全强风化花岗岩地层地铁基坑降水研究

全强风化花岗岩地层地铁基坑降水研究

姓名：陈冬发

单位：广西大汉岩土工程有限责任公司邮编： 541002

摘 要 基坑降水控制和变形控制是地铁深基坑施工的重要工作内容。依托某地铁3号线洋塘地铁站深基坑降水项目，采用地下降水与地面沉降耦合的数学模型，建立三维地铁深基坑渗流模型，研究基坑降水引起的周边水位降深分布。研究表明，厦门地区全强风化花岗岩具有明显的差异风化特性，颗粒组成具有“双峰”特性，使得不同风化程度的岩土体渗透系数存在明显差异，给基坑降水控制带来困难；在未形成封闭止水帷幕情况下，基坑周边水位降深、涌水量均随止水帷幕深度增加减小，形成封闭止水帷幕后，降水对周边环境的影响较小。

关键词 厦门 花岗岩残积土 地铁深基坑 基坑降水 数值模拟

1^ 引言

随着城市化进程的加剧，全球大中型城市都面临着城区人口密集、地上空间拥挤、交通拥堵的困境^[1-3]。发展城市轨道交通成为解决城市地面交通拥堵的有效途径，地铁建设在我国得到了迅猛发展，截至2019年12月，全国（不含港澳台）已有45座城市开通地铁，运营线路达到237条，运营里程达到7747公里，运营车站达到5189座^[4]。目前，地铁车站的修建通常采用经济高效的明挖法，大量的地铁车站开挖不可避免地需要采取地下水控制技术以保证基坑作业的无水环境。

本文依托某地铁3号线洋塘地铁站深基坑降水项目，在分析场区全强风化花岗岩特殊的渗流特性基础，采用地下降水与地面沉降耦合的数学模型，建立三维地铁深基坑渗流模型，研究基坑降水引起的周边水位降深分布情况和周边土体变形情况。研究成果可为花岗岩地层的基坑降水方案设计和基坑开挖环境影响分析提供参考。

2 地铁深基坑工程概况

2.1 地铁深基坑设计概况

洋塘地铁站位于石厝路与新城中路交叉口，为厦门地铁3号线标准站，地下二层岛式车站，为单柱双跨框架结构，车站总长205m，标准段基坑宽度为19.7m，深度约为18.0m，顶板覆土约3.8m。共设2组风亭4个出入口，车站大里程端为盾构接收，小里程端为盾构始发。

洋塘站主体基坑采用明挖顺筑法施工，主体基坑长205m，标准段宽度19.7m，支护和止水结构为Φ1000mm@1200mm钻孔灌注桩+Φ800mm@1200mm桩间旋喷桩止水+3道内支撑支护体系。标准段第一道支撑采用钢筋混凝土支撑，截面尺寸为800×1000mm；第二道支撑采用Φ609，t=16mm钢管撑；第三道钢支撑采用支撑Φ810，t=18mm；钢管撑均支撑在双拼I63a钢围檩上。

2.2 地铁深基坑地质与水文地质条件

依据场区地质勘察资料表明，场区地层从上至下主要为⑪₁残积黏性土、⑰₁全风化花岗岩、⑰₂散体状强风化花岗岩、⑰₃碎裂状强风化花岗岩、⑰₄中风化花岗岩、⑰₅微风化花岗岩。基底位于强风化花岗岩、局部位于中风化花岗岩和微风化花岗岩。

3 地铁基坑降水数学模型

根据此水文地质概念模型，建立与之相适应的地下水运动三维非稳定流数学模型：

（1）

（2）

（3）

式中，对于承压含水层而言，E=S，S为储水系数，T=M，M为承压含水层单元体厚度，m；对于潜水含水层而言，E=S_y，S_y为给水度，T=B，B为潜水含水层单元体饱和地下水厚度，m；k_xx、k_yy、k_zz分别为空间x、y、z方向上的渗透系数，m/d；h为点（x，y，z）在t时刻的水头高度，m；W为源汇项，d^-1；h₀为计算域初始水头高度，m；h₁为第一类边界的水头高度，m；t为时间，d；Ω为计算域；Γ1为第一类边界。

4 基坑降水数值模型的建立

4.1 基坑降水模型

取最不利断面分析，地面标高+8.06m，开挖深度为18.0m，止水帷幕深度18.60m，模型几何尺寸取1200×630×80m。降水井梅花形布置，滤管至坑底以下8m，单口降水井作用范围为180m²，坑内降水控制原则为基底面下不小于1.0m，抽水时间取120天。

为了解止水帷幕深度增加对降水控制的影响，将止水帷幕深度在基准深度（18.60m）的基础之上减2m，增加4m、8m、10m（进入下部中风化花岗岩相对不透水层0.6m），即止水帷幕深度分别为16.60m、22.60m、26.60m、28.60m。

建立的地铁深基坑模型如图1所示，并对整体基坑降水模型进行离散和网格划分，局部网格化加密。

图1 地铁深基坑剖分图

5 模拟结果分析

5.1 基坑周边降水深度分析

图2为不同止水帷幕深度条件下，基坑周边监测点水位降深变化图，各监测点与基坑边最近的直线距离如表3所示。

表1 各监测点与基坑边距离

图2 止水帷幕深度与水位降深关系曲线

从图2中可以看出，在坑内水位降深一致的情况下，坑外水位降深随止水帷幕深度的增加逐渐减小。在止水帷幕深度16.6m情况下，坑外承压水位降深最大值达5.23m，当止水帷幕深度逐渐增大时18.6m时，坑外水位降深较慢，而当止水帷幕深度增加至26.60m时，坑外承压水位降深最大为4.11m，尽管比止水帷幕深度16.6m情况减小了1.11m，但此时的帷幕深度需要增加10m，对于地铁这类大型基础建设来说显得尤为不经济；在止水帷幕入岩形成封闭止水情况下，坑外水位降深为零，主要是由于止水帷幕切断坑内外水力关系。随着监测点距离基坑边距离的增加，基坑的水位降深逐渐减小，监测点CJ2、CJ3、CJ4、CJ5距离基坑边的距离相近，其水位降深曲线相近。

综合可知，全强风化花岗岩地层条件下，采用超长或者全封闭的止水结构对控制基坑外水位降幅显得尤为不经济，加之花岗岩具有风化不均匀性、球形风化等特性，完全止水显得不甚合理，在合理计算止水帷幕的降压效果后，可以选择悬挂式止水帷幕的方案。

5.3 模拟结果与现场实测数据分析

选取在监测点CJ3附近约1.0m钻水位监测孔，用于监测坑内降水时坑外水位的变化情况，监测时间从基坑开挖开始，到基坑开挖封底为止，监测时长为130天，水位监测实测数据与计算数据对比，如图10所示。从整体上看，基坑累计水位降深的实测与计算值较为接近，变化规律基本一致，表明数值计算结果合理，具有较强的预测能力；在0～40d内，随着基坑的不断开挖，坑内降水强度不断加大，监测点位置处的水位降深下降迅速，而在40d以后，随着抽数强度的逐渐稳定，累计水位降深也趋于收敛；相对于数值计算结果，实测值随时间的变化呈现一定的波动，并非为稳定光滑的曲线，这是因为实际情况比理论模型而言，具有复杂性，降水结构受地质、水文、施工工艺等诸多因素的影响。

图3 水位降深实测值与计算值对比

6 结论

依托地铁站深基坑降水项目，采用三维地铁深基坑渗流数值模拟方法，研究基坑降水引起的周边水位降深和周边土体变形情况，得出以下几个结论：

（1）在未形成封闭止水帷幕情况下，基坑周边水位降深、涌水量均随止水帷幕深度增加减小，周边地表沉降与坑外水位降深相关性较强，表现出与前者相似的规律；形成封闭止水帷幕后，降水对周边环境的影响较小。

（2）实测结果与数值计算对比表明，在水位降深和土体变形结果中，两者整体上均较为接近，变化规律基本一致。受地层、水文等因素影响，实测数据呈现一定的波动性。

参考文献

[1]卢海丰,李辉,孙波.富水地层深基坑开挖施工技术及控制措施研究[J].铁道建筑技术,2018(10):10-15.

[2]孔雪,任传祥,高歌,等.考虑轨道交通规划的城市公交线路运行效率评价[J].科学技术与工程,2020,20(13):371-376.

[3]雷鹏.井点降水法在复合地层基坑工程中的应用研究[J].铁道建筑技术,2018(z2):164-166,206.

[4]韩宝明,陈佳豪,杨运节,等.2019年世界城市轨道交通运营统计与分析综述[J].都市快轨交通,2020,33(1):12-16.

收稿日期：

作者简介：XXXXX

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