盾构掘进过程中地下水位变化模拟

2021-07-31张宝安

工程技术研究 2021年11期

张宝安

中国铁建昆仑投资集团有限公司，四川成都 610000

城市建设规模不断扩大，城市建筑桩基开挖、地铁开挖和地下综合管廊等施工过程中必然会进行抽水和降水作业，在地面动静荷载的协同耦合作用下，导致局部地下水的水位反复升降处于动态调整过程中[1-3]。水位的升降将会呈现漏斗形态并不断演化，工程中抽水引起土体和液体产生流固耦合，使得环境地质灾害变得尤为复杂，水位线控制不当将引起地表沉降和施工过程中的工程灾害。在砂卵石土地层盾构掘进过程中水位升降等渗流问题表现得更为突出，土中有效应力不断增加，水压力减小，改变盾构在土层的相互受力状态，容易诱发管片接头断裂，尤其在盾构掘进过程中换刀片施工安全。基于此，文章采用GMS地下水模拟软件，建立水文地质概念模型，研究在砂卵石地层盾构掘进过程中降水井抽水引起地下水水位变化，以期为砂卵石土地层盾构安全掘进施工提供指导。

1 工程概况

成都地铁5号线青羊宫站—省骨科医院站、省骨科医院站—高升桥站（含5穿3暗挖段110m）、高升桥站—科园站区间、市政下穿隧道（751m）主要工法为明挖法、暗挖法、盾构法。地下水富含在卵石土层中，卵石层力学不稳定地层，颗粒间空隙大，无黏聚力，颗粒间点对点传力，卸荷时，原来的平衡状态破坏，引起卵石块滚动。卵石层的孔隙潜水丰富，渗透性大，导致基坑降水对工程施工安全威胁较大。通过降水可及时疏干暗挖区间竖井及正线开挖范围内的地下水，保持开挖面的干燥，并增加作业面的稳定性，防止开挖面失稳，改善土体开挖运输性能，在基坑开挖施工时需及时降低基坑中的地下水位，保证坑开挖施工的顺利进行。

2 水位模拟分析

2.1 水文地质条件

地下水富含在卵石土层中，由于卵石层的孔隙潜水丰富，渗透性大，导致基坑降水对工程施工安全威胁较大。

通过降水及时疏干暗挖区间竖井及正线开挖范围内的地下水，保持开挖面的干燥，并增加作业面的稳定性，防止开挖面失稳，改善土体开挖运输性能；在基坑开挖施工时做到及时降低基坑中的地下水位，保证坑开挖施工的顺利进行。

在DK26+301处设置联络通道，并在该处进行盾构机换刀施工。降水采用管井降水，盾构机换刀需将地下水降至盾构机中心线位置，即降水深度约为19.5m；联络通道施工需将地下水降至地板下1m位置，即设计降水深度约为23m。

降水范围等效半径计算公式如下（矩形状基坑）：

式中：A为基坑面积。

降水影响半径计算公式如下（潜水含水层）：

式中：s为降水深度；K为渗透系数；H为承压水和潜水含水层的厚度。

设计井径dw为0.3m，含水层深度H0为24.0m，降水后水位距离含水层顶距离h为4.5m，井点降水深度s=降深要求-地下最高水位=29.5-10.0=19.5m。

2.2 水力特征及边界概化

根据前期水文地质勘查及水文地质抽水试验，含水层分布范围较广且连续，因此降水井抽水时，边界位置地下水水位降深较小，三层地下水边界都可看作是一类定水头边界。在研究区内，地下水流场较为平缓，渗流基本符合达西定律；水流形式可以概化为平面二维流或准三维流；水流各要素随时间发生变化，为非稳定流。模拟区面积为431406m2，采用Modflow进行自动矩形剖分，在基坑和降水井范围对对自动剖分的矩形网格进行手动加密，共剖分6806个网格单元。

2.3 参数分区及初值

时间离散设置用来定义模型的模拟期长度、应力期及时间步长。首先设置模拟期内总应力期数，即将模拟期划分为多少个应力期；然后输入各个应力期的长度，模拟期的总长度就等于各个应力期长度的总和；最后定义时间步长数，即将每个应力期划分为多少个时间步长，每个时间步长的长度等于每个应力期的长度与时间步长数的商。由于此次模拟只是考虑抽水时地下水流场变化，因此应力期定为10d，每天划分为1个步长。

根据前期水文地质勘查和水文地质抽水试验的计算结果，综合确定该区的水文地质参数及参数分区。参数初始值如表1所示。

表1 模拟区含水层水文地质参数表

2.4 模型的识别验证

模型研究区边界为定水头边界，且没有其他补给排泄项，因此地下水流场线不随着时间变化，只要保证地下水初始流场正确即可，不需要进行模型识别和验证。

3 模拟结果分析

由于第一层含水层渗透系数很大，在大流量抽水条件下，只有抽水井流场发生变化，其他区域未发生变化。抽水10d含水层地下水流场如图1所示。由图1可知，随着抽水时间的增加，抽水井附近的流场线弯曲程度加大，说明抽水井附近地下水位在不断下降。在距抽水井15m范围内，地下水水位从抽水1d到10d共下降约0.17m。

图1 抽水10d含水层地下水流场图

在距抽水井15m范围内，地下水水位从抽水1d到10d共下降了约0.17m。抽水前期水位降深较快，随着抽水时间增加，地下水位线慢慢变平缓，在抽水10d以后地下水位变化较小，保持稳定下降，趋于平稳，出现似稳定状态。第二层地下水位变化规律和第一层基本一致。第二层地下水盾构始发区域地下水被疏干，不同的是第二层含水层渗透系数很小，因此其等水头线弯曲程度较大，说明地下水位降深较大。地下水水位从抽水1d到10d共下降0.065m，较第一层和第二层地下水下降程度小得多，这是由于第三层地下水渗透系数较大，在抽水初期就贡献了较大的降深值。