（岩土工程专业论文）基坑降水对既有车站结构的影响研究.pdf

中文摘要 摘要：随着城市经济和建设事业的发展，城市地面交通的压力越来越大，单一的 地面交通已经无法从根本上解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下快 速轨道交通来从根本上解决交通拥挤的问题。因而越来越多的城市地铁投入运营。 地铁在城市交通中的作用越来越重要。而地铁的建设使得相应的基坑工程向大、 深的趋势发展。基坑工程对环境以及既有结构的影响是不容忽视的。 本文以北京地铁十号线基坑降水工程为背景，分析了基坑降水对既有车站的 影响。 首先对渗流理论、地面固结沉降的基本理论进行了归纳总结，重点比较了太 沙基固结理论和比奥固结理论，指出比奥固结理论优于太沙基理论。 基坑降水引起地面沉降是三维流固耦合问题。通过a n s y s 建立三维模型，然 后借助三维有限差分数值模拟软件f l a c 3 d ，应用f i s h 语言编制程序对北京地铁十 号线基坑降水工程为例进行数值模拟。最后对计算结果进行分析，得出以下结论： 车站沉降量随降水时间而增加；降水完成后车站存在一定程度的差异沉降；降水 引起车站的侧向位移等。 论文的研究成果对该工程的相关设计和施工以及以后的类似工程的修建具有 重要的指导意义。 关键词：基坑降水；流固耦合分析；有限差分法；固结理论；渗流 分类号： a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee c o n o m ya n dt h ec o n s t r u c t i o n ，t h e p r e s s u r eo ft r a n s p o r t a t i o no nc i t yg r o u n di n c r e a s e s ，as i n g l eg r o u n dt r a n s p o r t a t i o nh a s n o tf u n d a m e n t f l l ys o l v et h eu r b a nt r a f f i cc o n g e s t i o ns i t u a t i o n , t h eu r g e n tn e e dt o v i g o r o u s l yd e v e l o pu n d e r g r o u n dr a i l w a yt os o l v et h et r a f f i cc o n g e s t i o np r o b l e m s t h u s i n c r e a s i n gn u m b e ro fs u b w a yi si no p e r a t i o n ，s u b w a yi si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n ti nc i t y t r a f f i c h o w e v e r , t h ec o n s t r u c t i o no fs u b w a ym a k e st h ee x c a v a t i o nw o r k s d e v e l o p m e n t t o w a r d sl a r g ea n dd e e pd i r e c t i o n b a s e do nt h ep i t sd e w a t e r i n gp r o j e c to ft h en o 10s u b w a yi nb e i j i n g , t h e i n f l u e n c eo fd e w a t e r i n go ne x i s t i n gs t a t i o nh a sa n a l y z e di nt h i st h e s i s i nt h ef i r s tp a r to ft h et h e s i s ，t h et h e o r i e sf o rs e e p a g ef l o wa n dg r o u n ds u r f a c e s e t t l e m e n ta r eb r i e f l ys u m m a r i z e d t h ec o n s o l i d a t i o nt h e o r i e so ft e r z a g h ia n db i o ta r e e s p e c i a l l yc o m p a r e d t h a t t h eb i o tt h e o r yi ss u p e r i o rt ot e r z a g h it h e o r yi sp o i n t e do u t p i t ，sd e w a t e r i n gc a u s e dt h es e t t l e m e n tw h i c hi sa3 - d i m e n s i o n a lf l u i d - m e c h a n i c s e o u p l i n gp r o b l e m at h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li se s t a b l i s h e dv i aa n s y s , t h e nu s i n g 3 - d f i n i t e - d i 佰溯l c en u m e r i cs i m u l a t i o ns o f t w a r ef l a da n di t sf i s hl a n g u a g e , t h e c a s eo f t h ep i t t sd e w a t e r i n gp r o j e c to ft h en o 10s u b w a yi nb e i j i n gi ss i m u l a t e da n da n a l y z e d t h er e s u l t sa r ef i n a l l ya n a l y z e da n dt h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n sa r ed r a w n ：t h ee x i s t i n g s t a t i o ns e t t l e m e n ti n c r e a s e sw i t ht h ed e w a t e r i n gt i m e ；d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n t e x i s t si n t h es t a t i o na f t e rd e w a t e r i n g ；t h ee x i s t i n gs t a t i o nl a t e r a ld i s p l a c e m e n ti s c a u s e db y d e w a t e r i n g , e r e t h er e s e a r c hr e s u l t sa r ei m p o r t a n tn o to n l yf o rt h er e l e v a n te n 百n e e r i n gp r o g r a m b u ta l s of o rt h es i m i l a rf u t u r ep r o j e c t s k e y w o r d s ：p i t sd e w a t e r i n g ；c o u p l e df l u i d m e c h a n i c a la n a l y s i s ；f i n i t ed i f f e r e n c e m e t h o d ；c o n s o l i d a t i o nt h e o r y ；s e e p a g ef l o w c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：象天冬翩躲炜舭 签字日期：加口了年月 i 5 1签字日期：亭谚年多月岁1 7 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：术泛纥 签字日期：沙9 5 年彳月多 日 致谢 本论文的工作是在我的导师乔春生教授的悉心指导下完成的，乔春生教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 乔春生老师对我的关心和指导。 乔老师悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予了 我很大的关心和帮助，在此向乔老师表示衷心的谢意。 刘开云老师对于我的科研工作和论文进行了详尽的知道并提出了许多的宝贵 意见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈扬勋师兄等同学对我论文中的模型建立研 究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 此外，胡磊、程栋、陈磊等同学给予了大力的帮助，同门的卢国营、王鹏的 热心帮助也是我受益匪浅。感谢师弟师妹高伟、赵凯、张宇、郭靓的大力支持。 另外也感谢我的家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 绪论 1 1 研究背景及意义 随着城市经济和建设事业的发展，城市地面交通的压力越来越大，单一的地 面交通已经无法从根本上解决城市交通拥挤的状况，迫切需要大力发展地下快速 轨道交通来从根本上解决交通拥挤的问题。从上世纪6 0 年代至今，我国己有4 0 年修建地铁的历史，目前北京、天津、上海、广州等城市的地铁己投入运营，深 圳、沈阳、武汉、青岛以及南京等城市正在积极兴建或计划修建地铁。地铁在现 代化大都市的交通中占据越来越重要的地位。地铁的建设使得相应的基坑工程向 大、深的趋势发展，由于基坑具有技术复杂、综合性强等特点，故而产生了许多 问题，甚至发生严重的工程事故，造成重大经济损失和恶劣的社会影响。通过对 成功和失败的工程实践总结和分析，积累了丰富的经验，促进了基坑工程理论的 发展。基坑的开挖势必引起基坑周围土体内地下水位的变化和应力场的改变导致 周围土体的变形，基坑工程对周围环境不可避免地产生不同程度的影响。基坑工 程环境效应总的来说包括维护结构、工程桩施工、降低地下水位、土方开挖等对 周围坏境的影响，而降低地下水造成基坑周围地面产生沉降、不均匀沉降、变形 及水平位移是基坑工程环境效应的主要方面。 深基坑工程是目前城市建设和大型工程建设中的常见形式，由于它通常是临 时性建筑物，对其安全性往往重视不够，导致很多深基坑工程事故发生，尤其是 地面沉降问题【lj 。基坑开挖坑底隆起，引起地面沉降，降水引起的地面沉降也是一 个不容忽视的重要因素。当前大多数基坑位于繁华的都市里，施工场地狭小，坑 周的地面沉降严重影响了周围的建筑物，由此引起了很多纠纷。深基坑降水引起 周围环境的地面沉降一直是工程界关心的问题f 2 1 。应该说，在关于基坑降水诱发地 面沉降预测机制方面，我国学者的研究工作和国际同行相比毫不逊色，但是，由 于地铁基坑工程的复杂性，再加上城市地铁隧道施工对地面沉降的控制标准更严， 例如北京地铁、广州地铁和上海地铁对地面沉降的控制标准是不能够超过3 0 m m ， 有些重要地段，地表沉降要求控制在1 5 m m 之内【3 】。因此研究地铁基坑工程的降水 问题，尤其是降水引起的地面沉降问题有很重要的现实意义。 1 2 研究现状 1 2 1 基坑降水研究现状 达西通过长期的试验于1 8 5 6 年得出水在多孔介质中的渗流定律，即著名的达 西定律。这一定律的提出奠定了渗流理论的基础。此后对渗流理论研究可以分为 稳定渗流理论和非稳定渗流理论两个方面。 稳定渗流理论方面，d u p u i t 于18 6 3 年以达西定律为基础研究了一维稳定运动和 向水井的二维稳定运动，奠定了地下水稳定渗流理论基础。在此基础上，根据不 同的渗流条件，地下水渗流主要有以下三种情况：( 1 ) 承压完整井流；( 2 ) 潜水 完整井流；( 3 ) 承压一无压井流。 非稳定渗流方面，t h e i s 于1 9 3 5 年最先发表了关于非稳定渗流理论的研究成果， 他研究了均质、各向同性、等厚、径向无限延伸、无越流补给的水平层状的含水 层中，单个完整井抽水引起的地下水非稳定渗流运动，提出了著名的泰斯公式。 吴林高等人1 9 9 5 年根据基坑降水的特征提出基坑围护结构( 或隔水帷幕) 周 围的地下水渗流特征与水文地质条件、围护结构的插入深度、降水井的位置有关， 并对降水时基坑维护结构周围地下水渗流特征分为三种情况【3 。7 1 。 对于第一类渗流的一般特征，刘峡南等人分析建立了数学模型，采用g r e e n 函 数法对其进行了求解，得到了圆形基坑井点降水时坑内任一点抽水时产生的水位 降分布，并对解析解结果的合理性进行了分析。吴林高等人采用了相同的办法建 立了矩形基坑第一类渗流计算模型并求得了解析解。 对于第二类摹坑围护结构的渗流问题，吴林高等人根据实际地层条件、降水 井揭露含水层的程度和进水条件又分为四种情况进行考虑【3 7 】。 对于第三类基坑围护结构的渗流问题，由于受围护结构的阻拦，上部基坑内、 外地下水不连续，底部含水层连续相同，渗流边界非常复杂，地下水呈三维流态； 另外，由于承压含水层水位大幅下降，上部潜水含水层地下水通过弱透水层越流 补给承压含水层，形成以潜水含水层、弱透水层、承压含水层组成的越流含水层 组。吴林高等人建立了越流含水层组三维渗流模型并用数值方法进行了求解。 基坑降水技术早在1 8 9 6 年德国建造柏林地下铁道时就丌始采用。随后世界各 国在建水坝、水电站泵站、隧道、高层建筑的地下室、市政工程等工程中分别采 用了不同的降水方法。 通过总结前人的经验与广大工程技术人员的实践，基坑降水方法除了集水明 排方法外，目前仅井点降水技术方法就有很多。集水明排适用于不易产生流砂、 流土、潜蚀、管涌、掏空、塌陷等现象的粘性土、砂土、碎石土的地层。而常用 2 的点井降水方法有：真空( 轻型) 并点、喷射井点、电渗井点、管井、辐射井( 水平 井点) 及引渗井、大口井等。各种降水方法都有其特点。见表1 1 。 表1 1 降水方法的适用范围 方法土类渗透系数( m d ) 降水深度( m ) 水文地质特征 明排井( 沟)粘性士、砂士 o 5 2 真空井点填土、粉砂土、单级 6 ，多级 2 0上层滞水或者水 0 1 2 0 0 喷射并点 粘士、砂士 2 0 量不大的潜水 电渗井点粘性土、砂土 5 含水丰富的潜 破碎带水、承压水、裂 辐射井粘性土、砂土 0 1 2 0 o 2 0隙水 大口井砂土、碎石土 2 0 o 2 0 0 0 丘c 进 行控制。 。+ ( 5 ) 对于耦合渗流问题，真实扩散率由刚度比值r 控制，即流体刚度与介质 刚度的比值 3 l 足= ( 3 5 4 ) 根据r 的定义，方程( 3 5 0 ) 可以表示为下面两种形式 c ：肼上( 3 5 5 ) 1 + 见 和 c = - 竺t ( k + 4 g 3 ) 两1 酉 ( 3 5 6 ) 如果r 是一个较小的值( 与1 相比) ，方程( 3 5 5 ) 显示，f l a c 3 d 标准时间 步可以代表系统扩散率。 如果r 较大( 也就是说，同( k + 4 g 3 ) o t 2 相比，m 较大( 或 k ， ( k + 4 g 3 ) n ) ) ，则f l a c 3 d 中的显式时间步长将会非常小。为了增加时间 步长可以考虑减小m ( 或者k ，) 的值。如果m ( 或者k ，) 减小到使r = 2 0 的 程度，那么对于特定的m ( 或者k ，) 来说扩散率将会在5 以内。注意，在任何 情况下k ，都不能大于流体的物理值( 对于水来说，k ，不能大于2 1 0 9p a ) 。 3 4 4 流固耦合模拟的技术要点 ( 1 ) 基础资料要求：为保证计算结果具有高度仿真性和可靠性采用三维流固 耦合数值模拟解决基坑降水问题对勘探工作的要求是较高的。场地地质结构应十 分清楚，每个渗流层的水文地质参数和初始水位资料都要明确，这就要求有一定 钻孔数量、抽水试验以及水位分层观测资料等。 ( 2 ) 计算范围和边界条件确定：基坑开挖往往是在一个相对较小的范围内进 行的基坑降水过程中地下水位降落漏斗随时间不断向外扩展，当达到降水井最大 降水能力时稳定。为便于确定边界条件数值模拟的计算范围，最好扩展至隔水边 界或一类边界，由于实际基坑周边很难找到这样的边界条件，此时计算范围最好 扩展至降水影响范围以外，这样就可将侧向计算边界近似认为是一类边界，并采 用区域地下水流场资料确定边界水位但这种计算范围外延必须是在对延展区域内 水文地质有充分了解的基础上进行。 ( 3 ) 初始水位的确定：地下水三维流固耦合问题与初始条件是紧密相关的， 初始水位j 下确与否直接影响计算结果的正确性。而在地下水三维流固耦合问题中 需要每个被模拟的渗流层的初始水位，这在我国目前的实际工作中往往是做不到 的。为此可以采用个变通的办法来解决。当降水影响范围内的含水层类型属于 潜水含水层时，可以运用天然条件下的三维稳定地下水流数值模拟，在边界定水 3 2 位、地质结构以及水文地质参数的共同控制下，计算模拟出的分层水位结果能够 比较准确地反映出特定水文地质条件下的三维水头分布情况。 ( 4 ) 模型可靠性问题用于描述计算区域地下水渗流问题的数值模拟模型建立 以后，可以通过地下水位计算值与实际观测资料相拟合来校正模型以及验证模型 的可靠性，将验证后的模型用于基坑降水预报，因此，对于模拟结果，还要相应 地分析其可靠性问题以便为基坑降水的顺利实施做好充足的准备。 3 4 5 流固耦合求解步骤 ( 1 ) 建立模型，划分网格 模型大小根据降水影响范围确定，由于降水的影响范围较大，一般所建模型 也较大。网格的划分在降水井附近较密，降水井以外的网格较疏。 ( 2 ) 赋予材料特性及参数 根据土体的性质选用本构模型，材料参数根据所选本构模型而定。与流体有 关的参数主要是土层的渗透系数、孔隙率和流体体积模量。 。 ( 3 ) 设定初始条件 力学模型的初始应力由自重应力产生；流体模型的初始条件是生成孔压的分 布。 ( 4 ) 设定边界条件 力学模型的边界条件施加为位移约束；流体模型的水流边界条件分内边界和 外边界，内边界为流速边界( 即降水井点) ，外边界为定水头边界和隔水边界。 ( 5 ) 耦合求解 渗流场和应力场两场在计算程序的控制下进行耦合计算。 3 3 4 实际基坑降水工程模型的建立 4 1 工程简介 北京地铁十号线宋家庄枢纽车站位于规划的宋庄路与石榴庄路十字路口，石榴庄路 道路红线宽5 0 m ，为规划城市次干道。宋庄路道路现阶段红线宽3 5 m 。五号线宋家庄站 已经实施完成。外部场地十号线宋家庄站现阶段已经完成拆迁，场地为空地。 十号线宋家庄站采用双层岛式车站形式。宋家庄地区汇集了轨道交通5 号线、1 0 号线二期和办庄线以及地面交通枢纽等多种交通方式，是市区东南部地区重要的综合交 通枢纽。同时，上述三条轨道交通线路的车辆基地也设置在此处。十号线宋家庄与五号 线平行位于五号线北部，亦庄线与五号线宋家庄站垂直位于五号线南部。 车站净长为2 5 1 5 米，净宽为3 1 5 5 米，为岛式车站。车站建筑为两层，站厅层和 站台层。车站埋置深度约1 5 7 m ，结构顶板覆土深度约2 0 m 。 本站与已施工完成的地铁5 号线、亦庄线换乘，车站为双层结构。 4 1 1 工程地质条件 本场地内土层分布较为稳定，自上而下依次为人工填土( q m l ) 、第四纪全新世冲 洪积地层( q 4 l a l + p 1 ) 、第四纪晚更新世冲洪积地层( q 3a l 印，) 三大类。基坑深度范 围内主要为粘性土、粉质粘土。 土层分布较为稳定，自上而下依次为人工填土、第四纪全新世冲洪积地层、第四纪 晚更新世冲洪积地层，其中人工填土普遍厚度1 5 - - - 3 5 m ，最大厚度达到5 2 m ； 依本次勘察揭露地层最大深度为4 5 m ，根据钻孔钻探揭露与原位测试及室内土工实 验结果，本次勘察深度范围内地层土质分布情况分述见下表： 表4 1 土层分布一览表 地层 沉积年代岩性名称 颜色状态 密实度 湿度 代号 人：i ：填十 粉十填十 黄褐色 稍密 湿 层( q “1 ) l 杂填士杂色松散湿 粉十 褐黄色黄灰色 ：密实 很湿 l 粉质粘土灰色褐黄色硬塑 第四纪全 3 粉细砂 褐黄色 中密饱和 新世冲洪 粉质粘士灰色褐黄色硬塑 积层 ( q 4 8 1 + p 1 ) l 粘十 棕黄色 硬塑 2 粉士褐黄色密实很湿 3粉细砂 褐黄色 密实饱和 圆砾杂色密实饱和 第四纪晚 2粉细砂褐黄色密实饱和 更新世冲 洪积层 粉质枯十褐黄色硬塑 ( q 3 a l + p “) i粘十 棕黄色 硬塑 2粉十褐黄色密实很湿 卵石杂色密实饱和 1中粗砂褐黄色密实饱和 2 粉细砂 褐黄色 密实饱和 3粉十褐黄色密实很湿 4粉质枯十褐黄色硬塑 第四纪晚 粉质枯十褐黄色硬塑 更新世冲 洪积层1粘十棕黄色硬塑 ( q 3 a l + p l 1 ) 2粉十褐黄色 密实湿 3粉细砂褐黄色密实很湿 卵石杂色密实湿 1中粗砂褐黄色密实 湿 2粉细砂褐黄色密实 湿 3粉十褐黄色 密实 很湿 3 5 星 暑 ；1 等等 ；l ! | 皇# 等等 l 号l 匡 _ 灞鬈 蘩鋈 戮 戮蘩 艄； 癫缓 溅蒸膏鼹钢0蛋缫 | 。锝瓣j t 譬 2 厶，。：。! 嬲2 f ：蠹懒，| 藕1 斟”矗瓣| a ，? ，目，r 。劲”崩： d ：世：f 。| f ，7 ，。r 例 1 4 i i ， 1 1 1 i 燃 爹遴 绷i 鬓 ：经雠 谬 i 趱 r ，历钾向寺：j 缵耀：震嬲 ? t 缓 譬譬： 叫辽 豪： ：群 ：i e 彳 。j 。1 ， v 。彳r 4 o o ：j ：彰j 钟 ：嘣订1 、 1 h _ 4 ，磁蕊吖土= ：当e 。i f _ 8 o - 飞；菇缪 2 ! = i ： 肾太 0 ：矗7 h 去 w 下茹 v 匕菥 i ；l ”l”h - - i _ ：1 图4 1 土层状况 4 1 伍 置岳 3 i 5 且雨 n 蛎 嬲 筮：而 五【6 a ：5 h t 6 蜘e h 晒 n 西 r “6 比墨 图4 2 地质钻孔资料 4 1 2 水文地质条件 根据本次勘察揭露地层特点来看，本场地第一层地下水属上层滞水，主要赋存于人 工填土底部，浅层粉土和粉细砂透镜体底部的孔隙之中，分布不连续，本场区含水层主 要为粉土层和3 粉细砂层，本次勘察过程中未发现该层水。 第二层为潜水，由于粉土2 层与粉质粘土层互层分布，可能形成多层含水层， 有多个水位，本次勘察观测到该层水位标高为3 0 6 8 m ( 水位埋深为9 5 0 m ) ，观测时间 为2 0 0 7 年7 月8 日。 第三层地下水属潜水，含水层为粉土2 层，本次勘察未发现该层水位，本车站利 用孔水位标高为2 2 4 6 , 、, 2 5 3 0 m ( 水位埋深为1 5 3 5 - 1 7 3 0 m ) ，观测时间为2 0 0 2 年7 月 5 日 - - 2 0 0 2 年7 月1 3 日。补给来源为大气降水补给和侧向径流补给，以侧向径流和向 下越流补给承压水的方式排泄。高为2 7 3 9 3 0 8 6 m ( 水位埋深为8 9 0 - - 1 2 0 2 m ) ，观测 时间为2 0 0 2 年7 月5 日 - 2 0 0 2 年7 月1 3 日。补给来源为大气降水补给和侧向径流补 给，以蒸发和向下越流补给下层地下水的方式排泄。 第四层地下水属层问潜水，含水层为中粗砂l 层、粉细砂2 层及卵石圆砾层， 本次勘察观测到的该层地下水位标高为1 5 4 4 - - 1 5 5 1 m ( 水位埋深为2 5 2 0 2 5 6 0 m ) ， 观测时间为2 0 0 7 年7 月7 日 - 2 0 0 7 年7 月1 2 日。本车站利用钻孔观测到的该层水位 标高为1 8 7 6 2 0 3 0 m ( 水位埋深为1 9 4 8 - - - 2 1 0 0 m ) ，观测时间为2 0 0 2 年7 月5 日 - 2 0 0 2 年7 月1 3 日。主要接受侧向径流补给及越流补给，以侧向径流方式排泄，地下水流向 指向区域地下水降落漏斗中心，方向为自西南向东北。 4 1 3 降水设计方案 在车站主体结构深度范围内共受2 层地下水的影响，分别是：第一层潜水和第二层 潜水。 第一层潜水：根据岩土工程初勘报告提供的数据，水位标高为3 0 6 8 m ( 水位埋深 为9 5 0 m ) ，含水层为细中砂3 层，渗透性较弱，但基坑开挖时容易引起流砂现象。为 保证站体结构安全施工，需对站体范围内该层地下水进行疏干； 第二层潜水：本次勘察未发现该层地下水，但不排除雨季或丰水期该场区经过降水 垂直入渗补给该层地下水又重新恢复的可能。本层地下水为粉土2 层，渗透性较弱， 但基坑开挖时容易引起坑壁塌方。为保证站体结构安全施工，需对站体范围内该层地下 水进行疏干。 主要降水区域和降水井点布置如图4 3 所示： 3 7 图4 3 主要降水区域以及降水井点的布置图 本站在开挖深度范围内，地下水含水层主要为粉土层( 仅局部有粉细砂3 层夹 层) 、粉细砂3 层( 分布不连续，仅局部存在) 和粉土2 层，渗透系数较小，基坑排 水量不大，因此不对该区间进行基坑排水量计算。 根据初步勘察资料、现场施工场地条件、地下管线情况、现场构筑物影响等多方面 因素的分析，本站采用封闭式管井降水方案，管井为两渗一抽布设。 下面是宋家庄站降水设计参数。 表4 2 宋家庄站降水设计参数表 井径管径井深 井间距滤料井数 位置井类型井管类型 ( m m )( m m )( i n )( m )( m m )( 眼) 抽水管井6 0 04 0 0 5 0无砂水泥管3 0 0 56 82 - 42 4 车站主体 渗水管井 6 0 04 0 0 5 0 无砂水泥管 3 0 0 56 - 82 - 44 7 疏干管井6 0 0 4 0 0 5 0无砂水泥管 2 0 0 51 52 - 41 3 注： 管井深度以井底标高1 0 o m 、2 0 o m 确定； 管径为：外径壁厚； 抽水管井和疏干管井安装3 m 3 h 潜水泵，并应根据现场抽水情况适当调整泵量。 4 2 模型建立 4 2 1 模型的范围选取及网格划分 模型大小：在x 方向取8 3 4 m ，y 方向取3 4 2 m ，z 方向取2 9 3 m 。共有z o n e l 2 3 5 6 8 个，鲥d p o i n t s l l l 8 5 5 个，s t r u c t u r a l - e l e m e n t s l 4 2 4 7 个。模型建立过程中考虑到了既有地 铁车站的梁板柱和既有地铁车站的围护结构。降水井的模拟根据工程设计方案中的实际 位置和情况进行模拟。 图4 4 五号线宋家庄站计算横剖面图 图4 5 五号线与十号线计算横剖面关系图 3 9 = ! e 塞窒迪厶。! 兰：亟! ：堂位迨堑 4 0 图4 6 模型中监测点的布置 图4 7 整体计算模型 二止塞窒适厶堂亟i 论塞笾匠基坑隆丛! ：崔攫型的建窒 图4 r 既有车站( 五号线宋家庄站) 在整体模型中的相对位置关系 图4 9 降水井在模型中的相对位置关系 二! “! 盆地厶堂亟f ：堂i 互途塞 4 2 么 图4 1 0 模型中既有车站的梁、板、柱 图4 ii 既有车站的桩锚围护结构 4 2 2 边界条件及本构模型的选取 模型侧面和底面为位移边界，侧面限制水平移动，底部限制垂直移动，模型上表面 为地表，取为自由边界。 现场场地开阔，地下水补给充沛，依据影响半径定义，认为在影响半径上，地下水 位恒定。因此两条侧边界可视为不排水边界，既可按照流量边界也可按水头边界处理。 底部弱透水层作为不排水边界按流量边界来处理，基坑底部和内侧作为排水边界按流量 边界来处理。上述边界状态在降排水过程中保持恒定，同时也是降水的初始状态。 确定边界状态后，输入源汇项文件。降水井点从开始相继启动降水起，约一个月左 右基坑涌水量趋于稳定，并假设各抽水井点抽水量相等，且无失效井管。 土体满足m o h r - e o u l o m b 本构模型，流体模型为f 1 i s o 各向同性模型和f 1 n u l l 流体零 模型。 4 2 3 计算参数的确定 根据现场取样和土力学、岩石力学试验结果，计算中采用莫尔库仑( m o h r - c o u l o m b ) 屈服准则判断岩体的破坏： 产q 一巳面1 + s i n 咄篙 式中，q 、吒分别是最大、最小主应力，c 、缈分别是内聚力、摩擦角。厂3 0 时， 材料将发生剪切破坏。在通常情况下，土体的抗拉强度很低，因此可根据抗拉强度准则 慨听j 判断岩体是否产生拉破坏。土的物理力学参数的取得来源于工程地质勘察报 告。 对既有车站结构采用线弹性本构模型计算分析。 4 3 = i e 立窒遵厶堂亟堂位论塞 表4 3 各土层力学性质指标 变形模量e o 岩十编号 大然密度g c m 3粘聚力c ( k p a )内摩擦角( 。) ( m p a ) 1 7 0 1 0 51 5 6 1 7 52 l2 71 7 5 2 0 4 2 6 1 61 2 2 1 9 9 2 03 02 2 3 1 9 5 o5 07 0 1 8 72 71 61 6 0 1 9 8 2 5 3 01 3 5 2 1 505 08 0 表4 4 模型中各土层分层厚度表 十层编号 0 0 厚度( m )2 74 351 61 922 2 47 86 6 6 表4 5 衬砌和支护结构参数 序号名称弹性模量e ( g p a )泊松比v 密度p ( k g m 3 ) l 初衬混凝十c 2 52 6 20 2 52 3 0 0 表4 6 各土层的渗透系数和孔隙率 十层编号 渗透系数( m d ) 0 0 8 o 0 6 o 0 70 1 20 2 0 o 50 2 50 3 51 2 孔隙率o 3 90 3 8o 3 90 4 10 4 1o 5 00 4 lo 4 40 6 4 韭互里己堕丛生吐篮t 一生匦垡埴隆丛l 摧撞型曲蕉! 兰 图4 1 2 模型中各土层的分层 4 2 4 模型计算步骤的编写思路 住降水模拟时，使渗水井的孔隙水压力始终保持住0 ， d t j ) t ：的孔隙水i j j , j 某一 负值，这 ：丫! 操作的结果是，当抽水井或者渗水j h 嗣围地层仃水仃和m ，就会和抽水井或 行渗水井之n 1 j - 乍雎力水头差，水就会流阳抽水仆或渗水j 二，a 剑水位降到所要求的位 f 也那么水位以f ：十层的孔隙水压力也降到接近0 值时，降水就会停止，这样就很好的 模拟了皋坑降水的过秤，并和实际当中基坑的降水过样段腾刚_ 亡敛的。 4 5 模型网格的分组和定义 毒 各参数的输入及分配 土 边界条件的设定 上 求解初始平衡 关闭流体模型 上 i 开挖降水井 图4 13 程序编制流程图 5 计算结果分析 5 1 降水井的布置对降水结果的影响 根据地下水f 讧蛉测资料表明，地l 、- j j ：f f 化j 二地农以卜1 0 米。琏坑降水婴求水f t 降 到牲坑底下l 2 米，以保“施。i ；要，以i 、魁幔，眇 ，| ，l 勺降水附r 1 的水f 沙：图，从图- l 】 图51 降水前f 初始平衡以后j 的水压云图 j e 五! 蛮道厶：王亟：途塞 进鲤结星公堑i 显。抽水井和渗水井的各币b d c 州布置方式均i i ：r 以达剑降水要求，但是布置两排抽水井的 降水历时要短。 5 2 孑l 隙压力特征 下面是在基坑底部布置的水j i 监测沁用来嗌测水压随水位f 降的变化情况。 图5 4 基坑下1 m 处孔隙压力变化时程曲线 山于计算循坷：的步骤较多，每隔5 0 0 取一个记录r _ ，具体数值曲线! c f i 下： 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 ：3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o 时间步 图5 5 基坑下1 m 处子l 隙压力变化时程曲线 4 9 h o ( ) ( ) ( ) 7 0 0 0 ( j 6 0 0 0 ( j 5 0 0 0 ( ) 三一1 0 0 0 ( ) 兰：j ( j ( j ( - j ( ) 2 0 0 0 ( ) l ( ) ( ) ( ) ( ) f ) 时川i i 少1 1 图5 6 基底下3 m 处孑l 隙压力变化曲线 图5 7 降水孑l 压曲线 小i 桀【k 域的孑l 隙4 、小_ e - 瓜jf f l j 绛剑 艮小f l t i 卜l ( f l 竞j ? 10 0 0p al i , j + ) ，i l j 一以i 人为这。i 又域为 允水l k 城，对施l ：1 i 会造成影响。孔隙水j l i 力位为0 的 1 i f i 彤成了地卜 水降落漏? 。，曲 i f “之i - 为忙饱和带，i f ni f i f 之| 、- 为饱和1 1 t - 。【ll 蚓5 4 一蚓5 6 【t 肌l ，l 经达到降水的预期效 h ! ，q l i ! l i , ：j 卜j 值为0f 内b i l f 形j 3 三一j 7 较歹ji pj ! - 点f l j 降j = ；_ j 【莉i l ，水f i 斧j l j 了j 毒白、i f 苠音b lm 以一f - e 葛! 窒遁厶王：塑! l 迨筵一一一 j i ：! 结塞公近 5 3 竖向位移( 沉降) 分析 经过名? 。、并t o f - ：i ：农l j ：降水( 抽汲地l 、 水) 引起地刊f i 崭i 而产 t - 的地而沉降，足 山于含水j ：( i 1 1 ) 内地卜i 水水位卜降，j ：层内液爪降低，使粒f i , j i 、, j j j ，【! | j 仃效j 、谚力增加 的结果，而钉效、v 力的j ：f j j j