中铁四局集团第五工程有限公司 江西省九江市 332000
摘要：由于地铁深基坑降水施工情况复杂，在多种因素的影响下会造成基坑及周围土体的开挖和沉降变形，因此有必要提出合理的地表沉降控制参数。目前许多研究主要集中在地表沉降规律方面，对如何控制地表沉降还没有全面的分析。
关键词：地铁车站；深基坑；降水施工；坑外地表；沉降控制
1数值模型
1.1模型及边界条件
采用FLAC3D数值模拟软件，建立长度为180m、宽度为50m、高度为40m的计算分析模型，模型包括11 176个单元共计12 872个节点，见图1。降水开挖施工模拟共经历两次，第1次模拟基坑初始应力场和初始位移场，计算完成后将位移清零；然后再进行后续降水施工开挖引起的应力场和位移场的变化模拟。
1.2模拟过程
模型边界四周侧边设定为法向固定，切线方向设定为自由面，模型地面设定为固定面，上表面设置为自由面（排水边界，孔压为0），限制井壁的水平位移并对井底施加对应的静水压力，支护桩和钢支撑分别为piLe单元和beAm单元，单井抽水量设定为1200m3/D（即固定井壁渗流速度为0.014m3/s）。考虑初始地下水位的影响，先进行流体模型和力学模型计算形成初始应力场，然后通过各项命令实现基坑土体开挖、基坑不透水层、基坑初始孔隙水压力的设置（区域孔隙水压力为0来实现基坑的降水控制）以及3道钢支撑的设置。将周围围护体视作弹性结构，基坑周围土体视作弹塑性结构，不考虑土体自身的压缩变形，将降水开挖过程分为4个步骤：第1步为降水至3.5m，基坑开挖至2m；第2步为降水至8.5m，基坑开挖至7m；第3步为降水至13.5m，基坑开挖至12m，第4步为降水至18.5m，基坑开挖至17m。
1.3计算参数
为了简化模型计算，对土层进行简化，合并相似土层，合并后的各土层的物理力学参数见表1。混凝土支撑的弹性模量取24ＧpA，泊松比为0.167，钢支撑的弹性模量为200GpA，泊松比为0.23，见表2。
表1各土层物理力学参数
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表2 3道支撑物理力学参数
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2模拟分析结果
2.1沉降与孔隙水压力分布特征
以井深20m、井间距10m、帷幕深度为22m、渗透系数10－6Cm/s为例，模拟分析得到了降水施工情况下地表的沉降与孔隙水压力分布特征，见图2。从图2中可以看到：坑内土体开挖后，坑壁的法向约束逐渐消除，同时地层所受的孔隙水压力也在逐渐改变，打破了基坑土体原有的应力平衡状态，内力需不断进行重分布，导致坑底发生隆起，而四周地层会发生沉降，在距离基坑边缘10m处，地表沉降最大；在降水井周围，孔隙水压力呈扇形分布，降水井井底周围的流体矢量相对于井身周边而言有明显增加，由于止水帷幕的存在，水无法直接流入降水井，故基坑内外水流动相对较少，因而基坑外围的孔隙水压力保持相对稳定。
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图2 沉降与孔隙水压力分布云图
2.2降水井的影响
模拟得到的不同降水井工况下的地表沉降规律见图3。从图3（A）中可以分析得到：降水井深度对于地铁基坑周边地表沉降的影响较大，随着井深的不断增加，地表最大沉降值逐渐增大，20m、24m、28m以及32m井深下对应的地表最大沉降值分别为25.3mm、27mm、28.7mm和32.6mm。这是因为随着井深的增加，地下水的抽水强度在不断提高，井底周围的流体矢量会明显增加，在止水帷幕深度一定的情况下，当降水井深度小于止水帷幕深度时，水无法直接流入降水井，需绕过止水帷幕才能进入降水井，因而坑内外地下水流动相对较弱；当降水井深度超过止水帷幕后，水可以直接流入降水井，坑内外的地下水流动相对较强，因而地表沉降值随井深增大而增大。根据相关规范要求地表沉降应控制在30mm以内，但为了有效排干基坑内的地下水，同时考虑工程造价等问题，认为降水井井深为24m时效果最佳。
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图3降水井对地表沉降的影响
从图3（b）可知：井间距越小，地表沉降值越大，当井间距为10m时，地表最大沉降值为27mm，且周围地表的沉降范围也较大；当井间距为12m时，地表最大沉降值为25.7mm；当井间距为14m时，地表最大沉降值为24.8mm。井间距增大缩小了降水交叉半径，基坑外部土体的孔隙水压力降幅较小，容易造成基坑内部出现涌水等情况；而且，当井间距为10m时，地表最大沉降控制在30mm以内。因此，综合考虑孔压分布和地表沉降控制，认为井间距为10m时的方案最佳。
2.3止水帷幕的影响
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图4止水帷幕对地表沉降的影响
模拟得到的不同止水帷幕工况下的地表沉降规律见图4。从图4（A）中可以看到：随着止水帷幕深度的增加，地表最大沉降值整体上呈逐渐减小趋势，这是因为止水帷幕深度较小时，坑外的水压降幅较大，水流更容易流入到基坑内；当止水帷幕深度超过28m后，虽然能较好地控制地表沉降，但基坑内外的孔隙水压力基本没有变化，说明当止水帷幕超过一定值后，在保持抽水量一定的情况下，止水帷幕深度对基坑内外渗流的影响和沉降的影响将逐渐减弱，因而抑制地表沉降的效果也会逐渐减弱，同时考虑到工程造价问题，认为最佳止水帷幕深度为28m。
从图4（b）中可以看到：止水帷幕的渗透系数越大，地表的最大沉降值越大，渗透系数对地表沉降的影响范围为距基坑边缘60m内，超过60m后影响不大；10－6 Cm/s、10－7Cm/s、10－8Cm/s、10－9Cm/s等四种工况下的地表最大沉降值分别为27.5mm、21.5mm、20.4mm以及19.0mm，当止水帷幕渗透系数小于10－7Cm/s后的地表沉降控制效果较好。因此，从控制地表沉降来讲，应尽量减小止水帷幕的渗透系数。
结束语
根据分析结果，考虑到结算综合项目的经济成本和控制效果，得出最好的表面沉降控制效果可以实现当抽油井的深度是24米，间隔10米，止水帷幕的渗透系数是10-9cm / s，和深度是28米；同时，可进行适当的充电建设根据项目的实际情况，将起到一定的辅助作用的控制在地铁基坑地面沉降，但回灌井的数量不应太多，和充电率不应太大。
参考文献：
［1］王玉田，范思广，姜福香，等.城市地铁车站基坑施工变形监测与数值模拟［J］.青岛理工大学学报，2019，40（06）：1－7.
［2］刘承磊，肖传宁，侯志敏，等.基于群井抽水试验的基坑降水与地面沉降关系研究［J］.地下水，2019，44（04）：94－96.