地鐵車(chē)站深基坑微承壓水—潛水交換特征研究

陶 東 軍

(蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215004)

1 概述

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，城市規(guī)模越來(lái)越壯大，城市人口聚集規(guī)模呈現(xiàn)幾何式增長(zhǎng)，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(yùn)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(chǎng)地周邊人員與建筑安全，是軌道交通建設(shè)中的重要問(wèn)題[3]。

長(zhǎng)江中下游地區(qū)作為我國(guó)最發(fā)達(dá)地區(qū)，城市建筑密集，人口稠密，軌道交通需求旺盛。而長(zhǎng)江三角洲地區(qū)屬于沖積平原，土層以第四紀(jì)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(chē)站中深基坑開(kāi)挖與基坑監(jiān)測(cè)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(shí)的變形，通過(guò)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(duì)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(jiǎn)單方便且不確定參數(shù)較少，經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(shí)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]。基于上述兩種理論，在深基坑降水中形成較為多樣的地面沉降計(jì)算方法，如滲流場(chǎng)簡(jiǎn)化模糊計(jì)算法、利用抽水試驗(yàn)的線性擬合估算法、彈性理論計(jì)算法與水力參數(shù)計(jì)算法等[7]。

本文基于長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)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(jì)算法，認(rèn)為降水過(guò)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(chǔ)水系數(shù)與地下水量耦合，故在砂土環(huán)境下，地下水流動(dòng)的三維偏微分方程[9,10]為：

(1)

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(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻水頭值；W為源匯項(xiàng)；SS為點(diǎn)(x，y，z)處的儲(chǔ)水率；t為時(shí)間。

計(jì)算含水層的沉降模型方程為：

Δb=-qi·Δt·A

(2)

其中：

(3)

基于抽水試驗(yàn)下，監(jiān)測(cè)井的出水能力監(jiān)測(cè)，可以得到深基坑開(kāi)挖現(xiàn)場(chǎng)原狀土的滲透系數(shù)K：

(4)

其中，Q為抽水試驗(yàn)下，監(jiān)測(cè)井單井的流量；r為監(jiān)測(cè)井半徑值；l為有效過(guò)濾器長(zhǎng)度。

得出砂土環(huán)境下深基坑微承壓水—潛水交換特征模型：

(5)

(6)

h(x,y,z,t)|t=t0=h0(x,y,z)

(7)

H(x,y,z,t)|Γ1=H(x,y,z,t)

(8)

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(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻水頭值；W為源匯項(xiàng)(含井)；Sy為給水度；B為潛水含水層層厚；h0(x，y，z)點(diǎn)(x，y，z)處的初始水位nx,ny,nz為點(diǎn)的外點(diǎn)(x，y，z)處邊界面法線沿x，y，z軸方向單位矢量;q為點(diǎn)的外點(diǎn)(x，y，z)處邊界面上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量。

3 試驗(yàn)方案

3.1 工程概況

試驗(yàn)選取長(zhǎng)江中下游某城市地鐵地下車(chē)站深基坑為研究對(duì)象，該基坑采用地下連續(xù)墻內(nèi)支撐的圍護(hù)方案，車(chē)站(如圖1所示)采用明挖法施工，標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約為16.44 m～16.75 m，南部端頭井開(kāi)挖深度約18.20 m，北部端頭井開(kāi)挖深度約18.48 m。

該地鐵車(chē)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(chē)站土體物理性質(zhì)

3.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，在地勘階段中參考GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范中勘察點(diǎn)選取原則進(jìn)行抽水試驗(yàn)井點(diǎn)位置選擇并通過(guò)抽水試驗(yàn)來(lái)確定基坑縱橫向滲透系數(shù)。

研究基于車(chē)站主體基坑距離周邊建(構(gòu))筑物較遠(yuǎn)，針對(duì)地鐵車(chē)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(cè)點(diǎn)，以觀測(cè)地鐵車(chē)站深基坑沉降規(guī)律，沉降觀測(cè)方法參照GB 50026—2007工程測(cè)量規(guī)范。同時(shí)在沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近均勻布置相應(yīng)的水位觀測(cè)井，以驗(yàn)證降水水位變化對(duì)周?chē)h(huán)境水位的影響，其觀測(cè)方法參照GB 50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范進(jìn)行。整體監(jiān)測(cè)點(diǎn)布測(cè)方案如圖2所示。

試驗(yàn)由于考慮潛水與微承壓水互相聯(lián)通，由于承壓水對(duì)基坑安全風(fēng)險(xiǎn)存在較大影響，因此雖然坑內(nèi)疏干降水時(shí)已經(jīng)將坑內(nèi)整體水位降低至底板下1 m，但是為了保證基坑安全，在基坑內(nèi)兩個(gè)端頭和標(biāo)準(zhǔn)段各布置一口承壓水觀測(cè)井，在基坑開(kāi)挖時(shí)隨時(shí)觀測(cè)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。

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(jìn)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(kāi)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(yàn)所得滲透系數(shù)取縱向滲透系數(shù)為K=3 m/d、橫向滲透系數(shù)為K=1.5 m/d。通過(guò)MODFLOW得出降水引起的地面沉降量如圖3所示。

由圖3可知，通過(guò)MODFLOW計(jì)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18.25 mm。為了驗(yàn)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(chǎng)試驗(yàn)中對(duì)于地鐵車(chē)站深基坑各測(cè)點(diǎn)從開(kāi)挖至車(chē)站封頂?shù)娜珘勖芷诘某两当O(jiān)測(cè)，并統(tǒng)計(jì)全壽命周期的基坑累計(jì)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15 mm，與計(jì)算理論值相差僅3.25 mm，且理論沉降值高于實(shí)際沉降值，故而理論沉降值可靠。

基坑水位監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，坑內(nèi)降水引起坑外水位最大降深約1 m；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地表沉降約11.1 mm。而利用室內(nèi)試驗(yàn)的滲透系數(shù)計(jì)算中，同樣井點(diǎn)數(shù)下坑外水位最大降深約5.1 m，引起坑外沉降約18.2 mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)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(yàn)得到，而長(zhǎng)江三角洲地區(qū)屬于沖積平原，土層以第四紀(jì)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(shí)際受力狀態(tài)關(guān)系密切[11]，本文利用抽水試驗(yàn)所得的滲透系數(shù)與室內(nèi)試驗(yàn)所得差異較大，主要有兩方面的原因：

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

表2 基坑累計(jì)沉降表 mm

傳統(tǒng)降水理論計(jì)算基于穩(wěn)定滲流理論，當(dāng)達(dá)到滲流穩(wěn)定時(shí)，抽水量等于補(bǔ)給量。當(dāng)保證坑內(nèi)降水水位位于坑底0.5 m～1 m時(shí)，由于理論計(jì)算中滲透系數(shù)小，補(bǔ)給量無(wú)法滿足抽水量的要求，這就只能通過(guò)坑外水位漏斗面降低來(lái)滿足穩(wěn)定滲流的需求[12]，即理論計(jì)算坑外水位降深偏大。在開(kāi)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(dòng)態(tài)平衡更容易維持，相比室內(nèi)試驗(yàn)，砂土的實(shí)際滲透系數(shù)更大，這就使得補(bǔ)給更加充分而不需通過(guò)坑外水位面的降低來(lái)達(dá)到平衡的要求，因此理論上坑外的降深要大于實(shí)測(cè)值。

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

5 結(jié)論

本文基于長(zhǎng)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(dòng)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(dòng)方程，得出了相應(yīng)深基坑的地面沉降的理論值，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)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(guò)對(duì)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(guò)模型計(jì)算所得理論沉降值略高于地表實(shí)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(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)所得出的滲透系數(shù)在降水分析中更具有優(yōu)勢(shì)。