地铁隧道施工竖井降水开挖引起的地表沉降分析

李 涛，刘继强，尹文平

(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044;2.中铁南方投资发展有限公司，广东深圳 518055)

0 引言

随着我国城市化进程的不断推进，地铁建设已成为解决大中城市交通拥堵的一种重要手段。目前在地铁的修建中，为了加快施工进度和缩短工期，一般采用尽可能多分段施工的方法来增加开挖工作面，为此必然要增加施工竖井的数量。地铁线路一般位于城市的繁华地段，地表建筑物密集，竖井施工容易造成周围地层沉降，进而引起周边建(构)筑物产生不均匀沉降，严重时会使建筑物发生过量变形或破坏。

以往对地铁区间隧道施工产生的地层变形和地表沉降已做了大量的研究工作:文献［1－8］侧重于对竖井的设计和施工技术进行分析和总结;文献［9－12］侧重于对不同种类隧道竖井施工引起的地表沉降及控制进行研究，其主要工作为地表沉降监测资料分析和施工中采取的相应控制措施。目前，对地铁竖井开挖中降水带来影响的研究还相对较少，而这种影响在诸如深圳等地的富水软弱地层中不可忽视，有必要对此进行研究。

本文结合深圳地铁5号线百鸽笼―布心暗挖区间的1号竖井施工，针对深圳富水复合地层，采用现场监测和数值模拟方法对降水和开挖过程中竖井周围的地层变形和地表沉降进行了分析和研究。

1 工程概况

1.1 竖井设计与周边环境

根据施工需要，在左右线正线上方各设置1个矩形竖井，其净空尺寸为7.2 m×6.2 m，地面标高为37.30 m，左线井深为25.125 m，右线为25.662 m。竖井采用小导管及格栅钢架联合支护。初期支护喷射混凝土强度为C20，厚350 mm，二次衬砌混凝土强度为C30，厚600 mm，防水等级为S8。竖井四周设置直径600旋喷咬合桩止水帷幕。

根据岩土工程勘探，竖井所在场地的地层分为4个主层8个亚层，主要包括:第四系全新统人工堆积层(杂填土、素填土)，坡积层(黏土)，残积层(粉质黏土)，震旦系混合岩(全、强、中和微风化角岩)。竖井地层地下水丰富，主要为孔隙水及基岩裂隙水，水位埋深3.60～3.70 m。

竖井周围环境复杂，东侧为布吉第6回收站，南侧41 m左右为家私城，西侧15 m为深圳市戒毒所。

1.2 竖井施工与监测

竖井采用倒挂井壁法施工，2个竖井开挖错开距离不小于15 m。竖井锁口圈施工前先施作旋喷咬合桩止水帷幕(见图1)，然后进行降水，降水完成后施工竖井锁口圈，安装竖井提升井架，人工分部分层进行开挖土方并逐层对井身进行初期支护。竖井开挖到基底设计高程后立即封底，封底完成后进行竖井防水及二次衬砌施工。

图1 1号竖井及降水井平面布置图Fig.1 Plan layout of No.1 vertical shaft and dewatering wells

为确保施工期间周围环境及地表建筑物的安全，对竖井周围的地表沉降进行了监测。1号坚井邻近建筑物及其附近沉降监测点的布置情况见图2。

2 竖井施工的数值模拟

图2 1号竖井临近建筑物监测点布置示意图Fig.2 Layout of monitoring points for building close to No.1 vertical shaft

本次模拟计算采用了MIDAS/GTS有限元程序，该程序主要用于岩土和隧道工程，可分析线性和非线性静力、施工阶段、固结压缩、稳定和非稳定渗流、应力－渗流耦合、动力以及边坡稳定等问题。针对1号竖井的施工过程，利用MIDAS/GTS软件建立计算模型，采用三维流－固耦合方法计算和分析竖井降水和开挖时地表的沉降及规律。

2.1 计算模型及参数

有限元计算模型的尺寸为160 m×80 m×54 m(见图3)，包括18 302个六面体实体单元，572个四边形壳单元，共计19 872个节点。其中，旋喷桩采用实体单元模拟，竖井初衬采用弹性壳单元模拟，土层假设为弹塑性材料，塑性屈服选用摩尔－库伦准则。

图3 有限元计算模型及网格划分Fig.3 Finite element model and grid mesh

模型的上表面为自由边界，侧面边界水平位移受到约束，底面边界约束所有位移自由度。模型四周施加初始水头边界，初始地下水位埋深按3 m考虑。总水头计算到模型底部为51 m，对于降水井采用节点压力水头为0 m。

竖井初衬的弹性模量取22.5 GPa，泊松比取0.20，容重取24 kN/m3。土层厚度及其计算参数见表1(其中，角岩考虑了不同风化程度的影响，土层渗透系数结合地区经验综合分析确定)。

模型的初始应力场由土体的自身重力产生，垂直地压为上覆土层的容重，水平地压近似按垂直地压乘以静止土压力系数进行计算。

表1 土层及其计算参数Table 1 Calculation parameters of soil layers

2.2 计算工况

由于竖井的实际施工过程是降水和开挖同时进行，在实际工程中很难区分降水和开挖引起的地表沉降的比例，目前只能通过数值分析方法解决这一问题，即将模拟计算的降水开挖沉降与只进行开挖的沉降结果进行对比就能得出降水和开挖各自引起地表沉降占总沉降的比例。

考虑到竖井所处地层富水且软硬不均，失水后变形大，为区分降水和开挖分别引起的地层变形和地表沉降，计算时分以下3种工况进行模拟计算:工况Ⅰ——竖井内进行降水，但不开挖;工况Ⅱ——竖井同时进行降水和开挖;工况Ⅲ——单纯开挖竖井，无降水。

3 数值模拟计算结果及分析

3.1 工况Ⅰ

图4为隧道纵向降水到竖井底部时土层中的自由水面位置图。图5为降水至竖井底部时自由水面位置三维视图。从2图中可以看出:水面在离旋喷桩较远的地方变化平缓，在旋喷桩处出现明显的拐点，旋喷桩起到了一定的止水作用。根据计算可知，降水漏斗的半径约为35 m，说明旋喷桩墙的止水作用使降水影响的范围有所缩小。

图6和图7分别为降水到竖井底部时土层中总水头和孔隙水压力的分布图。从图中可以看出:降水对土层中总水头分布的影响没有对孔隙水压力的影响大，孔隙水压力的变化直接影响土层中的有效应力，而有效应力的改变会导致土层的压缩变形。由此可见，降水会造成地表较大范围的沉降。

3.2 工况Ⅱ

竖井降水开挖完成后地表的最大竖向位移和地层竖向变形分布见图8和图9。

图10和图11分别为计算得到的竖井外沿隧道轴线方向(图9中AB方向)和沿隧道横断面方向(图9中CD方向)的地表沉降曲线与实测资料进行的对比。从图中可以看出:二者吻合较好，竖井开挖引起的最大地表沉降出现在竖井外4～5m处，最大沉降值约为20mm。

3.3 工况Ⅲ

图12为不进行降水时竖井开挖完成后的地层和地表竖向位移分布图。与图9进行对比，可以发现降水开挖耦合引起的地表沉降要比不降水只开挖引起的地表沉降要大，并且影响的范围也要大得多，这说明旋喷桩墙能有效加固地层，防止开挖引起的地层变形，但不能完全阻止降水引起的地表沉降。

为了更好地分析和比较竖井单纯开挖引起的沉降和由于降水开挖耦合引起的沉降，将2种开挖工况下竖井外的地表沉降绘于同一图中，图13是沿隧道轴线方向竖井外地表的沉降曲线，图14是沿隧道横断面方向竖井外地表的沉降曲线。

从图13和图14中可以看出:单纯进行竖井开挖而不考虑降水引起的地表沉降远小于开挖和降水耦合作用引起的沉降，前者的影响范围大约为竖井外20 m，后者的影响范围在竖井外达到35 m，影响范围是前者的1.75倍。由此可见，在深圳富水复合地层进行竖井开挖施工，地层降水引起的地表沉降不容忽视。

值得注意的是，距竖井距离不同开挖和降水引起的地表沉降所占比例是不同的。图15为竖井外侧2个方向降水引起的地表沉降占总沉降比例的变化。从图中可以看出:距竖井越近，开挖引起的沉降占总沉降的比例越大;距竖井越远，降水引起的沉降占总沉降比例就越大。例如在竖井附近1 m处，降水引起的地表沉降占总沉降的50%左右，在竖井20m以外的地表沉降几乎全部是由降水引起，在总沉降最大处降水沉降占到总沉降的65%左右。

图15 竖井外降水引起的地表沉降占总沉降的比例Fig.15 Ratio of dewatering-induced settlement in total

4 结论与建议

基于本文的计算结果及其与现场实测数据的对比和分析，得到如下结论:

1)竖井开挖前进行降水，在旋喷桩处潜水面出现明显的拐点，说明旋喷桩起到了一定的止水作用，降水漏斗的半径约为35 m。

2)竖井开挖引起的最大地表沉降出现在竖井外4～5 m处，竖井周围30 m范围内的地表发生了不同程度的沉降。

3)竖井单纯进行开挖而不降水引起的地表沉降远小于开挖和降水耦合作用引起的沉降，前者的影响范围约为竖井外20 m，后者的影响范围在竖井外达到35 m。

4)距竖井的距离不同，开挖和降水引起的地表沉降所占比例不同。距竖井越近，开挖引起的沉降占总沉降比例越大;距竖井越远，降水引起的沉降占总沉降的比例越大。

5)竖井开挖及开挖期间地层失水产生的地层沉降受到很多因素的影响，包括竖井的深度及断面的大小、土层条件、开挖与支护方法、地下水位变化、失水量和失水时间等。

在地铁竖井实际施工中降水与开挖同时进行，一般很难区分二者对地表沉降的影响，本文尝试采用有限元数值模拟和流固耦合方法对此进行研究，取得了一些初步的成果。今后再对这一问题做进一步研究时，建议加强现场监测，配合开挖施工过程，尽可能区分二者的不同影响，为理论分析和数值模拟提供佐证。

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