城市軌道交通基坑降水模擬試驗(yàn)研究

薛利民

（中鐵十八局集團(tuán)有限公司天津國際工程分公司， 天津 300222）

近年來，我國城市軌道交通建設(shè)所引發(fā)的地鐵事故時有發(fā)生，其中，由于地下水問題引發(fā)的事故不在少數(shù)。由于城市軌道交通工程對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和使用功能具有高要求，在車站基坑工程的設(shè)計和施工時，必須將地下水的影響納入考慮范圍。因此，在城市軌道交通施工過程中，地下水的有效控制已成為基坑工程的重要課題。

1 工程概況

某城市軌道交通6號線文化中心站為地下車站，主體結(jié)構(gòu)長約167.3 m，寬約24.7 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用Φ850 mm泥土攪拌墻樁，局部落低處采用一隔一插H型鋼，沿基坑深度方向設(shè)置3道鋼支撐。

根據(jù)地下段結(jié)構(gòu)設(shè)計，含水層水位在結(jié)構(gòu)底板之上，如表1所示。在地鐵線路施工時，為確保施工安全與質(zhì)量，須采取有效的地下水控制措施，將地下水水位降到結(jié)構(gòu)底板之下。

表1 地下段結(jié)構(gòu)設(shè)計和地下水位概況 m

2 抽水試驗(yàn)方案

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康摹⒃O(shè)計要求，結(jié)合場地水文地質(zhì)條件，在深入分析各含水層的巖性、厚度、透水性等特性的基礎(chǔ)上，本試驗(yàn)針對4個不同的含水層組進(jìn)行4組多孔抽水試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)平面布置

本次試驗(yàn)根據(jù)場區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)條件、施工及設(shè)計要求，對4個含水層組分別進(jìn)行抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)監(jiān)測孔、抽水孔布置如圖1所示（圖中P為監(jiān)測孔，W為抽水孔）。監(jiān)測孔布置時考慮后期降水工程的需要及避開場地內(nèi)的工程樁位，P1-1和P1-2監(jiān)測孔設(shè)計距離為5 m，P2-1監(jiān)測孔設(shè)計距離為8.5 m，P2-2和P2-3監(jiān)測孔設(shè)計距離為17.2 m，P3-1監(jiān)測孔設(shè)計距離為8.5 m，P3-2和P3-3監(jiān)測孔設(shè)計距離為23.7 m，P4-1和P4-2監(jiān)測孔設(shè)計距離為22.5 m。W1、W2、W3和W4抽水孔設(shè)計距離分別為5.2 m、9.8 m、5.1 m和22.5 m。

2.2 試驗(yàn)順序

4組多孔抽水試驗(yàn)均按3個降深的穩(wěn)定流設(shè)計，并且分2個階段進(jìn)行：第1階段，單孔抽水獲取水文地質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)設(shè)計要求將第3組試驗(yàn)放在車站基坑范圍外距其他3組試驗(yàn)較遠(yuǎn)處進(jìn)行，考慮到先進(jìn)行第4組試驗(yàn)時對其他3組試驗(yàn)影響較小，因此第1階段試驗(yàn)順序?yàn)榈?組（W4）、第1組（W1）、第2組（W2）、第3組（W3）；第2階段，第2組（W2）、第3組（W3）同時進(jìn)行抽水試驗(yàn)。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 數(shù)值模型

數(shù)值模型向四周延伸1 000 m，模擬區(qū)面積為2 000 m×2 000 m，抽水試驗(yàn)場地中心300 m范圍網(wǎng)格按15 m×15 m的單元劃分，其他范圍按20 m×20 m的單元劃分，共劃分為115行、115列、7層，共13 225個單元，如圖2所示。

3.2 數(shù)值模型參數(shù)調(diào)整

通過反復(fù)調(diào)整數(shù)值模型參數(shù)，使實(shí)際值與計算值之間的誤差在誤差標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，從而確定數(shù)值模型中各含水層的參數(shù)值。P2-1和P3-1監(jiān)測孔基礎(chǔ)資料見表2。通過模型參數(shù)調(diào)整，模型計算的水頭曲線與實(shí)測的水頭曲線達(dá)到了較好的擬合，兩者的動態(tài)變化過程比較吻合，如圖3、圖4所示。經(jīng)模型參數(shù)精度調(diào)整后，模型的擬合效果較好，能夠較準(zhǔn)確地反映試驗(yàn)場地地下水滲流狀況、水滲流場的實(shí)際變化規(guī)律，可用于試驗(yàn)場地的降水效果預(yù)測。

3.3 降水效果預(yù)測

此次降水設(shè)計擬采用4眼減壓降水井，在基坑內(nèi)分別沿主體圍護(hù)兩側(cè)各布置2眼減壓降水井。利用上述調(diào)整好的模型分別采用單井5 m3/ h、10 m3/ h、15 m3/ h、20 m3/ h潛水泵進(jìn)行降水效果模擬預(yù)測，模擬結(jié)果如下。

（1）采用5 m3/ h潛水泵，基坑涌水量為每天480 m3，降水34天后坑內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計降深20.5 m，基坑內(nèi)水位降深等值線如圖5所示。

（2）采用10 m3/ h潛水泵，基坑涌水量為每天960 m3，降水17天后坑內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計降深20.5 m，基坑內(nèi)水位降深等值線如圖6所示。

（3）采用15 m3/ h潛水泵，基坑涌水量為每天1 440 m3，降水12天后坑內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計降深20.5 m，基坑內(nèi)水位降深等值線如圖7所示。

（4）采用20 m3/ h潛水泵，基坑涌水量為每天1 920 m3，降水9天后坑內(nèi)水位達(dá)到設(shè)計降深20.5 m，基坑內(nèi)水位降深等值線如圖8所示。

可見，基坑內(nèi)承壓水位降至設(shè)計水位降深后，基坑結(jié)構(gòu)基本達(dá)到穩(wěn)定。另外，考慮降水過程中，降水的成本及施工進(jìn)度要求，降水設(shè)計方案可在實(shí)際降水實(shí)施過程中適當(dāng)調(diào)整。

4 地表沉降監(jiān)測分析

為研究現(xiàn)場抽水水試驗(yàn)對表沉降的影響，布置了地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，并分為6個階段進(jìn)行地表沉降監(jiān)測，得到的監(jiān)測結(jié)果范圍如表3所示。從表3各階段的地表沉降值可以看出，地表沉降主要發(fā)生在第1組（W1）和第2組（W2）抽水期間，第2組（W2）以上地層主要為粉土和粉質(zhì)黏土，降水深度大導(dǎo)致地層孔壓變化大，加之這2層水的水力聯(lián)系密切， 因此產(chǎn)生的地表沉降較大；第3組（W3）抽水時其降深相對較小且與上2層水的水力聯(lián)系不密切，因此沉地表降相對較小。

表3 地表沉降監(jiān)測結(jié)果 mm

5 結(jié)論

（1）通過水位動態(tài)曲線模擬與實(shí)測水位動態(tài)曲線的對比，得到了較為一致的水位動態(tài)變化曲線圖，這表明模擬結(jié)果可以用來研究水位動態(tài)變化。實(shí)際監(jiān)測與計算模擬得出的水頭梯度場對比曲線表明數(shù)值模擬結(jié)果可以用來預(yù)測水頭梯度場的變化。

（2）運(yùn)用本次模擬結(jié)果，分別計算出使用不同抽水量潛水泵達(dá)到基坑內(nèi)水位設(shè)計降深20.5 m所需的時間，這為潛水泵選擇提供了依據(jù)。

（3）地表沉降監(jiān)測分析表明，地表沉降主要發(fā)生在第1組、第2組抽水期間；第3組抽水時其降深相對較小且與上2層水的水力聯(lián)系不密切，因此沉降相對較小。