卵石層高承壓水深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選分析

茅奇輝，陳琦慧

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310013)

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卵石層高承壓水深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)比選分析

茅奇輝，陳琦慧

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310013)

摘要：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的結(jié)果和相關(guān)結(jié)論，通過(guò)對(duì)卵石層高承壓水深基坑的水文地質(zhì)計(jì)算及風(fēng)險(xiǎn)分析，經(jīng)安全、風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)、工期等因素的綜合比選，認(rèn)為全降水設(shè)計(jì)方案可靠性差、安全隱患多，方案實(shí)施不可行；通過(guò)比選采用TRD工法即等厚度水泥土地下連續(xù)墻作為止水帷幕以有效阻隔內(nèi)外承壓含水層的水力聯(lián)系，同時(shí)內(nèi)插型鋼作為擋土結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效擋土，從而控制設(shè)計(jì)與施工風(fēng)險(xiǎn)，確?；邮┕ぐ踩?。本研究可供同類型深基坑的圍護(hù)設(shè)計(jì)之借鑒。

關(guān)鍵詞：承壓水；深基坑；圍護(hù)結(jié)構(gòu)；比選

1工程概況

德清縣人民醫(yī)院新建大樓工程位于德清縣武康鎮(zhèn)貴和街南側(cè)、興康北路東側(cè)、英溪南路西側(cè)，體育場(chǎng)路北側(cè)。本工程由1幢16層住院樓及3層裙房、1幢5層綜合樓及1幢2層輔助用房和1幢2層輔助用房和1幢3層高壓氧艙組成，基礎(chǔ)形式為鉆孔灌注樁。設(shè)整體2層地下室?；用娣e約17 835 m2，周邊延長(zhǎng)約573 m。本工程±0.00 m相對(duì)于絕對(duì)標(biāo)高+5.70 m，基坑北側(cè)地坪相對(duì)標(biāo)高為-0.30 m，基坑南側(cè)地坪相對(duì)標(biāo)高為-1.10 m，基礎(chǔ)底板面相對(duì)標(biāo)高為-9.40 m，承臺(tái)厚1 300 mm，基底墊層厚100 mm，基坑開(kāi)挖深度9.70～10.50 m，局部電梯井開(kāi)挖深度約11.70 m?；悠矫鎴D見(jiàn)圖1。

2周邊環(huán)境條件

1)基坑北側(cè)為醫(yī)院門診樓(4F)、醫(yī)技樓(3F)和住院樓(17F)，距離本工程地下室外墻分別為7 m、11 m和2 m，其中住院樓西北角與本工程地下室區(qū)域緊貼。北側(cè)醫(yī)院已建樓房均為一層地下室，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

2)基坑?xùn)|側(cè)為小區(qū)道路及多層建筑(3～6F)，多層建筑距離本工程地下室外墻為15～18 m。基坑邊距紅線約12 m。

3)基坑南側(cè)為體育場(chǎng)路，基坑邊線距紅線3～4 m，距道路邊約9 m。道路下主要埋有污水管和雨水管。

4)基坑西側(cè)為學(xué)校操場(chǎng)及校內(nèi)瀝青道路?；舆吘嗉t線約8 m，距道路邊約11 m。

3工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

3.1工程地質(zhì)條件

根據(jù)巖土工程勘察，場(chǎng)地整體地勢(shì)平坦，局部略有起伏。場(chǎng)地地貌單元屬浙北杭嘉湖沖湖積平原地貌。基坑深度及影響范圍內(nèi)土層分布見(jiàn)表1。

根據(jù)基坑實(shí)際開(kāi)挖深度以及地層剖面(圖2)，基坑開(kāi)挖面基本位于⑥3層卵石層中。

圖1　基坑平面圖

表1　地基土分布情況及圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

圖2　基坑開(kāi)挖剖面示意圖

3.2水文地質(zhì)條件

本場(chǎng)地地下水主要為孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水?？紫稘撍饕x存于①01層雜填土、①1粉質(zhì)黏土和②1中砂中，潛水地下水位埋深0.25～1.80 m(相應(yīng)的1985國(guó)家高程2.75～4.15 m)。承壓水主要賦存于⑥3卵石層中，水量豐富，透水性強(qiáng)，承壓水頭埋深2.28～2.75 m(相應(yīng)的1985國(guó)家高程為2.39～2.63 m)。基巖裂隙水主要賦存于巖石風(fēng)化裂隙中，水量較小，受上部承壓水的豎向入滲補(bǔ)給和風(fēng)化層側(cè)向徑流補(bǔ)給，徑流緩慢。

根據(jù)基坑實(shí)際開(kāi)挖深度，基坑開(kāi)挖直接揭露⑥3卵石層承壓含水層，必須采用相應(yīng)的止水和降水措施[1-2]。為此，針對(duì)⑥3卵石層承壓含水層進(jìn)行了專項(xiàng)的抽水試驗(yàn)[3]。

抽水試驗(yàn)進(jìn)行了兩組。一組為單孔抽水試驗(yàn)采用非完整井穩(wěn)定流，進(jìn)行3次降深。另一組為多孔抽水試驗(yàn)設(shè)兩個(gè)觀測(cè)孔，采用非完整井穩(wěn)定流，進(jìn)行3次降深。相關(guān)計(jì)算參數(shù)如下。

3.2.1單孔抽水試驗(yàn)計(jì)算[4]

單孔抽水試驗(yàn)采用承壓水非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)k和影響半徑R的計(jì)算公式如下式所示：

(1)

式(1)中：k為滲透系數(shù)，m/d；

Q為涌水量，m3/d；

l為過(guò)濾器長(zhǎng)度，m；

S為水位降深，m；a為計(jì)算系數(shù)，按吉林斯基公式計(jì)算取1.6；

r為抽水孔半徑，m。

影響半徑R如下式所示：

(2)

式(2)中：R為影響半徑，m；

S為水位降深，m；

k為滲透系數(shù)，m/d。

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表2。

表2　單孔抽水試驗(yàn)不同降深下承壓水層滲透系數(shù)和影響半徑

3.2.2多孔抽水試驗(yàn)計(jì)算[4]

多孔抽水試驗(yàn)采用帶觀測(cè)孔(2個(gè)觀測(cè)孔)承壓水非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，滲透系數(shù)k和影響半徑R的計(jì)算公式見(jiàn)式(3)：

(3)

式(3)中：k為滲透系數(shù)，m/d；

Q為涌水量，m3/d；

l為過(guò)濾器長(zhǎng)度，m；

S1為第一個(gè)觀測(cè)孔的水位降深，m；

S2為第二個(gè)觀測(cè)孔的水位降深，m；

r1為第一個(gè)觀測(cè)孔至主孔的距離，m；

r2為第二個(gè)觀測(cè)孔至主孔的距離，m。

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表3。

表3　多孔抽水試驗(yàn)不同降深下承壓水層滲透系數(shù)和影響半徑

綜上所述，根據(jù)單孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，⑥3層卵石層的滲透系數(shù)為0.032～0.033cm/s；根據(jù)多孔抽水試驗(yàn)結(jié)果，⑥3層卵石層的滲透系數(shù)為0.027～0.030cm/s；平均滲透系數(shù)為0.031cm/s，即26.78m/d。

4基坑工程特點(diǎn)

綜合分析基坑形狀、面積、開(kāi)挖深度、地質(zhì)條件及周圍環(huán)境，基坑工程特點(diǎn)如下：

1)場(chǎng)地土質(zhì)情況復(fù)雜，淺層有土質(zhì)較差的雜填土和淤泥質(zhì)土層，其下為深厚的卵石層，雖其土質(zhì)較好，但屬承壓含水層，水量豐富，透水性強(qiáng)?；娱_(kāi)挖直接揭露該層，基坑開(kāi)挖不僅要控制好位移及穩(wěn)定性，對(duì)基坑防滲止水、降水措施也提出了較高要求，并充分考慮降水帶來(lái)的周邊設(shè)施和建筑物的沉降問(wèn)題。

2)基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，特別是基坑?xùn)|側(cè)有建造時(shí)間較早的民居距離基坑較近，北側(cè)的醫(yī)院樓房還需要正常使用，因此基坑開(kāi)挖須確保周邊環(huán)境安全。

3)基坑開(kāi)挖深度較深，面積較大，施工時(shí)間較長(zhǎng)，因此對(duì)基坑變形和穩(wěn)定性須有充分估計(jì)。

4)基坑西北角有局部地下一層與已建住院樓連接，施工空間非常有限，須考慮好該范圍施工順序。

5圍護(hù)方案比選分析

5.1基坑涌水量估算

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ120—2012)》附錄E.0.5，群井按大井簡(jiǎn)化時(shí)，基坑降水總涌水量可按下式計(jì)算：

(4)

式(4)中：Q為基坑總涌水量，m3/d；k為滲透系數(shù)，取0.033 cm/s，即28.51 m/d；H0為承壓水含水層的初始水頭，取20.5 m；

M為承壓含水層厚度，取15 m；

h為降水后，坑底水位至承壓含水層底板的距離；假定降水后坑內(nèi)水位距離坑底0.5 m，故h取13.5 m；

計(jì)算可得基坑總涌水量Q=9 018.5m3/d。由于本基坑地處城鎮(zhèn)中心地帶，周邊環(huán)境條件十分復(fù)雜，若基坑開(kāi)挖采用全降水方案，有以下幾點(diǎn)不利條件：

圖3　基坑涌水量計(jì)算簡(jiǎn)圖

1)坑內(nèi)外承壓水位高差大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)漏風(fēng)險(xiǎn)較大；

2)停電后回水速度極快，坑內(nèi)涌水風(fēng)險(xiǎn)極大；

3)周邊建筑及管線密布，沉降難以控制，破壞后果嚴(yán)重。

因此，不宜采用全降水方案，須采用止水結(jié)合降排水方式控制本場(chǎng)地地下水。

5.2圍護(hù)方案比選確定

根據(jù)周邊環(huán)境條件、地質(zhì)條件和水文條件，本基坑圍護(hù)方法可采用：地下連續(xù)墻結(jié)合水平內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式，鉆孔咬合樁結(jié)合水平內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式，TRD工法等厚度水泥土墻內(nèi)插型鋼結(jié)合水平內(nèi)支撐的結(jié)構(gòu)形式[5-6]。以上三種圍護(hù)方案的比選見(jiàn)表4。

表4　圍護(hù)方案比選分析表

根據(jù)“安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、方便施工”的原則，經(jīng)過(guò)綜合分析比較，確定采用TRD工法等厚度水泥土墻作為止水帷幕，其內(nèi)插型鋼作為擋土結(jié)構(gòu)。止水帷幕底進(jìn)入⑩3層中等風(fēng)化泥巖一定深度，以確保隔斷卵石層基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。

5.3TRD工法特點(diǎn)

TRD工法也叫等厚度水泥土地下連續(xù)墻工法，是能在各類土層、砂礫石層、巖層中連續(xù)成墻的成套設(shè)備和施工方法。其基本原理是利用鏈鋸式刀具箱豎直插入地層中，然后作水平橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)由鏈條帶動(dòng)刀具作上下的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，攪拌混合原土并灌入水泥漿，形成一定厚度的墻。其主要特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、表面平整、厚度一致、成墻連續(xù)、墻體均勻性好。

1)穩(wěn)定性高。TRD工法與傳統(tǒng)工法比較，機(jī)械的高度和施工深度沒(méi)有關(guān)聯(lián)，穩(wěn)定性高、通過(guò)性好。不會(huì)發(fā)生傾倒和側(cè)翻事故。

2)適應(yīng)性強(qiáng)。與傳統(tǒng)工法比較，適應(yīng)地層范圍更廣?？稍陴ね?、粉土、砂土、礫石、卵石等一般土層及硬質(zhì)巖層中施工。

3)成墻質(zhì)量好。與傳統(tǒng)工法比較，攪拌更均勻，連續(xù)性施工,不存在咬合不良,可確保墻體高連續(xù)性和高止水性。還可在任意間隔插入H型鋼等芯材，可節(jié)省施工材料，提高施工效率。

4)成墻品質(zhì)均一。連續(xù)性刀鋸向垂直方向一次性的挖掘,混合攪拌及橫向推進(jìn),在復(fù)雜地層也可以保證均一質(zhì)量的地下連續(xù)墻。

6結(jié)語(yǔ)

1)本基坑開(kāi)挖深度大，坑底位于⑥3層卵石層中。⑥3層卵石層為承壓含水層，承壓水頭埋深2.28～2.75 m(相應(yīng)的1985國(guó)家高程為2.39～2.63 m)，滲透系數(shù)0.027～0.033 cm/s，屬?gòu)?qiáng)透水性土層，且水量豐富，估算基坑涌水量為9 018.5 m3/d。

2)若基坑開(kāi)挖采用全降水方案，則坑內(nèi)外承壓水位高差大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生側(cè)漏風(fēng)險(xiǎn)較大；停電后回水速度極快，坑內(nèi)涌水風(fēng)險(xiǎn)極大；周邊環(huán)境條件復(fù)雜，沉降難以控制，破壞后果嚴(yán)重。因此，不宜采用全降水方案，須采用止水結(jié)合降排水方式控制本場(chǎng)地地下水。

3)經(jīng)過(guò)綜合分析比較，確定采用TRD工法等厚度水泥土墻作為止水帷幕，其內(nèi)插型鋼作為擋土結(jié)構(gòu)。止水帷幕底進(jìn)入⑩3層中等風(fēng)化泥巖一定深度，以確保隔斷卵石層基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。

4)TRD工法其主要特點(diǎn)是穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、表面平整、厚度一致、成墻連續(xù)、墻體均勻性好，可為同類型基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)提供借鑒和參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]李培妍,宋福貴,宮全美,等.高承壓水條件下地鐵深基坑減壓降水研究[J].華東交通大學(xué)學(xué)報(bào),2012,29(4):40-45.

[2]元翔,宮全美,石景山,等.卵礫石地層深基坑高承壓水降壓方案分析[J].土木建筑與環(huán)境工程,2011,33:185-190.

[3]金志新.杭州某深基坑圓礫層承壓水抽水試驗(yàn)分析[J].城市道橋與防洪,2013,10(10):181-184.

[4]林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測(cè)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005.

[5]章仁財(cái),李福清,胡向東.卵礫石層內(nèi)超深基坑隔滲帷幕結(jié)構(gòu)比選及風(fēng)險(xiǎn)分析[C]//第三屆上海國(guó)際隧道工程研討會(huì)論文集.北京：中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)，2008:125-131.

[6]戴斌,王衛(wèi)東.受承壓水影響深基坑工程的若干技術(shù)措施探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(增刊1):1659-1663.

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：茅奇輝(1981—)，男，浙江慈溪人，工程師，從事巖土工程勘察設(shè)計(jì)工作。

中圖分類號(hào)：TU473.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1008-3707(2016)03-0027-04

Comparison and Selection Analysis on the Retaining Structure of theHigh Bearing Deep Foundation Pit in the Pebble Bed

MAO Qihui, CHEN Qihui