地鐵車(chē)站基坑降水影響特征分析及優(yōu)化研究

摘要：通過(guò)有限元分析軟件Midas GTS NX，對(duì)地鐵車(chē)站基坑降水過(guò)程進(jìn)行模擬，探討止水帷幕的作用以及管井橫向間距對(duì)降水效果的影響規(guī)律。結(jié)果顯示：在靠近基坑外側(cè)與止水帷幕底部相接近的節(jié)點(diǎn)，水頭變化更大，前7d變化特別明顯，而后逐漸平穩(wěn)，隨時(shí)間推移水頭變化呈線(xiàn)性發(fā)展趨勢(shì)。止水帷幕的設(shè)置可以使基坑外側(cè)水頭損失有效降低，有效減小土體固結(jié)沉降。管井橫向間距距離止水帷幕越大，越有利于減小土體固結(jié)沉降。

關(guān)鍵詞：地鐵基坑；止水帷幕；管井；固結(jié)沉降

0 " 引言

從現(xiàn)有的基坑事故統(tǒng)計(jì)中可以發(fā)現(xiàn)，水患是導(dǎo)致事故發(fā)生的重要因素。基坑施工時(shí)產(chǎn)生水患事故的原因，多數(shù)是事前未分析好基坑和周邊水的關(guān)系，缺乏行之有效的解決措施[1]。如施工周邊土體存在較低的滲水率，土層在降雨之后的排水量小，水分滯留在部分土體內(nèi)，將導(dǎo)致出現(xiàn)局部積水的情況。此外，施工破壞了管線(xiàn)也容易導(dǎo)致滲漏水。當(dāng)濕陷性黃土層中有水分滲入時(shí)，將會(huì)破壞到黃土結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強(qiáng)度減弱[2]。

深入分析黃土地質(zhì)條件下基坑降水規(guī)律及特征，可有效指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工，使事故率得到有效降低，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文通過(guò)有限元分析軟件Midas GTS NX，對(duì)地鐵車(chē)站基坑降水過(guò)程進(jìn)行模擬，探討止水帷幕的作用以及管井橫向間距對(duì)降水效果的影響規(guī)律。

1 " 工程概況

本文以某地鐵四號(hào)線(xiàn)和三號(hào)線(xiàn)換乘站的大型明挖黃土基坑為研究對(duì)象。該車(chē)站總建筑面積37000m2，兩端為盾構(gòu)區(qū)間，所用施工方法為明挖順作法。施工時(shí)先進(jìn)行車(chē)站主體的施工，在車(chē)站封頂完成，將道路恢復(fù)之后，再施工附屬結(jié)構(gòu)。基坑范圍內(nèi)的地下水為潛水，現(xiàn)場(chǎng)勘察時(shí)地下水處于低水位期，約有8.5～11.7m的穩(wěn)定水位埋深，水位年變化幅度約2m。地下水徑流方向?yàn)槲鞅?，同地形坡度相同，主要采用徑流和人工開(kāi)采等方式排泄?jié)撍?/p>

2 " 基坑降水施工方案

該基坑項(xiàng)目位于市中心，周邊建筑密集，若降水出現(xiàn)地面過(guò)大沉降，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。為了有效保證降水施工的安全性，需對(duì)基坑降水施工方案科學(xué)設(shè)計(jì)。對(duì)基坑降水施工方案進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)降水產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)充分考量。

2.1 " 車(chē)站基坑水位基本狀況

該項(xiàng)目三號(hào)線(xiàn)水位降深11m，四號(hào)線(xiàn)水位降深20m，存在較大的水位降差，在高水頭壓力下，止水帷幕容易產(chǎn)生滲水以及涌水災(zāi)害，因此需制定科學(xué)的降水方案并嚴(yán)格執(zhí)行。本項(xiàng)目車(chē)站基坑水位基本狀況如表1所示。

2.2 " 基坑降水施工方案設(shè)計(jì)

綜合項(xiàng)目水文地質(zhì)及周邊建筑環(huán)境考慮，總結(jié)現(xiàn)有黃土基坑降水經(jīng)驗(yàn)，決定采用坑內(nèi)管井降水結(jié)合觀(guān)測(cè)井的方案。依據(jù)地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告，決定以8m/d作為基坑土體滲漏系數(shù)控制標(biāo)準(zhǔn)。

降水井中心距離圍護(hù)樁結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)約2.4m，距離隧道中心線(xiàn)約1.1m。在降水井布置時(shí)，考慮結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角存在較多構(gòu)造鋼筋，難以進(jìn)行防水施工，因此避免在結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角位置布設(shè)[3]。

管井布置位置盡可能與臨時(shí)鋼支撐、臨時(shí)格構(gòu)柱、主體結(jié)構(gòu)永久結(jié)構(gòu)混凝土柱保持合理距離。四號(hào)線(xiàn)走向應(yīng)設(shè)置數(shù)量足夠的45m深降水井，以確保四號(hào)線(xiàn)和三號(hào)線(xiàn)交界處地下水位滿(mǎn)足施工要求。降水觀(guān)測(cè)井布置的形式及深度，與降水井一致，共設(shè)置10口觀(guān)測(cè)井[4]。

初步布置好井位之后，為確保順利進(jìn)行施工，應(yīng)開(kāi)展井位物探工作，避免施工中受到地下障礙物的影響；若出現(xiàn)障礙物應(yīng)及時(shí)調(diào)整井位，并能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)降水要求[5]。車(chē)站基坑橫斷面示意如圖1所示。

3 " 基坑降水方案的數(shù)值分析

3.1 " 數(shù)值模擬模型

采用有限元分析軟件Midas GTS NX建模，對(duì)各工況下降水影響進(jìn)行分析，同時(shí)在基坑內(nèi)外從上至下各選取七個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖2所示[6]。

3.2 " 基坑降水?dāng)?shù)值模擬

模擬車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的降水過(guò)程，以時(shí)間步長(zhǎng)360s進(jìn)行瞬態(tài)計(jì)算，本文僅列出20d水頭模擬計(jì)算結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可知：基坑外水頭在止水帷幕隔水作用下變化幅度較小，水頭變化較大的范圍主要位于坑底及坑內(nèi)，水頭呈現(xiàn)“W”形等勢(shì)線(xiàn)。約10d后，坑內(nèi)上部土體僅有較弱滲流作用，上部土體地下水有3.36e-4m/s最大流速，大于3.21e-4m/s的實(shí)測(cè)值；20d后，水頭進(jìn)一步變化，坑內(nèi)上部土體幾乎沒(méi)有滲流作用，上部土體地下水僅有2.92e-4m/s的最大流速，大于2.68e-4m/s的實(shí)測(cè)值。

由圖3同時(shí)可以看到：前5d內(nèi)坑內(nèi)上部土體有更大的水頭變化幅度；前7d坑內(nèi)外土體水頭變化普遍較大，隨后變化平緩，趨于線(xiàn)性變化特征。受坑內(nèi)降水井作用，坑內(nèi)土體水頭變化幅度更為明顯。數(shù)值模擬值和實(shí)測(cè)結(jié)果值較為接近，表明所建立模型有一定的可靠度。模擬值均略大于實(shí)測(cè)值，原因在于建模時(shí)邊界與初始條件有所簡(jiǎn)化，未將全部影響因素考慮在內(nèi)。

3.3 " 止水帷幕的效果分析

為分析止水帷幕的應(yīng)用效果，建立基坑未采用止水帷幕條件下的數(shù)值模型，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知：未設(shè)置止水帷幕條件下，管井周?chē)馏w均有相對(duì)較大的水頭變化幅度，水頭大致呈現(xiàn)出“W”形等勢(shì)線(xiàn)。10d后的水頭變化范圍擴(kuò)大至原水頭線(xiàn)，基坑內(nèi)主要為水平滲流，約有2.10×10-4m/s的最大流速，大于2.01×10-4m/s的實(shí)測(cè)值。雖然該值相對(duì)于設(shè)置止水帷幕條件下較小，但最大流速值區(qū)域面積卻相對(duì)較大。20d后，水頭進(jìn)一步變化，最大流速降低到1.66×10-4m/s，大于1.37×10-4m/s的實(shí)測(cè)值。基坑外上部節(jié)點(diǎn)水頭降低幅度較大，7d后變化幅度逐漸減小，趨于線(xiàn)性變化特征。相比于坑內(nèi)，坑外側(cè)水頭變化幅度更小。

綜上分析可知：靠近管井位置的地下水，在未設(shè)置止水帷幕條件下產(chǎn)生水平滲流存在。由于滲流路徑更短，上部土體水頭變化程度變大，導(dǎo)致基坑外側(cè)水頭損失變大。依據(jù)現(xiàn)代土力學(xué)有效應(yīng)力原理，水頭損失大會(huì)導(dǎo)致固結(jié)沉降更大。因此，止水帷幕的存在造成地下水滲流路徑延長(zhǎng)，大幅度坑外地層水頭損失，固結(jié)沉降有效減小。

4 " 管井橫向間距的影響

為避免基坑內(nèi)施工作業(yè)受到影響，一般情況下管井多設(shè)置在距離止水帷幕約2m的位置[7]。在管井設(shè)計(jì)中，管井位置是關(guān)鍵參數(shù)，若設(shè)計(jì)得足夠合理則可以使降水效果得到有效提高，使坑外地下水水頭損失有效減少。為對(duì)管井設(shè)置間距所造成的影響進(jìn)行研究，本文增加建立2個(gè)模型，并將與原2m距離條件下進(jìn)行對(duì)比。限于篇幅，本文直接給出模擬結(jié)論。

在管井和止水帷幕的距離為4m的工況下，10d后基坑約有3.11×10-4m/s的最大流速，相比于2m距離的工況要小。相比于2m距離工況，4m距離工況水頭變化影響區(qū)域更??；20天后，管井底部?jī)H有較小的水頭變化，約有2.75×10-4m/s最大流速；坑內(nèi)水頭變化幅度較大，而坑外水頭變化幅度較平緩。在管井和止水帷幕距離6m工況下，10d后的基坑約有2.91×10-4m/s的最大流速，比2m和4m距離的工況更小，且影響范圍也更??；20d后約有2.63×10-4m/s的最大流速。

綜上分析可知：在3種不同距離工況下，基坑內(nèi)水頭變化相對(duì)不大，但基坑外水頭變化規(guī)律較大；在4m和6m條件時(shí)，隨時(shí)間的變化，基坑外的水頭變化更為平緩；距離越大，坑外水頭損失越小，越有利于減小坑外固結(jié)沉降。

5 " 基坑降水井施工關(guān)鍵技術(shù)

5.1 " 井位放樣

在井位定位之后，通過(guò)人工開(kāi)挖的方式將探井挖至2m，并確保探井周?chē)鷽](méi)有地下管線(xiàn)等相關(guān)障礙物，再將護(hù)筒下放，用黏土分隔護(hù)筒外側(cè)表層雜填土層，以避免鉆井時(shí)流失的水量過(guò)大。

5.2 " 人工探井

井下深度4m范圍宜采用人工的方式進(jìn)行探井，通過(guò)4個(gè)探點(diǎn)布置到井壁，對(duì)地下管線(xiàn)進(jìn)行探測(cè)。若施工時(shí)遇到地下管線(xiàn)，可對(duì)井位進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，并重新進(jìn)行探井。若在車(chē)站基坑內(nèi)設(shè)置降水井，則可以不進(jìn)行探井。

5.3 " 鉆孔下管

鉆孔時(shí)，為降低洗井困難程度，應(yīng)采用鍋錐鉆機(jī)進(jìn)行成孔。若砂層有較大厚度，可選擇反循環(huán)鉆機(jī)進(jìn)行成孔。下管時(shí)，可使用無(wú)砂混凝土濾水管作為井管材質(zhì)。安裝井管預(yù)制混凝土管座，緩慢下放。當(dāng)管口和井口約有200mm的距離時(shí)，連接上節(jié)井管，并使用多層尼龍網(wǎng)包裹接頭。確保上下節(jié)井管不錯(cuò)位。填入礫料時(shí)應(yīng)確保連續(xù)和均勻，并做到隨填隨測(cè)，確保填入量。

5.4 " "洗井抽水

安裝完井管后，放置污水泵至井底。孔內(nèi)水位會(huì)隨著污水泵中泥漿水的抽取不斷降低，通過(guò)濾料和濾水管四周泥漿水會(huì)不斷流入降水井中，孔壁在該過(guò)程中會(huì)不斷被沖刷，從而確保管井孔壁透水性良好。洗井時(shí)應(yīng)及時(shí)觀(guān)測(cè)水位和出水量的變化。在抽降時(shí)，應(yīng)及時(shí)檢查設(shè)備正常工作狀態(tài)，確保連續(xù)抽水。

6 " 結(jié)束語(yǔ)

深入分析黃土地質(zhì)條件下基坑降水規(guī)律及特征，可有效指導(dǎo)實(shí)際項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工，使事故率得到有效降低，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全。本文通過(guò)有限元分析軟件Midas GTS NX，對(duì)地鐵車(chē)站基坑降水過(guò)程進(jìn)行模擬，探討止水帷幕的作用以及管井橫向間距對(duì)降水效果的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

基坑外與止水帷幕底部較為接近的節(jié)點(diǎn)水頭變化相對(duì)較大。前7d內(nèi)，整體土層水頭變化均有較大的變化幅度，隨后不斷趨于平緩。隨時(shí)間變化，水頭變化逐漸趨于線(xiàn)性變化特征。止水帷幕本身滲流系數(shù)極小，由于止水帷幕的存在，使得止水帷幕兩側(cè)周邊土體僅有較小的水分交換，基坑外側(cè)地下水須繞過(guò)止水帷幕到達(dá)降水管井，由此造成滲流路徑有所加長(zhǎng)。

合理設(shè)置止水帷幕，可以使坑外側(cè)水頭損失有所減小，進(jìn)而使固結(jié)沉降有所減小。管井距離止水帷幕距離越大，坑外地層的水頭損失越小，越有利于降低基坑外部固結(jié)沉降。通過(guò)科學(xué)合理的降水井布置，能夠有效減少車(chē)站基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響。

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