地鐵車站結構沿線附近降排水工程引起滲流場的改變，推導降排水過程中隧道圍巖滲流場的變化規律；由于車站結構的存在，改變了地層原有的滲流場，在車站結構迎水側和背水側會出現壅水現象，即車站結構相當于一道地下攔水壩，阻斷了原有的水力聯系，水位在迎水側升高，在背水側降低。壅水現象也會改變滲流，因此，需要根據壅水情況對計算模型進行修正。

壅水高度的計算方法為：

將砂層和溶洞直接接觸的情況用實驗室試驗進行模擬試驗，調整不同變量（比如水力坡度、流速、滲透性、砂層厚度，溶洞頂板厚度和溶洞填充狀態），模擬哪些變量能激發溶洞塌陷和水位變化。

4　整體三維有限元數值模擬分析

本工程基坑支護結構的地下連續墻墻底普遍進入強～中風化花崗巖層，根據勘察報告，巖層基巖裂隙較發育，有一定量的基巖裂隙水，砂層富水量較豐富。采用地連續墻作為基坑的支護體系及止水帷幕，為了反映地下水位的變化對車站結構的不利影響，本模型通過模擬地下水位逐級下降來計算水位下降對車站結構的影響。同時與坑外水位在地表狀態的工況也進行對比分析，以判斷地下水位下降對車站結構造成的不利影響。

通過有限元分析建立車站附近降排水的滲流模型，并根據既有的實測數據反演和修正數值計算模型參數，通過變換不同“降水井”深度得到地下水位變化對車站結構變形影響的變化規律；其中，水位下降16m已至連續墻底部（詳見表1）。

通過基坑整體三維有限元分析結果可知，地下水位下降16m時，地鐵車站結構的最大水平位移為1.74mm，最大豎向位移為2.78mm，最大總位移量為3.30mm。

可見，地下水位變化會引起車站結構位移變化但引起其結構的位移總量相對較小。

圖1　整體三維有限元模型圖

降水深度(m)水平位移（mm）豎向位移（mm）　總位移（mm）2 0.12　0.23　0.23 4 0.25　0.41　0.48 6 0.37　0.71　0.80 8 0.49　0.98　1.09 10　0.61　1.42　1.53 12　0.81　1.79　1.96 14　1.22　2.14　2.46 16　1.74　2.78　3.30

5　結語

通過對基坑開挖過程中水位變化對車站結構影響的整體三維有限元模擬分析，提出一些建議，希望能為以后類似的工程實踐提供一些經驗。

基坑在開挖過程中不可避免地會引起地下水位發生一定的下降，而發生大幅度的水位下降導致結構發生一定程度的沉降是實際存在的，為此，應在基坑施工過程中加強對周邊地下水水位的監控工作，并切實做好止水措施或回灌預案。

【參考文獻】

[1]羅富榮,劉赪煒,韓煊.地下水水位上升對地鐵隧道結構的影響分析[J].中國鐵道科學，2011，(01).

[2]潘海澤.隧道工程地下水水害防治與評價體系研究[D].西南交通大學，2009.

[3]唐仁，林本海.對基坑工程施工對鄰近地鐵盾構隧道的影響分析[J].地下空間與工程學報，2014，05：1629-1634.