西北地區(qū)地鐵基坑降水對(duì)周?chē)h(huán)境影響的計(jì)算方法

蔡小玲,俞 莉,李繼明

(1.無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑與環(huán)境工程學(xué)院,江蘇 無(wú)錫 214000;2.蘭州理工大學(xué) 西部土木工程防災(zāi)減災(zāi)教育部工程研究中心,甘肅 蘭州 730050)

基坑開(kāi)挖作為地鐵建設(shè)必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)，其開(kāi)挖深度和難度隨著地鐵建設(shè)的發(fā)展而日益增大.實(shí)施基坑降水會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境以及現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地帶來(lái)一系列的不良影響.基坑降水會(huì)降低場(chǎng)地地下水位，從而引起地下水滲流運(yùn)動(dòng)，會(huì)對(duì)地基土中水土壓力分布造成一定影響，也會(huì)使周?chē)孛娈a(chǎn)生一定的沉降.這些都會(huì)對(duì)地鐵的順利建設(shè)造成一定的阻礙.為此，許多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究[1-12].

周勇等[1]應(yīng)用有限元軟件ADINA對(duì)蘭州地鐵基坑開(kāi)挖降水過(guò)程中地下管道的位移進(jìn)行了全面的分析.有限元分析及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明：車(chē)站深基坑開(kāi)挖及降水對(duì)地下管道的位移有顯著影響；李偉等[2]采用數(shù)值分析軟件Midas GTS對(duì)蘇州地鐵4號(hào)線(xiàn)某車(chē)站基坑降水進(jìn)行預(yù)測(cè)分析；趙帆[3]利用數(shù)值分析軟件Midas GTS NX結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立了合肥市地鐵1號(hào)線(xiàn)大東門(mén)車(chē)站深基坑降水開(kāi)挖工程模型，通過(guò)對(duì)比滲流及不滲流計(jì)算分析結(jié)果得知降水對(duì)于基坑周?chē)乇沓两涤绊戄^大；苑成旺[4]總結(jié)了基坑降水可能引起的對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，并運(yùn)用Midas GTS數(shù)值模擬軟件模擬了工程實(shí)例的降水開(kāi)挖過(guò)程，對(duì)不考慮降水因素的基坑開(kāi)挖工況及僅考慮降水因素不考慮開(kāi)挖的工況分別進(jìn)行數(shù)值模擬分析；趙明[5]運(yùn)用有限差分軟件FLAC3D對(duì)基坑開(kāi)挖降水引起周?chē)ㄖ锏某两颠M(jìn)行了三維流固耦合模擬.

綜上，本文基于西北地區(qū)某地鐵車(chē)站深基坑降水工程，對(duì)地鐵基坑降水對(duì)于周?chē)h(huán)境影響的計(jì)算方法進(jìn)行了分析，并將結(jié)果計(jì)算與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析對(duì)比，提出了西北地區(qū)該類(lèi)工程的計(jì)算方法，以期可以指導(dǎo)西北地區(qū)類(lèi)似工程.

1 基坑降水引起周?chē)孛娓郊映两档挠?jì)算方法

1.1 附加沉降產(chǎn)生的原理

土顆粒間的接觸應(yīng)力在截面積上的平均應(yīng)力稱(chēng)為有效應(yīng)力.根據(jù)有效應(yīng)力原理σ′=σ-μ，有效應(yīng)力σ′等于總應(yīng)力σ減去孔隙水壓力μ[13].地鐵基坑降水過(guò)程中會(huì)使周?chē)叵滤幌陆?，造成水位降深范圍?nèi)以及浸潤(rùn)線(xiàn)以下土層中的孔隙水壓力μ減小，相對(duì)的有效應(yīng)力σ′會(huì)對(duì)應(yīng)增加.有效應(yīng)力σ′的增加可能會(huì)引起基坑周?chē)呀?jīng)固結(jié)穩(wěn)定的地層發(fā)生新的附加沉降變形.

圖1為地下水位下降對(duì)土層自重應(yīng)力的影響示意圖.從圖中可知，在水位降低范圍內(nèi)的附加應(yīng)力的增量值為

圖1 地下水位下降對(duì)土層自重應(yīng)力的影響Fig.1 The effects of soil self-weight stress under groundwater level decline

(1)

可以看出Δσ′1值的大小與水位降低深度Δh的大小呈線(xiàn)性關(guān)系；在浸潤(rùn)線(xiàn)以下土中的附加應(yīng)力為

Δσ′2=σ′2-σ′1=γW(h1-h2)

(2)

其中，Δσ′2值是一個(gè)定值.可知，因地鐵基坑降水而引起的基坑周?chē)孛娓郊映两凳怯蓛刹糠纸M成，第一部分為水位降低范圍內(nèi)的沉降量S1，第二部分為浸潤(rùn)線(xiàn)以下土層的附加沉降量S2，所以降水引起的地面總沉降量S=S1+S2.

1.2 附加沉降的估算方法

根據(jù)一維固結(jié)沉降理論，當(dāng)土體初始孔隙水壓

力μ全部轉(zhuǎn)移為有效應(yīng)力Δσ′時(shí),土層范圍內(nèi)的沉降量為

(3)

式中，Ei為土體壓縮模量.

所以根據(jù)式(3)可以得出水位降低范圍內(nèi)的沉降量S1和浸潤(rùn)線(xiàn)以下土層的附加沉降量S2如下：

式中:dW為地下水位埋深,m.

其中，S2的計(jì)算深度可按“應(yīng)力比法”確定.當(dāng)計(jì)算深度為一般土?xí)r，可取γW(h1-h2)=0.2γWH，即ξ=5；當(dāng)土層計(jì)算深度底部為軟土?xí)r，可取γW(h1-h2)=0.1γmH，即ξ=10.為了簡(jiǎn)便估算，對(duì)一般土層取ξ=5，當(dāng)γm=18 kN/m3，γW=10 kN/m3，則

H=2.78(h1-h2)≈3(h1-h2)

(7)

將式(7)帶入式(5)可得到：

(8)

所以可得：

(9)

式中:ψW為地鐵基坑降水引起周?chē)孛娓郊映两涤?jì)算的經(jīng)驗(yàn)系數(shù).

對(duì)于地鐵基坑降水引起的附加沉降，可按現(xiàn)行規(guī)范[14]所規(guī)定的地基允許變形值進(jìn)行評(píng)價(jià)：當(dāng)[2(h1-h2)-dW]<0時(shí)，可取[2(h1-h2)-dW]=0，即S2不計(jì)入S.此時(shí)，S=ψWS1.

2 滲流力作用下地鐵基坑周?chē)孛娉两档挠?jì)算方法

2.1 沉降計(jì)算方法的理論分析

由于地鐵基坑降水會(huì)破壞地鐵基坑周?chē)叵滤黄胶猓鸬叵滤\(yùn)動(dòng)，進(jìn)而引起新的滲流場(chǎng)，從而打破最初始的地下水平衡狀態(tài).這樣會(huì)使地鐵基坑周?chē)叵峦馏w的滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化.滲流會(huì)產(chǎn)生滲流力，而滲流力引起的附加應(yīng)力是土體失水固結(jié)的主要原因，并且附加應(yīng)力方向與滲流力作用方向近似相同.基坑降水引發(fā)的土層最終變形不僅包括豎向沉降，還包括土體的側(cè)向變形.圖2為基坑降水后產(chǎn)生的土體附加應(yīng)力示意圖，如圖2所示，土體變形是由于滲流力的作用導(dǎo)致的，實(shí)際當(dāng)中，滲流力的方向不會(huì)是僅為豎直向下，滲流力引起的附加應(yīng)力在水平方向會(huì)存有分量，這也導(dǎo)致了地鐵基坑降水時(shí)，基坑周?chē)馏w會(huì)產(chǎn)生軸向變形.

圖2 降水后產(chǎn)生的土體附加應(yīng)力示意圖 Fig.2 The schematic diagram of soil additional stress after lowering water level

如圖2所示，地鐵基坑降水施工過(guò)程中，基坑周?chē)叵滤畷?huì)形成降水漏斗，在降水曲線(xiàn)上下可分為干土區(qū)、疏干區(qū)和飽和區(qū).在基坑降水前后S0區(qū)的土體始終位于水位線(xiàn)以上，可以認(rèn)為是干土區(qū)，在整個(gè)降水過(guò)程中干土區(qū)的土體不會(huì)受地下水影響，也不會(huì)產(chǎn)生滲流力以及附加應(yīng)力，故干土區(qū)中土體的沉降變形為0，即S0=0；在基坑降水過(guò)程中，降水曲線(xiàn)上和初始地下水位線(xiàn)下的S1區(qū)域稱(chēng)為疏干區(qū)，降水曲線(xiàn)以下的S2區(qū)域稱(chēng)為飽和區(qū)，飽和區(qū)的土體在整個(gè)降水過(guò)程中均位于穩(wěn)定地下水位面以下，處于飽和狀態(tài).計(jì)算滲流力作用下地鐵基坑降水引起周?chē)孛娉两禃r(shí)應(yīng)將干土區(qū)、疏干區(qū)和飽和區(qū)土體的沉降分別計(jì)算.圖3為降水后疏干區(qū)土層附加應(yīng)力示意圖，圖4為降水后飽和區(qū)土層附加應(yīng)力示意圖.如圖3和圖4所示，其中疏干區(qū)和飽和區(qū)的土體的沉降計(jì)算應(yīng)考慮滲流力在水平方向存在分量所帶來(lái)的影響.

圖3 降水后疏干區(qū)土層附加應(yīng)力示意圖Fig.3 The diagram of additional stress of soil layer in dredged area after lowering water level

圖4 降水后飽和區(qū)土層附加應(yīng)力示意圖Fig.4 The diagram of additional stress of soil layer in saturated area after lowering water level

2.2 沉降的計(jì)算方法

如圖3和圖4所示，以降水井為坐標(biāo)軸，假設(shè)地表任意S點(diǎn)橫坐標(biāo)為x0(地表任意點(diǎn)S至降水井的水平距離).假設(shè)地表任意點(diǎn)S在豎直方向上垂直投影在降水曲線(xiàn)的高度為y0.沿滲流力方向的直線(xiàn)就是過(guò)點(diǎn)(x0，(H-z))，并且平行于過(guò)點(diǎn)(x0，y0)的降水曲線(xiàn)的切線(xiàn)的直線(xiàn)，其中z為第i土層中計(jì)算點(diǎn)至初始地下水位的垂直距離.

可以證明[15]，S1區(qū)非飽和土層由降水引起的附加應(yīng)力在豎直方向的分量為

ΔPiy疏干=Δσ′y=[γWz+(1-χ)s]sina

(10)

同理，S2區(qū)飽和土層由降水引起的附加應(yīng)力在豎直方向的分量為

ΔPiy飽和=Δσ′y=γW(H-y)sina

(11)

將式(10)和式(11)分別帶入式(3)可以得到疏干區(qū)內(nèi)土層的沉降量為

可得到

(12)

降水后穩(wěn)定水位面下飽和區(qū)的沉降量為

可以得到

(13)

其中：

所以，地鐵基坑降水致使周?chē)孛姘l(fā)生沉降的總沉降量為三個(gè)區(qū)域土層產(chǎn)生的沉降量的總和，又因?yàn)镾0=0，則可得

S=S0+S1+S2=S1+S2

(14)

3 工程實(shí)例分析

3.1 西安某地鐵車(chē)站深基坑工程

西安某地鐵換乘車(chē)站基坑尺寸為18.7 m×179.6 m，開(kāi)挖深度為16.45 m.地鐵基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用排樁與鋼支撐相結(jié)合的方式，其中排樁為Φ1 000@1 500，設(shè)置三道鋼支撐，坑外管井降水.基坑場(chǎng)地地下水水位13.5 m，基坑降深按17.5 m考慮.地層15.5 m以上為新黃土，15.5～20.0 m為老黃土，20.0 m以下為粉質(zhì)黏土.場(chǎng)地土層具體物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 西安某基坑土層參數(shù)Tab.1 Parameters of soil layers of Xian’ foundation

由上可知，dW=13.5 m，h1=6.5 m，h2=2.5 m，可得[2(h1-h2)-dW]<0，故按S=ψWS1進(jìn)行估算.由前文可知，此時(shí)取γW=10 kN/m3，并由地勘資料可知E1=5.6 MPa，帶入公式(4)可得S1=14.29 mm，若不計(jì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，則S=S1=14.29 mm.而實(shí)際監(jiān)測(cè)所得到的地面最大沉降量為5.05 mm.可以看出，沉降估算公式存在一定的誤差.

估算結(jié)果存在一定誤差是由于沉降估算公式受場(chǎng)地土的物理力學(xué)特性影響較大.通過(guò)以往諸多西安地區(qū)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)可知，西安地區(qū)的基坑工程周?chē)孛嬉蚪邓l(fā)生沉降的沉降量是比較小的.該沉降估算公式所求得沉降量與實(shí)際工程沉降量有差異的原因大致有以下幾個(gè)方面：首先，沉降估算公式是以彈性力學(xué)為理論基礎(chǔ)，其假定土體是連續(xù)的、均質(zhì)各向同性體，但是實(shí)際工程中土體是不連續(xù)的，各向異性的.雖然彈性力學(xué)的方法考慮了力在土體中的擴(kuò)散效應(yīng)，但是其考慮擴(kuò)散的程度和范圍明顯要比實(shí)際工程大，其變形計(jì)算的影響深度也比實(shí)際的要深.所以，對(duì)沉降估算公式得出的基坑周?chē)馏w沉降量需引入一個(gè)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，使其更符合工程實(shí)際；其次，西安地區(qū)的地質(zhì)是以黃土為主，黃土是一種結(jié)構(gòu)性非常強(qiáng)的土，當(dāng)基坑降水的有效應(yīng)力不破壞黃土的強(qiáng)度時(shí)，黃土的沉降變形是非常小的；并且浸泡在水中的黃土還具有一定的強(qiáng)度，但是相比較于原黃土強(qiáng)度是非常小的.

綜上，應(yīng)用沉降估算公式時(shí)有必要對(duì)所得的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)調(diào)整，即S′=ψWS，將本次計(jì)算結(jié)果與監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比可知，ψW可取0.353.需要注意的是，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值，需在今后對(duì)該地區(qū)各類(lèi)土層進(jìn)行數(shù)據(jù)總結(jié)，進(jìn)而劃分經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的取值范圍.

3.2 蘭州某地鐵車(chē)站深基坑工程

蘭州某地鐵車(chē)站深基坑長(zhǎng)為212 m，寬為33.8～41.3 m，基坑深度17.0 m.基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔咬合灌注樁+鋼支撐支護(hù)形式，樁間采用C20鋼筋網(wǎng)噴混凝土，樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，基坑豎向設(shè)4道鋼支撐，水平間距為4 m.基坑場(chǎng)地地層自上而下主要有：雜填土、卵石土、全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖.場(chǎng)地各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表2所示.場(chǎng)地地下水類(lèi)型為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石，地下水位埋深3.6～5.0m，地下水位變化主要受降水、蒸發(fā)等因素影響，地下水位年內(nèi)變幅在1.0～2.0 m之間，基坑降水深度按18.0 m考慮.

表2 蘭州某基坑土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.2 Parameters of soil layers of Lanzhou’s foundation pit

同樣對(duì)本地鐵車(chē)站基坑進(jìn)行了沉降監(jiān)測(cè)，以便于地鐵基坑開(kāi)挖的安全和順利進(jìn)行.在平行于車(chē)站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的方向，在降水井周?chē)凑找欢ň嚯x確定監(jiān)測(cè)點(diǎn).1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井10 m，2#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井15 m，3#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井20 m，4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井25 m.制作監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)采用鉆機(jī)將地面硬化層鉆透，隨即打入作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)的鋼筋，使鋼筋與土體結(jié)為整體，可隨土體的變形而變形.為了避免車(chē)輛對(duì)測(cè)點(diǎn)的破壞，打入的鋼筋要低于路面5～10 cm，并于測(cè)點(diǎn)外側(cè)設(shè)置保護(hù)管，且上面覆蓋蓋板保護(hù)測(cè)點(diǎn).初期沉降觀(guān)測(cè)每3天一次，結(jié)構(gòu)完成后每周一次，經(jīng)數(shù)據(jù)分析確認(rèn)達(dá)到基本穩(wěn)定后每月一次.

圖5為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線(xiàn)圖，可以看出，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井越遠(yuǎn)，其沉降量越小，監(jiān)測(cè)點(diǎn)距離降水井越近，其沉降變形越大.這也正好說(shuō)明了：降水時(shí)，在降水漏斗中部是有效應(yīng)力最大的地方，也是其降深最大的位置.在降水漏斗兩邊是降深較小的位置.故在降深最大的地方，也是其土體沉降變形最大的地方.故在施工期間，降水井口附近應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率.

圖5 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降變化曲線(xiàn)Fig.5 Curve diagram of settlement change at monitoring point

通過(guò)考慮滲流力作用下地面沉降的計(jì)算式(14)可分別求得1#、2#、3#、4#監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量值.以1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，卵石層上部4.4 m為疏干區(qū)，卵石層下部及全風(fēng)化巖層上部1.4 m為飽和區(qū)，具體計(jì)算為

可得

S=S(疏干)+S(飽和)1+S(飽和)2=16.19 mm

圖6為各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算沉降量與實(shí)測(cè)沉降量的對(duì)比關(guān)系圖，從圖中可以看出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算沉降量值與實(shí)測(cè)沉降量值基本相等，差值較小.在實(shí)際工程中相差的沉降量對(duì)于工程的影響是微乎其微的，可以看出，考慮滲流力作用下地面沉降計(jì)算公式是較為準(zhǔn)確的.

圖6 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)計(jì)算沉降量與實(shí)測(cè)沉降量對(duì)比曲線(xiàn)Fig.6 Comparison curve between calculated settlement and measured settlement at each monitoring point

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)西安和蘭州地鐵車(chē)站深基坑降水工程的總結(jié)，分析了基坑降水對(duì)周邊環(huán)境影響所采用的計(jì)算方法，并通過(guò)對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果得到以下結(jié)論：

1) 附加沉降估算公式的計(jì)算結(jié)果相比于實(shí)測(cè)結(jié)果較為保守，但通過(guò)帶入經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可以使計(jì)算值接近于實(shí)際值.而考慮滲流力作用下的沉降計(jì)算公式對(duì)于實(shí)測(cè)結(jié)果誤差較小.

2) 附加沉降估算公式與考慮滲流力作用下的沉降計(jì)算公式相比較，其結(jié)果偏保守.而考慮滲流力作用下的沉降計(jì)算公式是根據(jù)降水時(shí)滲流力的應(yīng)力分量計(jì)算出有效應(yīng)力，從而得出土層的沉降量值，該公式精度相比于估算公式有較大提升，所得結(jié)果與實(shí)測(cè)值也較為吻合，可作為西北地區(qū)基坑降水對(duì)周?chē)h(huán)境影響的計(jì)算公式.

3) 因基坑降水工程環(huán)境較為復(fù)雜，所受影響因素諸多，其中地基土的壓縮系數(shù)、孔隙比、滲透系數(shù)等與基坑降水是密切相關(guān)的，因而對(duì)于降水引起周?chē)孛娉两档挠?jì)算精度還有待進(jìn)一步提升.