地铁车站深厚地连墙支护下的基坑降水工艺研究_李明芳.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315021地铁车站深厚地连墙支护下的基坑降水工艺研究收稿日期:2023 02 01作者简介:李明芳(1978 )，女，工程师，从事工程管理工作李明芳(北京铁城建设监理有限责任公司，北京100080)摘要:以某地铁车站基坑工程为例，针对该地铁站基坑开挖地下水时亟需降水，对车站顶板防水、结构渗漏有很大影响的情况，设计使用三维渗流模型，对整个渗流区进行离散后，采用向后差分法将上述数学模型进行离散，得到了数值模型，设计在3 轴25 轴区域坑外布置2T层降水井 40 口(其中 22 口为备用兼观测井)，并由此计算预测降水引起的地下水位的时空分布，为类似含水条件下的地下连续墙地铁基坑降水提供了类似的经验参考。关键词:地铁基坑;地下连续墙;基坑降水;降水井中图分类号:TU463文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0083 04地铁车站基坑在场地地下水承压含水层广泛分布的区域往往需要进行降水施工，以方便基坑的开挖。通常由于地下黏质粉土层间水力联系紧密，会影响车站施工开挖，而车站场地围护结构在无法隔断基坑内外承压水的水力联系下，会在地下连续墙下部增加素混凝墙，以增加绕流路径，施工时需考虑按需降水，地铁基坑的降水是影响基坑施工进度和保证基坑安全开挖的关键。1工程概况明州医院站为地下两层钢筋混凝土箱型结构，车站全长约2555 m，标准段结构外皮宽197 m，端头并处主体结构宽度为238 m，标准段开挖深度为 19 073 m，西端头井开挖深度为20676 m，东端头井开挖深度20105 m。围护结构为 800 mm 厚连续墙，采用 1 道混凝土撑+5 道钢支撑体系，外包防水1。共设置 3 组出入口，2 组风亭，其中 C 号出入口与 B 号风亭合建。明州医院站基坑采用明挖顺作法施工，标准段结构外皮宽 19 7 m，东端头井宽238 m，西端头井宽27 m，标准段开挖深度为19073 m，西端头井开挖深度 20 676 m，东端头井 开 挖深度 20 105 m。主 体 围 护 结 构 采 用800 mm 厚连续墙。2拟建场地工程地质条件21地层岩性参数本站基坑主体基坑深 18 905 m 20 676 m，车站主体基坑坑底均位于2层粉质黏土;围护墙墙趾主要位于2层粉质黏土。场区内承压含水层主要为1层承压水赋存于4b层砂质粉土，2T层砂质粉土层中，经验算，4b层，2T层安全系数均小于 1 0，需降水。其余承压含水层对车站基坑开挖无影响。22水文地质条件地表水:拟建车站场地内有一条现状河道毛家漕河，河道宽度约 18 m。详勘期间水深约为 1 0 m 3 0 m，水底标高一般为 0 75 m 0 11 m，浜底淤泥厚度08 m 2 0 m。明州医院站孔隙承压水:主要赋存于中部第层、第层、第层承压含水层和深部第层、第层承压含水层中，分属于宁波市深部第、第含水层，其中第承压含水层组又分为1和2承压水，地下水水化学类型以 HCO3 Cl Ca 型为主。其中1和2层承压水以及层承压水为:第1层孔隙承压水:主要赋存于1T层黏质粉土、3b层粉砂、3c层中砂、4b层黏质粉土、2T层黏质粉土、3b层黏质粉土、4a层细砂、4b层圆砾。第2层孔隙承压水:第层孔隙承压水赋存于1T层细砂、2a层细砂层中，属特强透水层，水量大，单井开采量一般为200 m3/d 1 500 m3/d，原是市区主要淡水开采层之一，地温为 20 0 21 0，2a层细砂层顶埋深在 630 m 以下。23工程施工难点明州医院站横穿华医桥及毛家漕河，车站结构顶板位于河道下方，顶板距离河底较近，对车站顶板防水、结构渗漏有很大的影响。为确保对该段车站顶板渗漏点的控制，主要采取以下几项措施:1)合理安排混凝土浇筑顺序。由于河道距离基坑顶板较近，故河道对车站主体结构渗漏水存在很大的隐患，为了防止结构渗漏水，将中板以上侧墙和顶板采取同时浇筑的施工方法，浇筑过程中严格控制混凝土分层厚度及振捣，侧墙浇筑采取分层对称浇筑，分层厚度不大于50 cm，两侧侧墙高差控制在 50 cm 以内。顶板混凝土严格控制连续浇筑顺序，不得出现施工冷缝。2)严格控制防水施工。对侧墙及顶板防水施工质量进行严格把关，严格按照规范要求施工，过程中安排专人进行现场盯控，确保侧墙及顶板防水施工质量。38第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug20233基坑降水设计31降压性降水设计1)承压水突涌稳定性计算。由于本工程基坑深度较大，坑底以下下伏有承压水，必须充分考虑基坑底板的突涌安全性2。可按下式进行验算。F=shs/rwhw1 10。其中，F 为基坑底面突涌安全系数，取 1 10;hs为基坑底板至承压含水层顶面垂向距离，m，计算时按承压含水层顶面的最浅埋深;hw为承压含水层顶板以上的承压水头高度，m;s为基坑底板至承压含水层顶板之间的土的平均重度，取 18 0 kN/m3;rw为地下水的重度，取 10 0 kN/m3。根据勘察资料，按最不利情况考虑，基坑下伏的2T层承压含水层层顶埋深最浅，约 38 2 m，水头埋深约地面下 2 0 m。基坑标准段:shs=18 (38 2 16 5)=390 6 kPa;基坑端头井:shs=18 (38 2 18 4)=356 4 kPa;rwhw=10 (38 2 2 0)=362 0 kPa;基坑标准段:F1=shs/rwhw=108 1 10;基坑端头井:F2=shs/rwhw=098 1 10。本工程开挖过程中基坑有2T层分布的区域均不能满足抗突涌计算要求，需对该层承压水进行降水处理，应计算相应降水幅度。开挖深度 hs 2T层安全水头 D 对应关系如表 1 所示。表 1开挖深度 hs2T层安全水头 D 对应关系表区域开挖深度 hs/m安全承压水头埋深 D/m降深量/m基坑临界深度16 542 00临界状态标准段16 502 690 69东端头井段18 405 803 80对于减压降水的计算分析，需建立三维渗流模型进行计算。另据勘察资料，按最不利情况考虑，场区3b层承压含水层层顶埋深最浅约 46 4 m，水头埋深约地面下30 m。按上述计算，第3b层的抗突涌系数大于 1 10，不需要进行减压降水处理。基坑开挖过程中，因为承压水水位高于基坑开挖面，必须确保降压深井不被破坏3。降水井平面布置图如图 1 所示。图 1明州医院站降水井平面布置图观测井（余同）降压井（余同）2)三维渗流模型计算理论。通过应用渗流数值模拟技术，对水文地质渗流进行精确的计算和分析，以期为降水设计和施工提供可靠的理论支撑。在本次降水设计中，2T层承压含水层被作为最终目标，因此，我们将其与上层和下层的含水层结合在一起，构建出一个三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型4，以期获得更准确的结果。从东、西、南 3 个方向的最远边界点开始，每个方向都向外延伸了大约 500 m，总共计算出的平面尺寸为1 500 m 800 m，而且四周的边界也都被严格按照规定的水头进行处理。a 非稳定渗流的控制方程。多孔介质和流体不可压缩时非恒定达西渗流场求解定解条件:初始条件:H(x，y，z，t)t=0=H0(x，y，z，t0)。边界条件:H(x，y，z，t)1=H1(x，y，z，t0)。其中，H0(x，y，z，t)为点(x，y，z)处的初始水位，m;1为一类边界条件;H1(x，y，z，t)为点(x，y，z)在 t 时刻的边界已知水位，m。通过对渗流区域的离散化，利用向后差分法构建出一系列的数值模型，从而有效地预测出降水量对地下水位的时空变化趋势。b 基坑降水水文地质概念模型。在基坑周围进行模拟5，我们考虑了当地的水文地质条件，并将模拟区域划分为 125 行和 352 列，确保模拟区域不受降水的影响。通过对模拟区的划分，将其划分为三维非稳定的渗流系统，具有非均质的特征，并且具有各向同性。c 边界条件处理。在这次基坑降水模拟中，我们假设模型的边界是固定的，不受降水的影响。因此，我们可以把模型的边界定义为固定的水位。本次降水三维渗流模型建立假设条件:在计算降水时，我们假设2T层的水位埋深为 2 0 m;在考虑到防洪措施和群体效应的影响后，当降雨持续时间增加时，每口井的平均涌水量在 1 0 m/h 3 0 m/h 之间;止水帷幕能达到良好的隔水效果，前期勘探孔已有效封堵;参考本工程勘察资料以及宁波当地工程经验，可按表 2 选择计算参数。表 2地层渗透系数表地层水平渗透系数 Kh/(md1)垂向渗透系数 Kv/(md1)4b砂质粉土0 50 2依据上面的井数计算，在本工程基坑内外共布置降压井 40 口，详见表 3。表 3降压井及观测井布置数量统计表区域井类型数量/口孔径/mm井径/mm明州医院降压井12800300观测井16800300盾构工作降压井6800300观测井6800300合计40根据前述计算，开挖标高超过临界挖深，才需要减压降水，即本工程开挖到最后一匹土位置时才需要进行“按需降水”。基坑降水时，在 3 轴25 轴区域坑外布置2T层降水井 40 口(其中 22 口为备用兼观测井)。降水井井深根据地质变化情况。基坑开挖到底时，满足降水需求。48第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑32降水地面沉降预测采用下列经典沉降公式进行降水引起的地面沉降预测计算:b=b0mvswF。其中，b 为地层压缩量，m;b0为地层初始厚度，m;mv为体积压缩系数，MPa1;s 为水位降深，m;w为地下水重度，取 10 0 kN/m3;F 为沉降经验系数，其取值与土性及降水持续时间有关。模拟施工工况，本工程基坑最后一匹土施工时才需要减压降水，预估基坑开挖所需承压水降水时间为30 d6。通过对建立的沉降模型的分析，结合宁波的实际情况，我们可以预测出基坑周围环境的沉降情况。由于降水量和持续时间的限制，我们估计该区域的地面沉降量在 1 0 mm 6 0 mm 之间。4基坑成井施工运行41降水井结构设计及施工411承压水降压井设计参数终孔直径:800 mm。井口:为了确保安全，井口应当比地表低 0 3 m 05 m，并且应当使用黏土和水泥浆将周边环境牢固固定，最低的固定深度也应该在 0 5 m 以上。井管:采用焊接钢管，直径 300 mm，壁厚 4 mm，并在承压井施工时确保焊接质量。使用了一种新型的圆形过滤器，其直径 300 mm，并且由一个 40 目的钢丝过滤网组成。滤料:使用石英砂作为滤料，将其围绕在孔底 1 0 m的高度，直到滤水管的位置。止水:采用黏土球对滤料段进行有效的止水处理，其止水高度可达 3 0 m 5 0 m，以确保滤料段的完整性。围填:在止水段以上的区域，应使用黏土进行回填。沉淀管长度:沉淀管的直径为 0 5 m，并且在其下方进行了焊接。412降水井施工工艺成孔:为保证孔的垂直度，钻机安装要平整、水平、三点一线，严把开孔关，钻具配备上，弯曲的钻杆不得下入孔内。对降水井，上部钻进采用轻压慢转，钻压 15 kN 35 kN，转速20 rpm 50 rpm，泵量72 m3/h 108 m3/h，当钻头碰到加固体或障碍物时，钻具阻力会加大，进度缓慢，此时，不可加大压力，加快转速，以免造成钻孔偏斜。当钻 具全 部 进入 砂层后，自重 加 压，转 速 50 rpm 100 rpm，泵量 72 m3/h 108 m3/h。全孔钻进都应在减压状态下进行，钻进过程中的钻压不能形成钻具一次弯曲。钻孔护壁:降水井:由于上部主要为黏土，全孔自然造浆，泥浆比重 1 10 1 20，含砂量小于 3%，黏度20 Pas 23 Pas。孔底钻进泥浆比重 1 10 1 15，含砂量小于 8%，黏度 23 Pas 25 Pas;返回泥浆的含砂量不大于 12%。清孔:下管前采用同径钻具自上而下反复扫孔，在扫孔同时用新鲜稀泥浆逐步替换孔内泥浆，在过滤器部位反复扫孔，孔内上返泥浆内不应含泥块，且黏度小于18