長江漫灘地區(qū)長大隧道分區(qū)降水設(shè)計與應(yīng)用研究

耿會勇

(中鐵十五局集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000)

1 工程概況

本工程為南京梅子洲過江通道連接線-青奧軸線地下交通系統(tǒng)建設(shè)工程連接線，由主線隧道及匝道、濱江大道下穿通道及匝道、地下開發(fā)空間三個部分組成。南京梅子洲過江通道接線(青奧軸線段)起于江山大街與濱江大道的交叉口的江南工作井，往油坊橋互通方面前行，在江山大街地面以下三層位置下穿濱江大道，經(jīng)青奧軸線地下空間，下穿經(jīng)過燕山路、江東路、廬山路后出地面(YK11 +978．942)，隧道主線全長1 732 m;濱江大道下穿通道沿規(guī)劃道路南北向設(shè)置，以明挖隧道型式下穿青奧廣場，隧道全長1 258 m。隧道主線設(shè)C ～H 共6 條地下匝道連接江山大街、江東路及廬山路等城市道路，匝道全長2 896 m。青奧軸線廣場地下空間位于梅子洲過江通道連接線上方，為負(fù)一層結(jié)構(gòu)，總開發(fā)約21 000 m2。

2 工程圍護(hù)設(shè)計

根據(jù)基坑開挖深度不同，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用放坡、SMW 工法樁、鉆孔樁+三軸攪拌樁(高壓旋噴樁)止水帷幕、地下連續(xù)墻+高壓旋旋噴樁接縫止水等形式。除B2-J1 區(qū)有部分基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔斷了基坑內(nèi)外水力聯(lián)系外，其余均為“懸掛式”圍護(hù)結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)外地下水具有水力聯(lián)系。

3 地質(zhì)水文條件

本工程所在區(qū)域氣候濕潤，雨量充沛，降水時間長，長江等地表水體與地下水的水力聯(lián)系較好，在豐水期對地下水有補(bǔ)給作用;對區(qū)域地下水的形成的補(bǔ)給起重要作用。據(jù)區(qū)域資料以及本次勘察成果，根據(jù)含水層的巖性、埋藏條件和地下水賦存條件、水力特征，可分為松散巖類孔隙水和碎屑巖類孔隙水。松散巖類孔隙水又可分為孔隙潛水和孔隙承壓水。

承壓水主要分布于基巖上部松散層中，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，上細(xì)下粗，在漫灘區(qū)上覆淤泥質(zhì)土及黏性土，在長江河道區(qū)直接與江水相通。本場地承壓含水層可分為二段:上段為③層粉細(xì)砂，厚度10 ～40 m(平均32 m);下段為⑤層，以含卵礫石層中粗砂為主，卵礫石呈次圓狀，分選性差，粒徑一般1 ～10 cm，少量大于100 mm;厚度3 ～20 m。上、下段之間的局部有④層粉質(zhì)黏土夾粉砂分布，厚0 ～8 m，極不穩(wěn)定，可視為相對隔水層。該層總體厚度大，滲透性和富水性良好，單井涌水量在500 ～1000 m3/d，上部粉細(xì)砂滲透系數(shù)為6．50 ～25．0 m/d，下部含卵礫石的滲透系數(shù)為30．00 ～50．00 m/d，勘察期間水位埋深1．50 ～5．50 m，水位標(biāo)高3．50 ～6．20 m，近長江處水位隨江水位變化明顯。

4 基坑降水設(shè)計

4．1 設(shè)計思路

(1)根據(jù)基坑地質(zhì)、開挖深度、圍護(hù)情況，設(shè)置坑內(nèi)隔水帷幕，對整個長大基坑進(jìn)行分區(qū)，將整個條形基坑劃分為12 個小面積基坑進(jìn)行降水設(shè)計。

(2)針對本基坑工程量大特征，降水設(shè)計時采取分區(qū)分段設(shè)計原則，同時兼顧各分區(qū)分段之間的相互影響，針對各分區(qū)不同的特征采取不同的降水方案。

(3)充分利用基坑圍護(hù)及坑內(nèi)隔水帷幕，采取分區(qū)坑內(nèi)降水方式，減小降水井同步運(yùn)營數(shù)量及坑外水位降深，減少降水對周圍環(huán)境影響及降水成本。

4．2 基坑降水分區(qū)設(shè)置

(1)設(shè)置原則?；咏邓謪^(qū)，根據(jù)基坑圍護(hù)形式、開挖深度、地質(zhì)情況、水位降深等原則進(jìn)行分區(qū)。

(2)分區(qū)隔水帷幕類型?；臃謪^(qū)隔水帷幕設(shè)置，原則根據(jù)基坑兩側(cè)止水帷幕類型、深度、技術(shù)參數(shù)相同。所以根據(jù)基坑圍護(hù)設(shè)計，基坑設(shè)置12 道隔水帷幕，其中地連墻區(qū)域由于基坑隔水帷幕設(shè)置過深，采用自凝灰漿墻，其余隔水圍護(hù)均采用三軸攪拌樁、高壓旋噴樁。

(3)基坑降水分區(qū)設(shè)置。根據(jù)基坑圍護(hù)設(shè)計，及周圍地質(zhì)條件，為了保證基坑在水位降深條件下，減少坑外水位降深，降低基坑降水對周圍環(huán)境影響。具體基坑分區(qū)設(shè)置見表1。

表1 主線隧道基坑降水分區(qū)表

4．3 分區(qū)基坑降水設(shè)計

以一個工程分區(qū)(YK10 +525 ～+700)為例進(jìn)行基坑減壓疏干井設(shè)計計算。該區(qū)基坑開挖底板埋深為18．4 ～13．4 m，位于粉細(xì)砂承壓含水層中，水位需要降至開挖面以下1 m。上部存在一層厚約8 m 的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，本次不單設(shè)疏干井，充分利用減壓井全孔濾料的方式對其進(jìn)行疏干。圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑內(nèi)橫向止水帷幕進(jìn)入承壓含水層一定深度，對地下水流具有繞流阻水作用，降水設(shè)計時采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，降水井濾管淺于地下連續(xù)墻。

(1)布置原則。一般根據(jù)基坑面積按單井有效抽水面積A 來確定，采用多級濾水管，以確保每口井的出水量。待現(xiàn)場成井施工2 ～3 口后，做一組抽水試驗，根據(jù)試驗結(jié)果再做適當(dāng)調(diào)整，通過單井抽水試驗，單井出水量可達(dá)到1 200 m3/d。

(2)井點布置。根據(jù)以往施工經(jīng)驗和建筑與市政工程降水工程技術(shù)規(guī)范(JGJ/T111—98)以及J2 區(qū)域基坑寬度及地質(zhì)條件。計劃采用設(shè)計三排降水井樣式布設(shè)，斷面降水井間距為12．5 m?；咏邓娣e預(yù)測按照250 m2/口進(jìn)行計算。降水井采用多級濾水管，保證每口井的出水量。

(3)坑內(nèi)管井?dāng)?shù)量估算。

式中，n 為基坑內(nèi)降水管井?dāng)?shù)量(口);A 為基坑降水面積;a 為單井有效抽水面積。n =175 ×43 ÷250 =30口。

(4)降水井深度計算。根據(jù)《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》降水井深度計算

式中，HW 為降水井深度;HW1 為基坑深度;HW2 為降水水位距離坑底要求的深度，根據(jù)設(shè)計要求取1．0 m;HW3 為iγ0;i 為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10 ～1/15;γ0為降水井分布范圍的等效半徑或降水井排間距的1/2;矩形基坑的γ0= 0．29(a +b)= 103．24 m ＞1/2 井排距，顧取排距的1/2 為6．25 m;HW4 為降水期間地下水位的變幅;根據(jù)降水期間的安排，井點降水按照最不利橫跨枯水期和汛期，根據(jù)南京市水文統(tǒng)計，長江最高水位為10．22 m，較長水5．32 位上漲4．82 m，根據(jù)地質(zhì)勘查設(shè)計院做靜止長江水位漲幅與地下水位漲幅對比試驗，按照最不利條件下長江汛期，地下水漲幅為:HW4 =(10．22 -5．32)÷0．99 ×0．24 =1．19 m;HW5 為降水井過濾器工作長度，根據(jù)規(guī)范和以往降水經(jīng)驗濾水管長度取5．0 m;HW6 為沉砂管長度根據(jù)地質(zhì)條件與規(guī)范要求沉砂管長度設(shè)置為2．0 m;則降水井深度為:HW =19．6(11．6)+1 +0．416 +1．19 +5 +2 =29．2(21．2)。則減壓疏干井設(shè)計井深為自開挖地面到開挖深度以下8．6≈9 m。

(5)降水出水量計算。根據(jù)《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》、《建筑施工計算手冊》、地質(zhì)勘查單位做抽水試驗結(jié)果，根據(jù)地質(zhì)條件及基坑降水設(shè)計原則，該區(qū)域降水采用減壓疏干井進(jìn)行降水，降水井為減壓非完整井，基坑涌水量計算

式中，Q 為基坑總涌水量;k 為含水層滲透系數(shù)，根據(jù)地質(zhì)勘查降水試驗結(jié)果綜合承壓疏干井粉砂層滲透系數(shù)加權(quán)平均值為20．9 m/d;H 為含水層底板埋深，根據(jù)設(shè)計圖紙，按照含水層底板最大埋深計算為44．5 m;M 為含水層厚度，根據(jù)地質(zhì)勘查報告③層微承壓水層厚度為27 ～36 m，本工程取平均值為31．5 m;h 為降水水位至含水層底板距離，根據(jù)設(shè)計要求為降至底板下1．0 m，即水位降深為19．4 m，h = M -19．4 =44．5 -19．4 =25．1 m;γ0為基坑等效半徑，根據(jù)地質(zhì)勘查設(shè)計抽水試驗確定γ0=0．29(基坑長+寬);R 為降水影響半徑，根據(jù)地質(zhì)勘查設(shè)計規(guī)范，影響半徑R = 10S，根據(jù)圖紙，基坑最大降深為19．4 m，含水層滲水系數(shù)為20． 9 m/d。根據(jù)以上計算基坑總涌水量為:Q =28 697 m3/d。單井涌水量為:q = Q/n = 28 697 ÷30 =957 m3/d。根據(jù)設(shè)計深井泵采用50 m3/h，每天抽水量為1 200 m3/d ＞q，基坑降水布設(shè)滿足降水要求。

(6)降水井井深結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于各里程開挖深度及圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度不同，因此，降水井深29 ～24 m 不等，但均淺于地下連續(xù)墻。泥孔徑600 mm;井管為直徑273 mm、壁厚6 mm 的鋼管;濾管為外包80 目錦綸濾網(wǎng)的圓孔式鋼濾管，設(shè)置在開挖底板1 m 以下，底部設(shè)置1 m 長沉淀管;全孔填濾料。

表2 主線隧道基坑降水井運(yùn)營管理表

5 分區(qū)基坑降水運(yùn)營管理

為降低減壓降水對基坑周邊環(huán)境的影響，對于減壓井與疏干井分開的降水井，例如YK10 +760 ～YK11 +010 區(qū)降水井，在減壓降水運(yùn)行過程中應(yīng)務(wù)必做到按需降水。降水運(yùn)行時，隨開挖深度的逐漸加大，逐步降低承壓水頭，在基坑開挖至安全水位埋深前，再開啟減壓井對深層承壓水進(jìn)行降水。這樣可以在確?；娱_挖安全前提下盡量減少減壓降水引起的相鄰地面沉降。

對于減壓井和疏干井綜合在一起的井，如YK10 +525 ～+700 區(qū)降水井，降水井要提前1 周降到開挖面下1 ～2 m，有利于疏干，不要降得過深。各區(qū)域基坑水位降深、安全水位埋深、降水井開啟時間見表2。

6 應(yīng)用效果分析

本工程于2012 年9 月開始進(jìn)行降水井施工，全線基坑于2012 年10 月開始基坑開挖，截止目前全線基坑已經(jīng)全部開挖完畢，正在進(jìn)行隧道主體施工?；娱_挖期間，降水井將坑內(nèi)水位控制在基坑開挖面以下1 ～2 m，沒有出現(xiàn)任何降水不到位、基坑突涌問題。基坑承壓疏干井對上層淤泥質(zhì)黏土起到很好的疏干效果。降水井分區(qū)運(yùn)營管理，徹底做到了按需降水，基坑開挖需要降水時才開啟降水井，有效地減少了降水對周圍環(huán)境的影響，并有效地節(jié)約了施工成本。