蘇州地區(qū)基坑微承壓水特征及其工程控制技術(shù)研究*

王占生 李 偉 朱 寧 王道鋼 童立元

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司,215004,蘇州; 2.東南大學(xué)巖土工程研究所,210096,南京;3.江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室,210096,南京//第一作者,教授級高級工程師)

蘇州地區(qū)基坑微承壓水特征及其工程控制技術(shù)研究*

王占生1李 偉2,3朱 寧1王道鋼1童立元2,3

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司,215004,蘇州; 2.東南大學(xué)巖土工程研究所,210096,南京;3.江蘇省城市地下工程與環(huán)境安全重點實驗室,210096,南京//第一作者,教授級高級工程師)

蘇州地鐵4號線附屬結(jié)構(gòu)及出入口基坑開挖深度為10 m左右。基坑底一般坐落于微承壓含水層中,由于開挖深度較淺,第一承壓含水層對基坑無突涌威脅。對基坑開挖有直接影響的主要為潛水和微承壓含水層。通過蘇州地鐵深基坑工程實踐,分析總結(jié)歸納了蘇州地區(qū)微承壓水的特征,并采用有限元方法預(yù)測分析了降微承壓水對周邊環(huán)境的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)提出了蘇州地區(qū)基坑地下微承壓水層對環(huán)境影響的控制技術(shù)。

蘇州地鐵; 基坑; 微承壓水; 控制技術(shù)

隨著地鐵基坑越來越深，越來越大，承壓水及微承壓水對基坑工程的影響成為控制地鐵深基坑安全的重要問題。由于基坑降水會引起周圍一定范圍內(nèi)的地表沉降,嚴重時還會造成鄰近建筑物/構(gòu)筑物的破壞，因此，如何有效地控制降水對周邊環(huán)境影響已成為研究的熱點[1-8]。

蘇州地鐵4號線的附屬結(jié)構(gòu)及出入口基坑開挖深度多為10 m左右,其坑底位于微承壓含水層中。由于開挖深度較淺,無坑底第一承壓含水層的突涌威脅。對基坑開挖有直接影響的含水層主要為潛水含水層和微承壓含水層。不考慮后果地將降水目的含水層全部隔斷,往往是盲目而不準確的,同時還可能造成經(jīng)濟上的浪費。

本文以蘇州地鐵4號線某車站出入口基坑降水為例,對止水帷幕插入微承壓含水層的相對深度不同(止水帷幕進入微承壓含水層深度為其厚度的0%、30%、50%、70%和100%)時，降水對周圍環(huán)境的影響進行預(yù)測分析,以便為類似情況的工程提供一定的參考。

1 蘇州地區(qū)微承壓水特征

蘇州地鐵建設(shè)沿線的微承壓含水層有不同的地層分布。蘇州地鐵1、2號線的微承壓含水層主要以④1粉土、④2粉砂為主。蘇州地鐵4號線的微承壓含水層主要以③3粉土、④2粉砂夾粉土和④3粉砂夾粉質(zhì)黏土為主。其中，④2粉砂層為良好的賦水和透水地層,且處于車站主體基坑開挖范圍內(nèi),對地鐵基坑開挖施工有直接影響。微承壓含水層隔水頂板主要為③黏性土層,隔水底板主要為⑤1粉質(zhì)黏土層。微承壓含水層層頂埋深一般為6.0～12.0 m,厚度通常為6.0～15.0 m,且含水量較大。微承壓水具微承壓性,其滲透系數(shù)通常為1.5×10-3～5.0×10-3cm/s,屬中等透水性土層。

部分區(qū)域⑤層隔水層缺失(如蘇州地鐵4號線寶帶東路站)。此時，微承壓含水層(③3粉土、④2粉砂夾粉土、④3粉砂夾粉質(zhì)黏土)與深層第一承壓含水層(⑤2粉土夾粉砂)構(gòu)成厚度較大的承壓水含水層組。

2 不同帷幕深度設(shè)計下降微承壓水對環(huán)境影響分析

2.1 工程概況及場地地質(zhì)條件

2.1.1 工程概況

蘇州地鐵4號線寶帶東路站為地下雙層島式平行換乘車站,周邊主要為魚塘、農(nóng)田、河道等。車站基坑平面示意圖如圖1所示。該車站基坑沿縱向被地下連續(xù)墻隔斷分為3個獨立分區(qū)?；硬捎梅謪^(qū)開挖的方式。其中，出入口基坑開挖深度為9.75 m，地下連續(xù)墻深度為16 m。該站7號出入口基坑開挖面積約為500 m2,開挖深度約為10 m。7號出入口基坑設(shè)置了3口井深為15 m的疏干井。根據(jù)蘇州地區(qū)降水施工經(jīng)驗,單井有效降水面積取200 m2,降水井進入到基坑底3～6 m。

圖1 車站基坑平面示意圖(部分)

2.1.2 工程地質(zhì)條件

場地地表以下70.30 m深度范圍內(nèi)的土層均為第四紀松散沉積物。按其成因類型、巖性和工程性能,土層可劃分 7個工程地質(zhì)層(見表1)。其地質(zhì)剖面圖見圖2。

2.1.3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)埋藏條件,地下水可分為潛水和微承壓含水層。潛水含水層主要分布在填土及淺層黏土層中,主要接受大氣降水入滲補給,其水位隨季節(jié)變化。據(jù)區(qū)域水文資料,蘇州市潛水位標高為0.21～2.63 m,勘察期間實測潛水穩(wěn)定水位約為1.23～1.41 m。本工程中對基坑可能造成影響的地下水類型僅為潛水含水層和微承壓含水層。其中，微承壓水水頭標高為1 m左右,其層頂埋深為8～10 m,厚度為5～7 m。

經(jīng)工程實際監(jiān)測，完全隔斷微承壓含水層時,基坑外地表最大沉降量為8 mm,最大降水深度為1.6 m。

表1 場地工程地質(zhì)條件

圖2 寶帶東路站地質(zhì)剖面圖

2.2 數(shù)值分析模型

根據(jù)場地地質(zhì)條件,結(jié)合基坑降水實際影響范圍觀測資料,為車站出入口基坑降水方案建立1∶1有限元計算模型(如圖3所示)。計算模型尺寸為800 m×700 m×60 m,以便消除計算過程中地下水邊界效應(yīng)產(chǎn)生的影響。計算單元采用3D實體單元,8節(jié)點自由度。場地地層參數(shù)按表1取值。止水帷幕采用已完工的地下連續(xù)墻。在計算模型中,地下連續(xù)墻墻體采用C30鋼筋混凝土,滲透系數(shù)為1×10-9cm/s。四周邊界條件設(shè)置為定水頭邊界,初始總水頭取0 m，降水井位置設(shè)置低水頭邊界(按照降水深度取值)。

圖3 車站出入口基坑降水三維數(shù)值分析模型

2.3 降水對周邊環(huán)境影響分析

在有限元計算模型的基礎(chǔ)上,對地下連續(xù)墻插入微承壓含水層深度不同時降水對周邊環(huán)境的影響進行預(yù)測分析。計算采用控制變量的方法,即在其余條件均相同的情況下,設(shè)置不同的地下連續(xù)墻進入微承壓含水層的相對深度(按地下連續(xù)墻插入承壓含水層深度為含水層厚度的0%、30%、50%、60%、70%、80%及100%計),以模擬地下連續(xù)墻插入深度不同時降水對周圍環(huán)境的影響大小及范圍,并對各種不同情況下計算結(jié)果進行對比分析。計算結(jié)果如圖4、圖5及表2所示。

圖4 地下連續(xù)墻插入深度不同時基坑外地表沉降

從計算結(jié)果可以看出，如不設(shè)止水帷幕,直接進行降水以疏干微承壓含水層④2粉砂夾粉土層,則基坑外最大沉降值約為3.8 cm,距基坑150 m處的地表沉降約為6.5 mm,降水引起地表沉降的影響范圍約為150 m；在無止水帷幕的情況下，附屬結(jié)構(gòu)基坑降水對周圍環(huán)境的影響比主體結(jié)構(gòu)基坑降水較小。

圖5 地下連續(xù)墻進入微承壓含水層相對深度不同時基坑外地表沉降

表2 地下連續(xù)墻進入微承壓層相對深度不同時對坑外地表沉降及其相應(yīng)影響范圍

地下連續(xù)墻進入微承壓含水層的相對深度對控制基坑周邊地表沉降起著重要作用。具體影響如下：

(1) 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻插入微承壓含水層相對深度小于30%時,由于未能有效隔斷基坑內(nèi)外微承壓含水層之間水力聯(lián)系,地下連續(xù)墻隔滲效應(yīng)基本可以忽略。此時，基坑降水對周圍環(huán)境的影響較大。隨著地下連續(xù)墻插入深度的增加，基坑外地表沉降變化趨勢變得平緩。基坑外最大地表沉降值約為3.8 cm,影響范圍半徑約為150 m。

(2) 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻插入微承壓含水層的相對深度達到50%以上時,地下連續(xù)墻對于基坑內(nèi)外的微承壓水滲流具有明顯的阻隔效應(yīng),基坑外地表沉降隨地下連續(xù)墻插入深度的增加迅速減??；且當(dāng)相對深度超過70%時,其變化趨勢更加明顯，基坑外地表沉降值減小到1.4 cm,影響范圍半徑約為30 m。

(3) 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻插入微承壓含水層的相對深度大于70%時，地表沉降值以較大的速率線性減小,基坑降水對周圍環(huán)境的影響進一步減小。

(4) 當(dāng)?shù)叵逻B續(xù)墻完全隔斷微承壓含水層時,基坑外最大地表沉降值僅為5.0 mm。此時基坑降水對周邊環(huán)境已基本無影響。

3 微承壓水控制方案

由于案例車站出入口基坑開挖深度范圍內(nèi)僅為潛水和微承壓含水層,且不受坑底第一承壓含水層的突涌威脅,故此類基坑降水的重點和難點是對微承壓含水層的處理。結(jié)合蘇州地區(qū)微承壓含水層特征及上述計算分析結(jié)果,此類基坑微承壓含水層處理應(yīng)注意以下幾點：

(1) 對于基坑深度不小于15 m且面積大于2 000 m2的大型基坑,其隔水帷幕插入微承壓含水層的相對深度不小于70%。對于深度不大于9 m并且面積不大于500 m2的小型基坑,其隔水帷幕插入微承壓含水層的相對深度建議不小于50%;同時，還應(yīng)設(shè)置管井降水和回灌井,并加強對坑外水位和地表沉降以及建筑物變形等監(jiān)測。

(2) 主體基坑中的微承壓含水層,一般應(yīng)完全隔斷。當(dāng)因微承壓含水層厚度較大、埋深較大或技術(shù)經(jīng)濟原因等不能完全隔斷時,其隔水帷幕插入微承壓含水層的相對深度也應(yīng)不小于70%。對于車站出入口、停車線等附屬結(jié)構(gòu)基坑，且基坑深度小于6 m時,隔水帷幕插入微承壓含水層的相對深度應(yīng)達50%以上。

(3) 坑內(nèi)降水方案。當(dāng)隔水帷幕插入微承壓含水層的相對深度達50%時,隔水帷幕對基坑內(nèi)外承壓水滲流具有明顯的阻隔效益。當(dāng)隔水帷幕進入微承壓含水層底板以下的弱透水層時,隔水帷幕已完全阻斷了基坑內(nèi)外承壓含水層之間的水力聯(lián)系。此時，可采用基坑內(nèi)減壓降水方案。

(4) 坑外降水方案。當(dāng)隔水帷幕插入微承壓含水層頂板以下3～6 m，或者插入深度小于微承壓含水層厚度的20%～30%時,由于降水帷幕未在降水目的承壓含水層中形成有效的隔水邊界,故可采用基坑外降水方案,并密切監(jiān)測基坑周邊環(huán)境變化。

4 結(jié)語

本文以蘇州地鐵4號線車站為例,總結(jié)分析了蘇州地區(qū)微承壓水層的特征,并以實際車站出入口基坑降水工程為例,采用有限元的方法,總結(jié)了止水帷幕插入微承壓含水層不同深度時降水對坑外地表沉降的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)之上,進一步總結(jié)了蘇州地區(qū)基坑工程中微承壓水控制技術(shù),可供蘇州地區(qū)以后類似工程項目建設(shè)參考。

[1] 張惠忠,劉明建.上海軟土中的“微承壓水”與基坑工程[J].巖土工程學(xué)報,2005,27(8):944-947.

[2] 陶蕓.蘇錫常地區(qū)微承壓水開采地面沉降效應(yīng)研究[J].南京師范大學(xué)學(xué)報(工程技術(shù)版),2012,12(2):80-86.

[3] 吳林高.工程降水設(shè)計施工與基坑滲流理論[M].北京:人民交通出版社,2003.

[4] 吳林高,李國,方兆昌,等.基坑工程降水案例[M].北京:人民交通出版社,2009.

[5] 鄭剛,曾超峰,薛秀麗.承壓含水層局部降壓引起土體沉降機制及參數(shù)分析[J].巖土工程學(xué)報,2014,36(5):802-817.

[6] 孫文娟,沈水龍,李耀良,等.基坑開挖前降水引起的地面沉降的工程案例分析[J].巖土工程學(xué)報,2008,30(增1):314-318.

[7] 王建秀,郭太平,吳林高,等.深基坑降水中墻-井作用機理及工程應(yīng)用[J].地下空間與工程學(xué)報,2010,6(3):564-570.

[8] WANG J X,HU L S,WU L G,et al.Hydraulic barrier function of the underground continuous concrete wall in the pit of Metro station and its optimization[J].Environmental Geology.2009,57:447-453.

Features of Feeble Confined Water and Controlling Technologies in Suzhou Area

WANG Zhansheng,LI Wei,ZHU Ning,WANG Daogang,TONG Liyuan

The excavation depth of the subsidiary structure and entrance is about 10 m on Suzhou metro Line 4, the bottom of the foundation pit is generally located in the feeble confined water layer. Due to the shallow depth of excavation, the first confined aquifer suffers no sudden surge threat to the pit, and the impact on excavation is mainly coming from the unconfined aquifer and feeble confined aquifer. Based on the practice of Suzhou metro excavation, the features of the feeble confined water in Suzhou area are systematically analysed, the finite element method is used to prodict and analyze the environmental impact caused by dewatering the feeble confined water. On this basis, countermeasures to control the influences of dewatering groundwater (feeble confined water)in Suzhou area are summarized.

Suzhou metro; foundation pit; feeble confined water; control technology

Suzhou Rail Transit Co.,Ltd.,215004,Suzhou,China

*國家自然科學(xué)基金項目面上項目(6521000121);蘇州軌道交通集團有限公司科學(xué)基金資助項目(SZGDKY201303)

TU 46+3

10.16037/j.1007-869x.2017.03.029

2015-06-06)