盾構(gòu)掘進過程中地下水位變化模擬

張寶安

中國鐵建昆侖投資集團有限公司，四川 成都 610000

城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大，城市建筑樁基開挖、地鐵開挖和地下綜合管廊等施工過程中必然會進行抽水和降水作業(yè)，在地面動靜荷載的協(xié)同耦合作用下，導致局部地下水的水位反復升降處于動態(tài)調(diào)整過程中[1-3]。水位的升降將會呈現(xiàn)漏斗形態(tài)并不斷演化，工程中抽水引起土體和液體產(chǎn)生流固耦合，使得環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害變得尤為復雜，水位線控制不當將引起地表沉降和施工過程中的工程災(zāi)害。在砂卵石土地層盾構(gòu)掘進過程中水位升降等滲流問題表現(xiàn)得更為突出，土中有效應(yīng)力不斷增加，水壓力減小，改變盾構(gòu)在土層的相互受力狀態(tài)，容易誘發(fā)管片接頭斷裂，尤其在盾構(gòu)掘進過程中換刀片施工安全。基于此，文章采用GMS地下水模擬軟件，建立水文地質(zhì)概念模型，研究在砂卵石地層盾構(gòu)掘進過程中降水井抽水引起地下水水位變化，以期為砂卵石土地層盾構(gòu)安全掘進施工提供指導。

1 工程概況

成都地鐵5號線青羊?qū)m站—省骨科醫(yī)院站、省骨科醫(yī)院站—高升橋站（含5穿3暗挖段110m）、高升橋站—科園站區(qū)間、市政下穿隧道（751m）主要工法為明挖法、暗挖法、盾構(gòu)法。地下水富含在卵石土層中，卵石層力學不穩(wěn)定地層，顆粒間空隙大，無黏聚力，顆粒間點對點傳力，卸荷時，原來的平衡狀態(tài)破壞，引起卵石塊滾動。卵石層的孔隙潛水豐富，滲透性大，導致基坑降水對工程施工安全威脅較大。通過降水可及時疏干暗挖區(qū)間豎井及正線開挖范圍內(nèi)的地下水，保持開挖面的干燥，并增加作業(yè)面的穩(wěn)定性，防止開挖面失穩(wěn)，改善土體開挖運輸性能，在基坑開挖施工時需及時降低基坑中的地下水位，保證坑開挖施工的順利進行。

2 水位模擬分析

2.1 水文地質(zhì)條件

地下水富含在卵石土層中，由于卵石層的孔隙潛水豐富，滲透性大，導致基坑降水對工程施工安全威脅較大。

通過降水及時疏干暗挖區(qū)間豎井及正線開挖范圍內(nèi)的地下水，保持開挖面的干燥，并增加作業(yè)面的穩(wěn)定性，防止開挖面失穩(wěn)，改善土體開挖運輸性能；在基坑開挖施工時做到及時降低基坑中的地下水位，保證坑開挖施工的順利進行。

在DK26+301處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，并在該處進行盾構(gòu)機換刀施工。降水采用管井降水，盾構(gòu)機換刀需將地下水降至盾構(gòu)機中心線位置，即降水深度約為19.5m；聯(lián)絡(luò)通道施工需將地下水降至地板下1m位置，即設(shè)計降水深度約為23m。

降水范圍等效半徑計算公式如下（矩形狀基坑）：

式中：A為基坑面積。

降水影響半徑計算公式如下（潛水含水層）：

式中：s為降水深度；K為滲透系數(shù)；H為承壓水和潛水含水層的厚度。

設(shè)計井徑dw為0.3m，含水層深度H0為24.0m，降水后水位距離含水層頂距離h為4.5m，井點降水深度s=降深要求-地下最高水位=29.5-10.0=19.5m。

2.2 水力特征及邊界概化

根據(jù)前期水文地質(zhì)勘查及水文地質(zhì)抽水試驗，含水層分布范圍較廣且連續(xù)，因此降水井抽水時，邊界位置地下水水位降深較小，三層地下水邊界都可看作是一類定水頭邊界。在研究區(qū)內(nèi)，地下水流場較為平緩，滲流基本符合達西定律；水流形式可以概化為平面二維流或準三維流；水流各要素隨時間發(fā)生變化，為非穩(wěn)定流。模擬區(qū)面積為431406m2，采用Modflow進行自動矩形剖分，在基坑和降水井范圍對對自動剖分的矩形網(wǎng)格進行手動加密，共剖分6806個網(wǎng)格單元。

2.3 參數(shù)分區(qū)及初值

時間離散設(shè)置用來定義模型的模擬期長度、應(yīng)力期及時間步長。首先設(shè)置模擬期內(nèi)總應(yīng)力期數(shù)，即將模擬期劃分為多少個應(yīng)力期；然后輸入各個應(yīng)力期的長度，模擬期的總長度就等于各個應(yīng)力期長度的總和；最后定義時間步長數(shù)，即將每個應(yīng)力期劃分為多少個時間步長，每個時間步長的長度等于每個應(yīng)力期的長度與時間步長數(shù)的商。由于此次模擬只是考慮抽水時地下水流場變化，因此應(yīng)力期定為10d，每天劃分為1個步長。

根據(jù)前期水文地質(zhì)勘查和水文地質(zhì)抽水試驗的計算結(jié)果，綜合確定該區(qū)的水文地質(zhì)參數(shù)及參數(shù)分區(qū)。參數(shù)初始值如表1所示。

表1 模擬區(qū)含水層水文地質(zhì)參數(shù)表

2.4 模型的識別驗證

模型研究區(qū)邊界為定水頭邊界，且沒有其他補給排泄項，因此地下水流場線不隨著時間變化，只要保證地下水初始流場正確即可，不需要進行模型識別和驗證。

3 模擬結(jié)果分析

由于第一層含水層滲透系數(shù)很大，在大流量抽水條件下，只有抽水井流場發(fā)生變化，其他區(qū)域未發(fā)生變化。抽水10d含水層地下水流場如圖1所示。由圖1可知，隨著抽水時間的增加，抽水井附近的流場線彎曲程度加大，說明抽水井附近地下水位在不斷下降。在距抽水井15m范圍內(nèi)，地下水水位從抽水1d到10d共下降約0.17m。

圖1 抽水10d含水層地下水流場圖

在距抽水井15m范圍內(nèi)，地下水水位從抽水1d到10d共下降了約0.17m。抽水前期水位降深較快，隨著抽水時間增加，地下水位線慢慢變平緩，在抽水10d以后地下水位變化較小，保持穩(wěn)定下降，趨于平穩(wěn)，出現(xiàn)似穩(wěn)定狀態(tài)。第二層地下水位變化規(guī)律和第一層基本一致。第二層地下水盾構(gòu)始發(fā)區(qū)域地下水被疏干，不同的是第二層含水層滲透系數(shù)很小，因此其等水頭線彎曲程度較大，說明地下水位降深較大。地下水水位從抽水1d到10d共下降0.065m，較第一層和第二層地下水下降程度小得多，這是由于第三層地下水滲透系數(shù)較大，在抽水初期就貢獻了較大的降深值。

4 結(jié)論

（1）隨著抽水時間的增加，抽水井附近的流場線彎曲程度加大，說明抽水井附近地下水位在不斷下降，當水頭線彎曲程度較大，說明地下水位降深越大。

（2）通過數(shù)值模擬的計算預測，發(fā)現(xiàn)在兩眼井以單井抽水量為870.4m3/d時抽水時，可以達到盾構(gòu)聯(lián)絡(luò)通道換刀施工區(qū)域內(nèi)地下水位降低到盾構(gòu)區(qū)域底板以下1.5m的要求。

（3）通過對降水井抽水過程的數(shù)值模擬得到地下水位變化規(guī)律，實踐表明GMS地下水流數(shù)值模擬可以很好地模擬抽水時地下水的流動情況。