濒临敏感构筑物混合土地层结构场地基坑降水实践_吕康亭.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-27修回日期：2022-01-05作者简介：吕康亭（1990-），男（汉族），湖北黄石人，工程师，现从事岩土工程施工和研究工作。濒临敏感构筑物混合土地层结构场地基坑降水实践吕康亭*（广州建筑股份有限公司，广东 广州 510040）摘要：河流相形成的混合土地层结构具有各层段强度不均匀、透水层与不透水层混杂的特征，在基坑降水期间，常因降水引起的地面沉降在基坑周边敏感构筑物中产生安全事故。为了消除安全事故，以南方城市某地铁车站为例，提出了适合濒临敏感构筑物混合土地层结构场地基坑的降水试验目的、试验参数、试验步骤以及试验监测、监测数据分析等。上述降水实践不仅有利于基坑支护结构的施工，确保土方安全开挖,而且有利于对基坑场地周边敏感构筑物的保护。关键词：构筑物；降水试验；混合土；基坑中图分类号：TU753 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0184-051概述我国经济的快速发展导致在城市里地铁工程越来越多，地铁具有出行快捷、方便、准时、不占用地面交通资源等优点，但因为地铁在城市施工时经常会遇到构筑物，而这些构筑物对修建地铁过程中引起的场地面沉降十分敏感，易受场地沉降而产生地下管线破裂、城市主干道开裂、大厦居民楼倾斜开裂等安全事故。伴随着地铁工程的增长，相应的基坑工程数量也在不断增长，因为基坑既可以作为开始阶段地铁修建工具盾构机的始发井、接收井，也可作为未来的地铁车站。而基坑工程的顺利实施取决于地质条件因素、支护结构类型、降水工艺和土方开挖等因素，是多因素协同、配合的结果。南方地区雨水多，水系发达，在地质历史演化过程中，由于沉积环境变化、演化时间不同，导致沉积地层厚度、物理力学性质不均匀，特别对沿江、沿海地区而言，由于地质演化时河流摆动、迁移以及海平面频繁变化，混合土地层结构十分发育。混合土地层结构主要有以下特征：各层段强度不均匀甚至发育强度低的地层、透水层与不透水层混杂。大多数基坑开挖施工均建立在降水基础上，以保证基坑在干燥、安全的环境中施工，降水可以降低混合土地层的含水量，增加土体强度，为基坑顺利开挖创造便利条件，但也会引起地面沉降及由此引起构筑物的安全事故。作者以南方某城市某地铁车站基坑工程为例，分析了在地下连续墙支护结构形式下，混合土地层结构场地中基坑降水方案设计、由点到面降水试验、降水全面展开及降水试验期间对敏感构筑物沉降监测设计、实施和分析等，供同行在类似工程实践中借鉴参考。2工程概况2.1地铁车站及车站基坑支护结构设计南方城市某地铁车站为地下两层10m岛式站台，车站总建筑面积为17226m2，外包总长311m，车站外包总高 13.41m，标准断面宽度 20.1m，顶板覆土厚度3.0m。主体结构采用现浇钢筋混凝土两层多跨框架结构，地下一层为站厅层，地下二层为站台层。本站共设A、B端风亭及7个出入口，近期开通5个出入口，分别为、号出入口，其余2个为预留出入口。车站主体基坑开挖深度为16.61m，宽度为25.7m，车站主体支护结构采用 800mm 厚地下连续墙，墙深2528m，墙顶设冠梁；支撑竖向布置三道，其中第一、二道支撑采用钢筋砼米字形支撑，第三道支撑形式采用609mm、壁厚16mm的钢管内支撑；第一道支撑设置在冠梁处，第二、三道支撑与分别与地下连续墙砼腰梁、钢围檩连接，钢围檩采用2工45C组合而成（图1）；转角部位采用钢管斜撑作为基坑支护方式，斜撑段采用砼腰梁。2.2工程地质概况根据该地铁区间岩土工程勘察报告，基坑范围内涉及的岩土层自上而下为（图1）：隧道与建设工程 1842023年第2期西部探矿工程人工填土层：主要成分为中粗砂及砖块、碎石等建筑垃圾，松散欠压实。冲洪积土层、：主要为粉质粘土，可塑流塑，干强度低，标贯40次，实测击数为19击，平均值3.4击。冲洪积砂层、：主要为砾砂，局部含中粗砂，饱和，稍密至中密状为主，标贯实测击数为919击，平均13击。残积土层：粉质粘土，褐红色，可塑状，为原岩风化残积土，标贯试验22次，实测击数为623，平均值11.4击。泥质粉砂岩强风化带：岩性呈坚硬土状，岩质较软，岩块敲击易碎，岩石裂隙渲染铁质。炭质页岩、泥岩中风化带：灰黑色，泥质结构，层状构造，原岩结构部分破坏，大部分为泥质胶结，岩质软，岩质稍硬。灰岩微风化层：炭质灰岩，隐晶质结构，中厚层至巨厚层状构造，裂隙面强度低，岩块强度较高，天然岩石单轴抗压强度 35.11159.6MPa，平均值75.86MPa，标准值67.05MPa。本层岩溶发育，以串珠状溶洞较多见。由上述自上而下岩土层物理力学特性的描述可知，灰岩残积土层之上，是一套由河流相形成的混合土地层结构。勘察孔混合稳定水位埋深0.906.7m，平均地下水位埋深3.0m，主要为基岩裂隙水和松散层孔隙水，但局部出现多层地下水位且上部有相对不透水层时，具有承压性。3基坑降水关键技术3.1基坑内抗突涌稳定性验算工程实践中，根据止水帷幕的深度与含水层位置之间的相互关系，可将基坑的止水帷幕与降水井布置分成三种情况：（1）落底式止水帷幕。止水帷幕穿过含水层直达隔水层，将基坑内外含水层完全隔绝，此时在基坑内布置实施井点疏干即可。（2）半落底式止水帷幕。止水帷幕底位于含水层隔水顶板中，此时，基坑内外地下水连通，要通过井点降水降低基坑下部含水层的水头，防止基坑底板隆起，即需要进行坑内抗突涌稳定性验算。（3）悬挂式止水帷幕。止水帷幕底位于含水层中，但并未将含水层隔断，如果基坑开挖较浅，基坑底未进入含水层，井点降水以降低含水层水头为目的，同时需要进行基坑内抗突涌稳定性验算；如果基坑开挖较深，基坑底已经进入含水层，井点降水前期以降低含水层水头为目的，后期以疏干含水层为目的，同时需要进行图1地铁车站基坑横断面图1852023年第2期西部探矿工程基坑内土方开挖时开挖面以下地层抗突涌稳定性验算。由图 1 可见，地下连续墙底位于灰岩微风化层中，且坑底进入中，且本层岩溶发育，把岩溶水当作承压水考虑，如果把地下连续墙当作止水帷幕，则本某地铁车站基坑为悬挂式止水帷幕。为了确保基坑内土方顺利开挖，需要对土方开挖过程中的基坑内抗突涌稳定性进行验算。PSPW=HisiHwFS（1）式中：PS含水层顶面至基坑内某开挖面的上覆土压力，kPa；PW初始状态下（未开始减压降水）含水层顶托力，kPa；Hi含水层顶面至某开挖面以下各土层厚度，m；si含水层顶面至各开挖面以下各土层天然重度，kN/m3；w水的重度，取10kN/m3；FS安全系数，根据 建筑基坑支护技术规程JGJ120-2012 附录C要求，取1.1。对于本地铁车站基坑工程而言，基坑开挖深度为16.61m，含水层压力水头顶埋深为3m，土的天然容重取平均值为 18kN/m3，含水层顶即标高-6.53m 的层顶至基坑内某开挖面的厚度计算结果如下：H=(3+6.53)101.118=4.81(m)（2）根据计算结果：若FS取安全系数为1.1，则开挖面离含水层顶4.81m，基坑内抗突涌稳定性无法满足规范要求，即工况基坑开挖面进入到砂层时基坑就有可能突涌的风险。3.2基坑降水设计为了保证基坑工程顺利实施，按基坑内含水层水位面降到离基坑底0.5m的要求进行了降水井布置（图2）。基坑内共布置了10口直径600mm的管井，在基坑纵向方向上等间距分布，管井井身为9mm厚钢管，进入基坑开挖深度以下2m，且该段2.0m为滤水段，钢管设置滤水孔5mm50mm，外包细滤网、粗滤网和无纺布，过滤层为回填的1030mm碎石。3.3降水试验方案（1）单井降水试验。单井降水试验目的是通过观察基坑外水位变化，了解局部区域基坑内外水力联系，观察降水对基坑周边敏感建筑物的影响。单井降水试验选取靠近南端头的降水井JSJ-01作为抽水井，选取轴的东、南、西三处布置的5个基坑外水位观测井W1、W2、W3、W4和W5（图2）。图2单井降水试验时降水井和观测井平面分布图单井降水试验参数：JSJ-01 井的抽水时间为1624h，每小时降深不大于2m，抽水结束后进入水位恢复阶段；抽水时，每30min对5个观测井中的地下水位面监测一次，每小时对轴区域的地面沉降和基坑西侧世界鞋都敏感建筑物A栋监测一次；进入恢复水位阶段时，每30min对上述的5个观测井进行水位监测一次，直至恢复到自然水位。通过单井降水试验可得到试验范围内的单井每小时涌水量和降深、基坑内外水力联系、地面沉降每小时变化值、敏感构筑物沉降每小时变化值。1862023年第2期西部探矿工程（2）全基坑降水试验。全基坑降水试验根据单井降水试验的结果进行实施，试验参数：同时对基坑内已施工完成的10口降水井进行抽水，抽水时间定为1624h，直至设计降深水位，每小时降深不大于2m；抽水期间，每30min对基坑外观测井进行水位监测一次，每小时对地面沉降、敏感构筑物沉降监测一次；降水达到设计深度后，保持3d，每天对所有地面沉降和基坑周边构筑物监测2次，若沉降未超过限值，则表示降水方案可行，不仅满足土石方开挖阶段的降水要求，而且基坑内外水力联系不大，降水对基坑周边敏感构筑物影响大，可以实施全基坑范围内的降水。3.4降水试验结果分析抽水试验开泵前，对抽水井、观测井、地表水体进行自然条件下的水位观测，同时对基坑外地面及周边敏感构筑物初始值进行测量，并做好相应记录。JSJ-01作为抽水井时，观测井JSJ-02以及W1、W2、W3、W4、W5的地下水位面监测数据如图3所示，相应地，抽水井、观测井附近降水试验期间地面沉降值及累计沉降值如表1所示。由图3、表1可知：JSJ-01抽水井17h抽水期间，位置基坑内基坑内基坑外基坑外基坑外基坑外基坑外功能降水井观测井观测井观测井观测井观测井观测井编号JSJ-01JSJ-02W1W2W3W4W5高程（m）8.40058.40038.39898.40018.15938.31018.2596沉降值（mm）-0.6-0.5-0.4-0.8-1.9-1.5-2.1累计沉降值（mm）-1.6-1.5-1.2-1.8-1.9-2.1-2.5表1单井降水试验时地面沉降位移监测值表图3单井降水试验时降水井和观测井中地下水位面变化图基坑外W1、W2、W3、W4、W5观测井中的地下水位面曲线平缓，以0.5m的幅度在地下水位面2m附近波动，说明基坑内外水力联系不大，JSJ-01周边的地下连续墙施工质量好，没有地下水漏点；JSJ-01 抽水时，JSJ-01抽水井中的地下水位面曲线与JSJ-02观测井中的地下水位面曲线波动一致，说明基坑内水力联系紧密；停止抽水8h后，JSJ-01抽水井中的地下水位面恢复到起始地下水位面，说明基坑内含水层渗透性较大，JSJ-01抽水井的补水效率高；抽水井、观测井显示地面沉降量、累计沉降值小于预警值20mm，说明由于抽水引起的地面沉降处于安全范围内，显示周边地面、构筑物的沉降较小，降水过程中构筑物可处于稳定状态。在单井JSJ-01降水试验的基础上，对基坑内的所有降水井进行降水试验，并观测水位变化和周边构筑物的沉降，数据分析证明，基坑内降水井布置合理，降水方式能够满足基坑支护结构施工、土方安全开挖的要求，同时能确保基坑周边敏感建（筑）物的安全运营。4结论（1）对周边为敏感构筑物的基坑工程，进行大面积降水时，要先进行单井降水的小范围场地试验，主要目的是确定基坑内外的水力联系及降水对基坑周边敏感构筑物的影响。（2）如果单井降水的小范围场地试验不会对周边敏感构筑物的影响，则需要进行全基坑降水试验。（3）全基坑降水试验能确保基坑周边敏感构筑物的安全运营后，才能进行降水，保证基坑支护结构施工、土石方开挖。（下转第192页）1872023年第2期西部探矿工程力出现在工作面前方1.70m，隧道拱顶上方2m处的最大垂直应力出现在1.10m。工作面到垂直应力峰值位置，可以认为是极限平衡区的宽度，极限平衡区的宽度为1.70m。（3）根据规范及煤矿行业经验，揭煤爆破工作面距煤层的最小垂距为急倾斜煤层2.00m、倾斜和缓倾斜煤层1.50m。C22煤层倾角40，计算推荐最小预留岩柱厚