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摘要：為探明高水位砂卵石地層深基坑管井降水參數對周邊地表沉降的影響規律，本文依托成都地鐵13號線三官堂車站深基坑工程，利用Plaxis3d有限元分析軟件，運用考慮剪切硬化和壓縮硬化的土體硬化本構模型，建立高水位土體—深基坑三維有限元模型，分析了管井降水深度、降水井分布間距以及降水井距基坑開挖邊緣距離三個關鍵參數對于基坑周邊一定范圍內地表沉降的影響規律。結果表明：基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化；基坑周邊地表最大沉降量隨著管井降水深度的增大而呈線性增長；基坑周邊一定范圍內地表最大沉降量隨著降水井分布間距的逐漸增大而減小，當距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對地表沉降影響作用較弱；隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內地表沉降量變化較小，最大沉降量發生的位置隨著降水井位置的外移也產生相應的外移。

關鍵詞：高水位；砂卵石地層；基坑降水；沉降

與其它地區相比，成都地區砂卵石地層分布范圍更廣，層厚更大，卵石含量與最大卵石直徑相對更大，且地下水位相對更高。在該地區進行地鐵車站深基坑開挖施工時，由于含水層被切斷，在壓差作用下，地下水必然會不斷地滲流入基坑。如不進行基坑降排水工作，將會造成基坑浸水，使現場施工條件變差，地基承載力下降，在動水壓力作用下還可能引起流砂、管涌和邊坡失穩等現象[1]。因此，為確保基坑施工安全，需要采取有效的基坑降水方案。基坑降水時，會導致基坑內外水位不同，造成水頭差，根據滲流理論，勢能不同的水必然會流動，滲透到勢能較小的一側，對于基坑而言，坑內土體會由于外部滲透力而造成坑底隆起，圍護結構側向變形；對于坑外土體，水位變低，土體原有的應力發生改變，孔隙壓力變小，有效應力增大，土體變密實而造成沉降，從而對基坑自身以及周邊地表土體穩定性造成影響[2]。對于基坑降水對周圍地表沉降影響的相關研究主要集中在工程試驗、數學解析和數值模擬幾個方面。法國工程師Darcy[3]通過對均質砂進行滲透實驗，總結出關于地下水滲透規律的達西定律，開啟對于地下水滲流研究；Helm[4]推導出因降低地下水位而導致土體應力改變的方程，提出了因為土體應力改變而造成地表沉降的基本解。隨著計算機技術的發展，數值模擬分析逐漸成為主要方法；周念清[5]基于上海十一號線徐家匯車站深基坑工程，利用有限元軟件模擬三維深基坑抽降水并預測得到基坑周圍地表的沉降量；劉林[6]根據黃土地區某深基坑的降水試驗及數值模擬分析結果，對不同參數對于降水效果的影響程度進行了研究并且推導出了不同降水深度在不同距離處的周邊地表沉降值公式；陳興賢[7]以南京三號線的浦珠路站深基坑工程為研究對象，創建了三維滲流耦合能夠預測地表沉降的有限元模型，用來預測得到深基坑降水時松散沉積巖中沉降和滲流場的變化形式；Chen[8]以中國東北地區為研究對象，利用有限元軟件分析得到深基坑降水和土體開挖引起的滲流場和周圍土體沉降規律。管井降水作為目前基坑工程中較為常用的一種降水方式，其設計參數的選擇會對周邊地表的沉降產生直接影響。因此，合理選用管井降水方案的設計參數對于復雜城市環境基坑工程具有十分顯著的意義。在實際工程中，施工單位較多依靠實踐經驗進行降水方案設計，缺少相關的定量分析。此外，目前關于基坑沉降規律方面的研究往往是針對某一特定區域，針對高水位砂卵石地層中基坑周邊地表沉降的研究較少；將特殊地層與特定降水方案結合的研究更是鮮有報道。因此，本文以成都13號線三官堂地鐵車站為研究對象，利用Plaxis3d軟件進行建模分析，根據現場的基坑降水方案，對降水井分布間距、降水深度以及降水井距基坑邊緣的距離等關鍵參數進行分析，探明管井降水關鍵設計參數對基坑周邊地表沉降的影響規律，為高水位砂卵石地層的深基坑降水方案設計提供依據。

一、工程概況

成都地鐵13號線三官堂站總長259m，寬23.5m，基坑深度為28.8m。基坑施工場地范圍內從上到下的地層主要為雜填土、砂卵石和強風化巖，其中砂卵石地層含水豐富、含水層厚度較大；強風化巖軟硬不均勻，遇水易軟化、崩解，強度急劇降低。經前期勘察基坑，場地地下水埋深1~3m，地下水位較高，為確保車站及附屬施工期間基坑干燥，均采用坑外管井降水+坑內明排的方式進行排水，基坑開挖前提前降水至底板以下；降水井布置在圍護結構外側，孔徑為600mm。

二、模型建立

1．計算假定根據現場基坑數據及土體參數，利用Plaxis3D軟件建立高水位砂卵石土體—深基坑—支護結構三維有限元模型，為簡化有限元分析過程，做出以下假定：（1）采用土體硬化模型[10]進行模擬，同時考慮剪切硬化和壓縮硬化，土體均為各向同性、均質的；（2）不考慮支護結構與周圍土體接觸面上產生相對滑移及結構與土體的脫離現象；錨固體與周圍土體完全粘結，注漿體與周圍土體均為理想的彈塑性體；（3）初始應力只考慮自重應力場，不考慮構造應力場，使土層在自重作用下達到平衡狀態，再進行基坑開挖模擬。2．材料屬性土體的相關物理力學參數如表1所示。深基坑結構中的板樁墻采用“Plate板單元”，鋼筋混凝土支撐和腰梁采用“Beam梁單元”，采用“點對點錨桿”和“Embedded樁”模擬地層錨桿。地下水位位于地表1.5m以下的位置，水土重度設置為9.8kN/m3。3．模型尺寸及邊界條件為減小仿真模型邊界效應對后續模擬分析結果的影響，有限元模型長度（X軸）方向取為660m，寬度（Y軸）方向取為225m，深度（Z軸）方向取為130m。既有建筑物荷載作用等效為：磚混結構20kPa/層，框架結構18kPa/層。模型頂面不設任何約束，而將模型側面邊界的水平（X軸）方向自由度進行約束，豎直方向允許發生位移，模型底面邊界任意方向均不發生位移，即六個自由度全部進行約束。4．網格劃分有限元模型網格劃分全局疏密度設置為“超細”，對基坑結構和荷載的網格進行局部加密，將相應幾何對象的加密系數設置為0.5；深基坑模型網格的基本土體單元為10節點四面體單元，共生成31,600個單元，54,605個節點。5．工況設置根據現場實際深基坑降水方案，選取不同的降水井分布間距、降水井距結構開挖線距離以及降水深度作為分析參數對距基坑邊緣不同距離的沉降變化規律進行研究。卵石及土體綜合含水層滲透系數均取為22m/d。工況設置如下：（1）降水井沿結構開挖線2m布置，降水深度為基坑底板以下1m處，降水井分布間距分別為：15、18、20、22和25m；（2）降水井分布間距為20m，降水深度為基坑底板以下1m處，降水井距結構開挖線距離分別為：2、3、4、5和6m；（3）降水井分布間距為20m，降水井沿結構開挖線2m布置，降水深度分別為：地表以下30、31、32、33和34m。

三、結果分析

1．管井降水深度對地表沉降的影響通過改變有限元計算模型中最終降水深度，對計算得到的基坑周邊一定范圍內的地表沉降數值變化規律進行分析，選取x=330m處的計算結果作為研究對象，如圖4所示。由圖4可知，基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化，基坑外地表沉降最大值并不位于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣16~18m處的位置；超過最大值所對應的臨界距離后，隨著距基坑邊緣距離的繼續增大，沉降量逐漸減小。基坑周邊地表沉降量隨著深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大為34m，基坑周邊地表最大沉降量由17.38mm增加為19.42mm；地表最大沉降變化量與基坑降水深度變化量基本呈線性變化關系，降水深度每增加1m，最大沉降量大約增加0.5mm。2．管井分布間距對地表沉降的影響通過改變有限元計算模型中降水井分布間距，對計算得到的基坑周邊一定范圍內的地表沉降數值變化規律進行分析，選取x=330m處的計算結果作為研究對象，如圖5所示。由圖5可知，隨著降水井分布間距的逐漸增大，基坑周邊一定范圍內地表最大沉降量逐漸減小，降水井分布間距由15m增加至25m時，周圍地表最大沉降量由18.21mm減小為16.48mm，減小了9.5%。當距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對地表沉降影響作用較弱。3．管井布置距基坑邊緣距離對地表沉降的影響通過改變計算模型中降水井距基坑邊緣距離，對計算得到的基坑周邊一定范圍內的地表沉降數值變化規律進行分析，選取x=330m處的計算結果作為研究對象，如圖6所示。由圖6可知，隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內地表沉降量變化較小，最大沉降量基本保持在17.50mm左右；最大沉降量發生位置隨著降水井位置的外移產生相應的外移，降水井距基坑邊緣距離由2m增加為6m，最大沉降位置由距基坑邊緣17.08m增大為23.49m。

四、結論

通過計算分析，得到以下主要結論：（1）選取基坑開挖段截面為研究對象，基坑外周邊地表沉降量隨著距基坑邊緣距離的增大呈“勺狀”變化，基坑外地表沉降最大值不是位于基坑邊緣，而是距離基坑邊緣16~18m處的位置；超過最大值所對應的臨界距離后，隨著距基坑邊緣距離的繼續增大，沉降量逐漸減小。（2）基坑周邊地表沉降量隨著深基坑管井降水深度的增大而增大，降水深度由30m增大為34m，基坑周邊地表最大沉降量由17.38mm增加為19.42mm；地表最大沉降變化量與基坑降水深度變化量基本呈線性變化關系，降水深度每增加1m，最大沉降量大約增加0.5mm。（3）隨著降水井分布間距的逐漸增大，基坑周邊一定范圍內地表最大沉降量逐漸減小，降水井分布間距由15m增加至25m時，周圍地表最大沉降量由18.21mm減小為16.48mm，減小了9.5%。當距基坑邊緣距離超過一定值之后，降水井分布間距的變化對地表沉降影響作用較弱。（4）隨著降水井距基坑邊緣距離的增大，周邊一定范圍內地表沉降量變化較小，最大沉降量發生的位置隨著降水井位置的外移也產生相應的外移。

作者：方世民梁世龍李明忠何杰明張姜飛單位：中鐵隧道局集團路橋工程有限公司北京中鐵隧建筑有限公司