地铁车站基坑降水影响特征分析及优化研究.pdf

CM&M 2023.04271水施工方案进行设计时，对降水产生的负面效应充分考量。2.1 车站基坑水位基本状况该项目三号线水位降深 11m，四号线水位降深 20m，存在较大的水位降差，在高水头压力下，止水帷幕容易产生渗水以及涌水灾害，因此需制定科学的降水方案并严格执行。本项目车站基坑水位基本状况如表 1 所示。2.2 基坑降水施工方案设计综合项目水文地质及周边建筑环境考虑，总结现有黄土基坑降水经验，决定采用坑内管井降水结合观测井的方案。依据地质勘测报告，决定以 8m/d 作为基坑土体渗漏系数控制标准。降水井中心距离围护桩结构内侧约 2.4m，距离隧道中心线约 1.1m。在降水井布置时，考虑结构转角存在较多构造钢筋，难以进行防水施工，因此避免在结构转角位置布设3。管井布置位置尽可能与临时钢支撑、临时格构柱、主体结构永久结构混凝土柱保持合理距离。四号线走向应设置数量足够的 45m 深降水井，以确保四号线和三号线交界处地下水位满足施工要求。降水观测井布置的形式及深度，与降水井一致，共设置 10 口观测井4。初步布置好井位之后，为确保顺利进行施工，应开展井位物探工作，避免施工中受到地下障碍物的影响；若出现障碍物应及时调整井位，并能够满足设计降水要0 引言从现有的基坑事故统计中可以发现，水患是导致事故发生的重要因素。基坑施工时产生水患事故的原因，多数是事前未分析好基坑和周边水的关系，缺乏行之有效的解决措施1。如施工周边土体存在较低的渗水率，土层在降雨之后的排水量小，水分滞留在部分土体内，将导致出现局部积水的情况。此外，施工破坏了管线也容易导致渗漏水。当湿陷性黄土层中有水分渗入时，将会破坏到黄土结构导致强度减弱2。深入分析黄土地质条件下基坑降水规律及特征，可有效指导实际项目的设计与施工，使事故率得到有效降低，确保人民生命财产安全。本文通过有限元分析软件 Midas GTS NX，对地铁车站基坑降水过程进行模拟，探讨止水帷幕的作用以及管井横向间距对降水效果的影响规律。1 工程概况本文以某地铁四号线和三号线换乘站的大型明挖黄土基坑为研究对象。该车站总建筑面积 37000m2，两端为盾构区间，所用施工方法为明挖顺作法。施工时先进行车站主体的施工，在车站封顶完成，将道路恢复之后，再施工附属结构。基坑范围内的地下水为潜水，现场勘察时地下水处于低水位期，约有 8.511.7m 的稳定水位埋深，水位年变化幅度约 2m。地下水径流方向为西北，同地形坡度相同，主要采用径流和人工开采等方式排泄潜水。2 基坑降水施工方案该基坑项目位于市中心，周边建筑密集，若降水出现地面过大沉降，将会导致严重后果。为了有效保证降水施工的安全性，需对基坑降水施工方案科学设计。对基坑降地铁车站基坑降水影响特征分析及优化研究张天宇（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安710054）摘要：通过有限元分析软件 Midas GTS NX，对地铁车站基坑降水过程进行模拟，探讨止水帷幕的作用以及管井横向间距对降水效果的影响规律。结果显示：在靠近基坑外侧与止水帷幕底部相接近的节点，水头变化更大，前 7d 变化特别明显，而后逐渐平稳，随时间推移水头变化呈线性发展趋势。止水帷幕的设置可以使基坑外侧水头损失有效降低，有效减小土体固结沉降。管井横向间距距离止水帷幕越大，越有利于减小土体固结沉降。关键词：地铁基坑；止水帷幕；管井；固结沉降 表1 本项目车站基坑水位基本状况 m名称长度宽度深度现状水位埋深控制水位埋深降水深度备注三号线21224.719.5920102m 水位变化幅度四号线19925.028.292919272工程机械与维修CONSUMERS&CONSTRUCTION用户施工由图 4 可知：未设置止水帷幕条件下，管井周围土体均有相对较大的水头变化幅度，水头大致呈现出“W”形等势线。10d 后的水头变化范围扩大至原水头线，基坑内主要为水平渗流，约有 2.1010-4m/s 的最大流速，大于 2.0110-4m/s 的实测值。虽然该值相对于设置止水帷幕条件下较小，但最大流速值区域面积却相对较大。20d后，水头进一步变化，最大流速降低到1.6610-4m/s，大于 1.3710-4m/s 的实测值。基坑外上部节点水头降求5。车站基坑横断面示意如图 1 所示。3 基坑降水方案的数值分析3.1 数值模拟模型采用有限元分析软件 Midas GTS NX 建模，对各工况下降水影响进行分析，同时在基坑内外从上至下各选取七个节点，模型如图 2 所示6。3.2 基坑降水数值模拟模拟车站主体结构的降水过程，以时间步长 360s 进行瞬态计算，本文仅列出 20d 水头模拟计算结果，如图3 所示。由图 3 可知：基坑外水头在止水帷幕隔水作用下变化幅度较小，水头变化较大的范围主要位于坑底及坑内，水头呈现“W”形等势线。约 10d 后，坑内上部土体仅有较弱渗流作用，上部土体地下水有 3.36e-4m/s 最大流速，大于 3.21e-4m/s 的实测值；20d 后，水头进一步变化，坑内上部土体几乎没有渗流作用，上部土体地下水仅有2.92e-4m/s 的最大流速，大于 2.68e-4m/s 的实测值。由图 3 同时可以看到：前 5d 内坑内上部土体有更大的水头变化幅度；前 7d 坑内外土体水头变化普遍较大，随后变化平缓，趋于线性变化特征。受坑内降水井作用，坑内土体水头变化幅度更为明显。数值模拟值和实测结果值较为接近，表明所建立模型有一定的可靠度。模拟值均略大于实测值，原因在于建模时边界与初始条件有所简化，未将全部影响因素考虑在内。3.3 止水帷幕的效果分析为分析止水帷幕的应用效果，建立基坑未采用止水帷幕条件下的数值模型，计算结果如图 4 所示。图1 车站基坑横断面图3 20d水头模拟计算结果图4 未设置止水帷幕条件下节点水头b 基坑内b 基坑内a 基坑外图2 基坑降水有限元模型及测点布置横支撑3号线结构止水帷幕围护桩4号线结构a 基坑外时间/d时间/d时间/d时间/d水头/m水头/m水头/m水头/mCM&M 2023.04273低幅度较大，7d 后变化幅度逐渐减小，趋于线性变化特征。相比于坑内，坑外侧水头变化幅度更小。综上分析可知：靠近管井位置的地下水，在未设置止水帷幕条件下产生水平渗流存在。由于渗流路径更短，上部土体水头变化程度变大，导致基坑外侧水头损失变大。依据现代土力学有效应力原理，水头损失大会导致固结沉降更大。因此，止水帷幕的存在造成地下水渗流路径延长，大幅度坑外地层水头损失，固结沉降有效减小。4 管井横向间距的影响为避免基坑内施工作业受到影响，一般情况下管井多设置在距离止水帷幕约 2m 的位置7。在管井设计中，管井位置是关键参数，若设计得足够合理则可以使降水效果得到有效提高，使坑外地下水水头损失有效减少。为对管井设置间距所造成的影响进行研究，本文增加建立 2 个模型，并将与原 2m 距离条件下进行对比。限于篇幅，本文直接给出模拟结论。在管井和止水帷幕的距离为 4m 的工况下，10d 后基坑约有 3.1110-4m/s 的最大流速，相比于 2m 距离的工况要小。相比于 2m 距离工况，4m 距离工况水头变化影响区域更小；20 天后，管井底部仅有较小的水头变化，约有 2.7510-4m/s 最大流速；坑内水头变化幅度较大，而坑外水头变化幅度较平缓。在管井和止水帷幕距离 6m工况下，10d 后的基坑约有 2.9110-4m/s 的最大流速，比 2m 和 4m 距离的工况更小，且影响范围也更小；20d后约有 2.6310-4m/s 的最大流速。综上分析可知：在 3 种不同距离工况下，基坑内水头变化相对不大，但基坑外水头变化规律较大；在 4m 和 6m条件时，随时间的变化，基坑外的水头变化更为平缓；距离越大，坑外水头损失越小，越有利于减小坑外固结沉降。5 基坑降水井施工关键技术5.1 井位放样在井位定位之后，通过人工开挖的方式将探井挖至2m，并确保探井周围没有地下管线等相关障碍物，再将护筒下放，用黏土分隔护筒外侧表层杂填土层，以避免钻井时流失的水量过大。5.2 人工探井井下深度 4m 范围宜采用人工的方式进行探井，通过4 个探点布置到井壁，对地下管线进行探测。若施工时遇到地下管线，可对井位进行适当的调整，并重新进行探井。若在车站基坑内设置降水井，则可以不进行探井。5.3 钻孔下管钻孔时，为降低洗井困难程度，应采用锅锥钻机进行成孔。若砂层有较大厚度，可选择反循环钻机进行成孔。下管时，可使用无砂混凝土滤水管作为井管材质。安装井管预制混凝土管座，缓慢下放。当管口和井口约有 200mm 的距离时，连接上节井管，并使用多层尼龙网包裹接头。确保上下节井管不错位。填入砾料时应确保连续和均匀，并做到随填随测，确保填入量。5.4 洗井抽水安装完井管后，放置污水泵至井底。孔内水位会随着污水泵中泥浆水的抽取不断降低，通过滤料和滤水管四周泥浆水会不断流入降水井中，孔壁在该过程中会不断被冲刷，从而确保管井孔壁透水性良好。洗井时应及时观测水位和出水量的变化。在抽降时，应及时检查设备正常工作状态，确保连续抽水。6 结束语深入分析黄土地质条件下基坑降水规律及特征，可有效指导实际项目的设计与施工，使事故率得到有效降低，确保人民生命财产安全。本文通过有限元分析软件Midas GTS NX，对地铁车站基坑降水过程进行模拟，探讨止水帷幕的作用以及管井横向间距对降水效果的影响规律，得到以下结论：基坑外与止水帷幕底部较为接近的节点水头变化相对较大。前 7d 内，整体土层水头变化均有较大的变化幅度，随后不断趋于平缓。随时间变化，水头变化逐渐趋于线性变化特征。止水帷幕本身渗流系数极小，由于止水帷幕的存在，使得止水帷幕两侧周边土体仅有较小的水分交换，基坑外侧地下水须绕过止水帷幕到达降水管井，由此造成渗流路径有所加长。合理设置止水帷幕，可以使坑外侧水头损失有所减小，进而使固结沉降有所减小。管井距离止水帷幕距离越大，坑外地层的水头损失越小，越有利于降低基坑外部固结沉降。通过科学合理的降水井布置，能够有效减少车站基坑开挖对周边环境的影响。参考文献1 马玉飞,刘焕玉,熊辉,等.深基坑开挖降水对周边环境的影 响分析 J.水利技术监督,2022(7):250-255.2 温永凯,张贺.武汉轨道交通七号线地铁站深基坑降水的特性 研究 J.重庆建筑,2022,21(6):40-43.3 王怀峰.软土地区第承压水基坑降水设计J.福建建材,2022(6):59-64.4 周振华.既有盾构隧道上方开挖基坑降水方案优化分析 J.土 工基础,2022,36(3):295-300.5 蔡小玲,俞莉,李继明.西北地区地铁基坑降水对周围环境影 响的计算方法 J.兰州理工大学学报,2022,48(3):140-145.6 黄新,宋汉周.基于降水优化方案的基坑地面沉降数值模拟J.勘察科学技术,2013(1):8-12.7 于丹,吕金鹏,汤永强,等.基于目标函数法基坑井群降水的 井距优化设计 J.沈阳建筑大学学报(自然科学版),2013,29(40):649-654.