富水砂卵石地层地铁车站基坑降水优化研究*

毕志华，贾兴隆，赵善乐，林志宇，涂 果

(1.中国水利水电第四工程局有限公司，青海 西宁 810000； 2.西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

0 引言

城市轨道交通是我国最重要的公共交通方式之一，其以运量大、速度快、安全、准点、环保、节约能源和用地等优点，达到了快速大量运输乘客的目的，满足了乘客快速高效出行需求。地铁系统作为城市轨道交通体系的重要组成部分，缓解了城市地面交通的拥挤问题。

地铁车站主要采用明挖法施工，通过施作支护体系对开挖基坑进行保护，然后在基坑内进行地下工程主体结构施工。地铁基坑工程施工工序较多，包括基坑围护结构施工、降水、开挖、支撑体系施工等[1-4]。其中，基坑降水是决定基坑工程能否如期安全施工的决定性工序之一，采用合理的基坑降水方法能够防止边坡失稳，提高基坑稳定性，保证施工安全[5]。渗透系数是反映土体渗透能力的指标之一，也是保证基坑降水效果的决定性因素之一。

基坑采用井点降水时，渗透系数取值决定了基坑降水井数量及单井降水量，当渗透系数设计值小于土体渗透系数实际值时，易出现降水过程中水位线无法下降的情况。

对于基坑土体渗透系数取值问题，目前工程上多基于现场降水试验结果，采用已有经验公式进行计算，如修正太沙基法、直线斜率法、水位恢复法、Thiem法等，已有研究表明，计算误差最小的方法为水位恢复法和Thiem法，修正太沙基法中的渗透系数计算经验公式适用于有效粒径为0.2～0.8mm的地层[6-8]。

为进一步明确土体渗透系数影响因素，杨兵等[9]研究了砂土不均匀系数、曲率系数、平均粒径和孔隙比对渗透系数的影响，结果表明，渗透系数随着曲率系数的增大而增大，随着不均匀系数的增大而减小，渗透系数与平均粒径的变化关系接近线性正相关。丁瑜等[10]通过平均影响值法和试验验证，评价了不同级配粒径对渗透系数的影响，分析了孔隙比对粗粒土渗透系数的影响。张明斌等[11]通过室内渗流试验，建立了渗透系数线性预报模型，模型预测值与实测值平均相对误差为12.39%。考虑到现场降水试验与室内渗流试验提高了时间成本与工程造价，赵磊等[12]基于有限元数值模拟方法计算了土体渗透系数，并将计算结果与实测值进行对比，结果表明，数值模拟计算结果具有较高的精度。赵勇博[13]依托福州市轨道交通2号线典型的富水砂卵石地层深基坑承压水降水工程，通过理论分析、现场试验、数值计算等多种手段对降水方案进行优化分析。罗志兵[14]基于地下水动力学及数值模拟理论，运用Midas/GTS软件建立了基坑降水数值模型，分析了基坑降水过程中地下水位变化规律，为工程施工提供了参考。

目前对于土体渗透系数取值的计算方法研究较多，而关于土体渗透系数对基坑降水深度的影响规律研究相对较少。鉴于此，本文依托洛阳轨道交通1号线青年宫站工程，采用数值模拟方法，分析不同土体渗透系数下基坑降水深度，并针对基坑降水过程中水位线无法下降的问题，优化基坑降水方案。将数值模拟计算结果与降水实测数据进行对比分析，以验证方法的准确性。

1 工程概况

洛阳轨道交通1号线青年宫站位于中州东路与左安街交口处地下，沿中州东路东西向敷设。车站西北侧为青年宫广场，北侧为天府火锅，南侧为老城区邮局及神州眼科医院。青年宫站为地下3层岛式车站，主体结构采用双柱3跨钢筋混凝土箱形框架结构。车站总长216m，结构标准段宽21.40m，纵向坡度为2‰(下坡)，标准段底板埋深约24.22m，站台中心里程处覆土厚度约3.50m，车站共设4个出入口、2组风亭。

2 计算模型建立与参数选取

计算模型建立时采用以下假定。

1)土体和结构材料均为匀质、连续且各向同性。

2)地表面和各土层呈匀质水平层状分布，各土层厚度相同。

3)初始地应力仅考虑土体自重应力。

4)假定基坑围护结构及土体之间符合变形协调原则。

5)将基坑支护结构灌注桩均利用等效抗弯刚度等效为地下连续墙[15]。

基坑长216m，结构标准段宽21.40m，根据基坑尺寸，同时考虑对建筑物的影响、边界条件等因素，确定计算模型尺寸为578m×203m×73m(基坑长度方向×基坑宽度方向×地层深度方向)。

模型边界条件为：模型底面设置x，y，z向约束；与x轴垂直的两面均设置x向约束；与y轴垂直的两面均设置y向约束；模型顶面无约束，为自由面。

基坑降水前水位设置为地面以下19.7m，采用节点流量进行井点降水模拟，设置降水时间为15d。计算过程中，建筑物侧墙、围护结构均采用线弹性模型模拟，土体采用修正莫尔-库仑模型模拟。建模过程中，土体采用实体单元模拟，基坑围护桩采用板单元模拟，降水井采用梁单元模拟，止水帷幕采用界面单元模拟，如图1所示。

图1 计算模型

施加的荷载考虑各土层和构筑物自重，模拟分析步骤如下：①分析步1 分析初始渗流场；②分析步2 分析初始应力场，并将位移清零；③分析步3 模拟基坑围护桩、止水帷幕及降水井施工；④分析步4 模拟基坑井点降水。

计算模型中各层土体及主要结构材料参数如表1所示。

表1 材料参数

3 基坑初始降水方案

3.1 方案概况

根据青年宫站勘察资料可知，场地范围内地下水类型主要为卵石孔隙潜水，含水层在③层卵石层，基坑开挖深度约24.4m，基坑开挖底板已进入地下水层。

初步设计青年宫站降水方案时，地质勘察报告中含水层渗透系数取值为8.68cm/s，考虑到基坑围护结构对承压含水层的截断作用，将单井有效降水面积取为132.31m2进行计算。

标准段疏干井分别布设在车站结构内，呈纵向布设3排，间距约30m，其中标准段布设20口疏干井，编号为J1～J20，端头段布设8口疏干井，编号为J21～J28，如图2所示。根据单井试验结果，单井降水量为25m3/h。

图2 降水井布置示意

3.2 方案分析

按照基坑初始降水方案进行数值模拟分析，计算得到基坑初始及降水至15d的水位如图3所示。将计算得到的典型降水井J17，J18，J23，J26水位与实测水位进行对比分析，结果如图4所示。

图3 基坑地层水位

图4 典型降水井水位

由图3可知，降水井降水15d后，基坑水位已稳定降至坑底以下约2.5m位置处，且此时压力水位等值线呈漏斗状。止水帷幕与地层结合处的水位出现骤降，这是由于此处地下水被止水帷幕截断，表明止水帷幕具有较好的止水效果。

由图4可知，降水井降水15d后，降水深度约7.2m。降水前期，降水井水位基本随降水时间呈线性变化；降水3d后，降水井水位下降速率明显降低，这是由于止水帷幕完全截断含水层，当降水至一定深度时，降水井出水量与坑底以下含水层补水量平衡，降水井水位下降速率降低。

数值模拟计算结果表明基坑水位处于坑底以下约2.5m位置处，初始降水方案满足设计要求。但实测水位在降水12d左右趋于稳定，水位处于坑底以上约2m位置处。与数值模拟计算结果相比，实测水位下降速率较小，可知基坑初始降水方案存在一定问题。

4 含水层渗透系数对基坑降水深度的影响

4.1 计算工况设置

在基坑降水过程中，对降水效果影响最大的是含水层渗透系数。当进行基坑降水时，含水层渗透系数越大，补水能力越强，基坑降水至坑底1～2m越困难，基坑设计单井降水量越大。由此可知，如果基坑含水层渗透系数设计值过小，会导致基坑水位无法下降，需分析含水层渗透系数对基坑降水深度的影响，本研究设计3种计算工况，即工况1～3，对应的渗透系数分别为9.82，11.57，17.36cm/s。

4.2 计算结果分析

以降水井J17为例，分析不同计算工况下降水井降水效果，结果如图5所示。

图5 不同计算工况下降水井水位

由图5可知，降水3d后，所有计算工况下降水井水位趋于稳定；降水井水位稳定后，工况1水位位于基坑坑底以下约1.3m位置处，工况2水位位于基坑坑底以上约1.3m位置处，工况3水位位于基坑坑底以上约2.3m位置处；随着含水层渗透系数的增大，降水井降水深度明显减小。

综上所述，随着含水层渗透系数的增大，含水层补水效率提高，当基坑降水井降水量一定时，降水井降水深度随着含水层渗透系数的增大而减小。结合施工现场实际降水情况可知，该基坑含水层渗透系数为11.57～17.36cm/s。

5 基坑降水方案优化

5.1 优化措施

根据基坑含水层不同渗透系数对降水深度的影响，结合施工现场实际降水情况，取基坑含水层渗透系数为17.36cm/s。依据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》有关要求对基坑初始降水方案进行优化设计，将标准段疏干井布设在车站结构内，呈纵向布设3排，上、下排疏干井间距约15m，中间排疏干井间距约30m，其中标准段布设32口疏干井，编号为UJ1～UJ32，端头段布设8口疏干井，编号为UJ33～UJ40，如图6所示。单井降水量为25m3/h。

图6 降水井布置优化

5.2 优化效果分析

将计算得到的典型降水井UJ29，UJ30，UJ35，UJ38水位与降水方案优化后实测水位进行对比分析，结果如图7所示。

图7 降水方案优化后典型降水井水位

由图7可知，数值模拟计算结果显示降水井稳定水位位于基坑坑底以下约1.4m位置处，满足设计要求；实测数据显示降水井稳定水位位于基坑坑底以下约1m位置处，满足设计要求；实测降水井水位变化速率小于计算结果；数值模拟计算结果和实测数据均表明降水初期降水井水位下降速率与降水时间呈线性变化，随后降水井水位下降速率逐渐减小并趋于稳定。

综上所述，增加降水井数量可有效增大降水深度，使降水井出水量与基坑坑底以下含水层补水量平衡位置下移，增大基坑水位下降初始速率。

6 结语

依托洛阳轨道交通1号线青年宫站基坑降水工程，对基坑初始降水方案进行分析，通过数值模拟计算，研究含水层渗透系数对基坑降水深度的影响，得到符合工程实际情况的渗透系数。对基坑初始降水方案进行优化，并通过数值模拟计算结果与实测数据对优化效果进行分析。

1)降水初期，基坑水位下降速率较大，降水一段时间后，基坑水位下降速率逐渐减小，水位逐渐趋于稳定。

2)随着含水层渗透系数的增大，含水层补水效率提高，当基坑降水井降水量一定时，降水井降水深度随着含水层渗透系数的增大而减小。结合施工现场实际降水情况确定本工程基坑含水层渗透系数为11.57～17.36cm/s。

3)增加降水井数量可有效增大降水深度，减小降水速率。

4)降水方案优化后，降水井降水深度数值模拟计算结果与实测结果差别较小，其中数值模拟计算结果显示降水井稳定水位位于基坑坑底以下约1.4m位置处，实测数据显示降水井稳定水位位于基坑坑底以下约1m位置处，均满足设计要求。