臨海城際鐵路明挖隧道基坑降水技術(shù)

劉曉雷

中鐵十六局集團(tuán)有限公司

臨海城際鐵路明挖隧道基坑降水技術(shù)

劉曉雷

中鐵十六局集團(tuán)有限公司

隨著城市擴(kuò)大和發(fā)展，城市群將連接更緊密，與之相配套的基礎(chǔ)設(shè)施城際鐵路作用將更為突顯，主要體現(xiàn)在長三角、珠三角、京津冀等沿海發(fā)達(dá)地區(qū)。近海市區(qū)施做明挖基坑將不可避免，施工難度也不言而喻，本文以臨海明挖隧道為例，對基坑降水進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出相應(yīng)處理對策，以供類似工程參考。

城際鐵路；基坑降水；臨?；?/p>

1 前言

臨海明挖基坑具有地表水豐富、地層富水性好、透水性強(qiáng)、受潮汐影響大、地質(zhì)水文地質(zhì)條件復(fù)雜等特點(diǎn)，為保證基坑順利開挖、防基坑底部突涌、確保基坑穩(wěn)定，降水技術(shù)將非常重要。降水工程特點(diǎn)與對策決定了基坑工程的安全，基坑突涌分析、減壓降水分析、疏干井布設(shè)、沉降預(yù)測等是降水技術(shù)的關(guān)鍵。

2 工程簡介

橫琴隧道位于珠海市南灣大道東側(cè)海積平原區(qū)，明挖段基坑采用采用?800@1000mm、?1000@1200mm鉆孔灌注樁和鋼板樁，樁長12～27m，共設(shè)0～3道支撐。圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)采用?800@600旋噴樁止水帷幕。基坑開挖深度由淺入深，工作井開挖深度約16m，隧道中段一雨水泵房深約15m。

地層分布為：人工填土、淤泥、淤泥質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、中砂、中砂、粗砂、礫砂、花崗巖全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化。

隧道沿線臨海，地表水豐富，多為海水。地下水可分為第四系松散巖類孔隙水、深部基巖裂隙水。主要賦存于場區(qū)淺部人工填土及其下部砂類地層中，水量豐富，富水性好。砂土及花崗巖全風(fēng)化層透水性強(qiáng)。砂土層中地下水大部分具有承壓性?；鶐r裂隙水主要賦存于巖層風(fēng)化帶及節(jié)理裂隙中，接受上部孔隙水的補(bǔ)給，水量貧乏，水動力條件微弱。

表1 地層滲透系數(shù)表

3 降水工程特點(diǎn)分析

3.1 含水層分析

潛水以松散碎石、碎磚、瓦礫以及局部夾粉性土的粉質(zhì)粘土層為主，主要含水介質(zhì)顆粒較細(xì)，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。靜止水位埋深約為0.5m左右。

承壓含水層為砂質(zhì)粉土，局部以粉砂為主，含水量較為豐富，埋深較淺，處于基坑開挖范圍內(nèi)，開挖過程中，一旦該層水處理不當(dāng)，將引起坑內(nèi)流砂、管涌等現(xiàn)象，可能危及基坑安全。

下部含水層主要考慮全風(fēng)化層，以砂為主，含水介質(zhì)顆粒較大，層厚較大，地層滲透性良好，含水豐富。

3.2 開挖工況分析

基坑開挖由淺及深，最深工作井16m，排水周期較長，排水量較大。整個(gè)基坑開挖過程中，圍護(hù)結(jié)構(gòu)理論上將上部砂層隔斷（局部區(qū)域隔斷），承壓含水層地下水將由承壓水轉(zhuǎn)為潛水。較深區(qū)域開挖過程中，基底接近下部風(fēng)化砂層，對基坑有突涌風(fēng)險(xiǎn)，要求減壓處理，對減壓的控制應(yīng)按“按需降水”控制，降水難度大。

3.3 圍護(hù)分析

基坑圍護(hù)大部分嵌入承壓含水層下部粘土層中，形成落底式止水帷幕，理論上能將坑內(nèi)外的潛水、承壓水坑內(nèi)外水力聯(lián)系切斷，形成良好的隔水邊界。但考慮到圍護(hù)施工過程中存在可能影響其對含水層隔水效果的不確定因素，對承壓水處理仍需慎重對待。基坑開挖過程中，密切注意圍護(hù)止水效果，在坑外適當(dāng)位置考慮觀測井兼應(yīng)急備用，減少抽降該層地下水對坑外環(huán)境造成的影響。

3.4 全風(fēng)化層分析

全風(fēng)化層主要考慮基坑開挖比較深的區(qū)域，開挖面接近風(fēng)化層，存在突涌風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)格按需降水，對該層應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，確定水頭高度以及水文參數(shù)。

4 降水對策

4.1 分層降水

對于淺部開挖深度范圍內(nèi)的潛水以及逐漸由承壓～潛水的承壓水，考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)已對其有一定的隔水效果，且其與下伏的裂隙水之間存在粘土層，水力聯(lián)系不密切，對其采用管井進(jìn)行疏干處理，控制地下水水位在基坑開挖面以下1.0m，為基坑開挖作業(yè)提供良好的環(huán)境。

對下部全風(fēng)化層的裂隙水，考慮地層埋置深度較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)沒有對其進(jìn)行的隔水處理，在坑內(nèi)采用減壓井進(jìn)行“按需降水”，保證基坑安全及施工順利進(jìn)行。

4.2 水位監(jiān)測

在基坑內(nèi)適量布置含水層的水位觀測井，根據(jù)地下水位監(jiān)測結(jié)果指導(dǎo)降水運(yùn)行?；油鈧?cè)適量布置水位觀測井，監(jiān)測內(nèi)部抽水后坑外水位變化情況。

4.3 坑外應(yīng)急觀測井

鑒于基坑局部開挖深度大，坑內(nèi)大幅度、大范圍、長時(shí)期的抽降地下水，將使得圍護(hù)內(nèi)外的水頭差較大，對圍護(hù)的質(zhì)量將是極大考驗(yàn)。需在坑外適當(dāng)位置布置砂層應(yīng)急觀測井，加強(qiáng)水位觀測，判定止水結(jié)構(gòu)的效果，必要時(shí)利用回灌井人為抬升地下水水位，減緩沉降變形。

4.4 按需降水

降水運(yùn)行過程中，隨著開挖深度的加大，必須遵循“按需降水”原則，控制承壓水的水位滿足開挖時(shí)的安全要求，不得超降。減少降水對周邊環(huán)境。

4.5 施工配合

（1）在基坑外側(cè)布置集水總管或排水溝，將地下水統(tǒng)一外排至坑外市政排水管道。

（2）地下挖土作業(yè)人員視野受限，挖機(jī)容易碰觸或者挖斷坑內(nèi)降水井，必須加強(qiáng)對降水井采取切實(shí)有效的保護(hù)措施。降水井需采用強(qiáng)度較高、厚度較大的4mm壁厚管材；降水井盡量布置在支撐附近，便于固定及保護(hù)；另需設(shè)置坑內(nèi)應(yīng)急備用降水井，以策安全。

（3）后澆帶預(yù)留時(shí)間較長，深度較大，后期降水井運(yùn)行的時(shí)間會加長。后澆帶澆筑時(shí)適當(dāng)增加澆筑厚度，提高強(qiáng)度，減少坑內(nèi)降水井運(yùn)行的時(shí)間以及數(shù)量；加密后澆帶附近降水井的布井密度。

4.6 堵漏配合

圍護(hù)體止水效果決定工程降水成敗，現(xiàn)場應(yīng)有專業(yè)堵漏單位，配備足夠的材料設(shè)備及人員。同時(shí)，降水單位必須積極配合，在緊急情況下，能有效協(xié)助。

4.7 生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)

在基坑正式開挖施工之前，需進(jìn)行生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，可根據(jù)坑內(nèi)外水位變化情況，初步檢驗(yàn)止水帷幕對淺層潛水、承壓含水層，排查滲漏點(diǎn)，采取相應(yīng)補(bǔ)強(qiáng)措施。對風(fēng)化層承壓水應(yīng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)，確定出水量及水頭高度。

5 基坑底突涌分析

基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高以下存在全風(fēng)化層，開挖過程中，必須有效控制全風(fēng)化層水頭埋深，防止基坑發(fā)生突涌事故，基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件：在基坑底板至含水層頂板之間，土的自重壓力應(yīng)大于含水層頂板處的承壓水頂托力，可按下式進(jìn)行承壓水位控制：

取本工程基坑下伏基巖全風(fēng)化層初始水頭埋深為2.5m，層頂最淺埋深18.0m。

抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)詳見下表4-1：

表4-1 基坑開挖深度hs與安全水頭埋深D對應(yīng)關(guān)系表

基坑開挖深度超過臨界挖深時(shí)9.0m時(shí)，需對下部W4風(fēng)化承壓水進(jìn)行處理。

6 減壓降水分析

對全風(fēng)化含水層采取有效的減壓降水措施，才能防止產(chǎn)生基坑突涌破壞。為了有效降低和控制全風(fēng)化含水層的水頭，確?；娱_挖施工順利進(jìn)行，必須進(jìn)行專門的水文地質(zhì)滲流計(jì)算與分析。

6.1 基坑降水概念模型

本次全風(fēng)化減壓降水設(shè)計(jì)中，考慮到降水過程中，上覆含水層將與下伏含水層組之間將發(fā)生一定的水力聯(lián)系，需將上覆含水層、砂層以及下伏深層全風(fēng)化含水層組一起納入模型參與計(jì)算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。

為了克服由于邊界的不確定性給計(jì)算結(jié)果帶來隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)。通過試算，本次計(jì)算以整個(gè)基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展約300m，即實(shí)際計(jì)算平面尺寸為1000×800m2，四周均按定水頭邊界處理。

增強(qiáng)資金市場的融資能力.做大融資規(guī)模，做強(qiáng)融資團(tuán)隊(duì)是城投的重要工作.融資能力強(qiáng)，資金成本低，市場競爭力就強(qiáng).

6.2 基坑降水?dāng)?shù)值模擬

6.2.1 地下水運(yùn)動數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型:

S為儲水系數(shù)；Sy為給水度；

M為全風(fēng)化含水層單元體厚度(m)；

B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度(m)。

對整個(gè)滲流區(qū)進(jìn)行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，就可得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序，計(jì)算、預(yù)測降水引起的地下水位的時(shí)空分布。

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告、水文地質(zhì)條件、鉆孔資料，模擬區(qū)平面范圍按下述原則確定：以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外。

①含水層的結(jié)構(gòu)特征。根據(jù)研究區(qū)的幾何形狀以及實(shí)際地層結(jié)構(gòu)條件，對研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。根據(jù)研究區(qū)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)特性等信息，水平方向?qū)⑺牡刭|(zhì)概念模型剖分為242行、194列。

②模型參數(shù)特征。根據(jù)本工程的勘察資料、抽水試驗(yàn)報(bào)告及相關(guān)工程資料，對模型進(jìn)行賦值。

③水力特征。地下水滲流系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運(yùn)動符合達(dá)西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點(diǎn)，地下水運(yùn)動可概化成空間三維流；地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題；地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成水平向各向同性。

④源匯項(xiàng)處理方式：(1)減壓井處理。在《Visual Mod?flow2011》中，減壓降水井可以設(shè)置過濾器長度、出水量等參數(shù)。(2)邊界條件處理。在本次基坑降水模擬中，模型邊界在降水井影響邊界以外。故可將模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

⑤本次減壓降水三維滲流模型建立假設(shè)條件：(1)全風(fēng)化承壓含水層的初始水頭埋深2.5m；(2)降水井運(yùn)行時(shí)，考慮圍護(hù)部分隔水效果及群井效應(yīng)因素，隨著降水井運(yùn)行時(shí)間加長，單井涌水量平均5～10m3/h。

7 基坑降水設(shè)計(jì)

基坑部分區(qū)域需要對風(fēng)化層承壓水進(jìn)行降水處理，考慮到基坑內(nèi)空間有限，同時(shí)圍護(hù)結(jié)構(gòu)對風(fēng)化層的隔水效果有限，在局部深坑（雨水泵房和工作井）外側(cè)布置降水井，協(xié)同坑內(nèi)一起減壓，考慮坑內(nèi)坑外協(xié)同減壓降水。

坑內(nèi)降水井井深30m，過濾器20～29m，降水井孔徑600mm，井管及過濾器外徑273mm。

坑外降水井井深35m，過濾器25～34m，降水井孔徑600mm，井管及過濾器外徑273mm。

本基坑工作井開挖至最深16.0m時(shí)，降幅約12.07m。

經(jīng)過計(jì)算，開挖到底時(shí)，坑內(nèi)需要布置30m深的降水井7口，深坑區(qū)域坑外需要布置35m深的降水井8口，經(jīng)過計(jì)算水位可以滿足承壓水抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算的要求。

在滿足“按需降水”計(jì)算的基礎(chǔ)上，需設(shè)置坑內(nèi)降水應(yīng)急備用井，其數(shù)量約占正常運(yùn)行降水井的20%左右?？觾?nèi)減壓井的運(yùn)行依賴于實(shí)際的水位變化，水位的實(shí)時(shí)變化指導(dǎo)開挖施工過程中的降壓井運(yùn)行數(shù)量及時(shí)間等計(jì)劃，因此需布置坑內(nèi)水位觀測井。在本基坑中，應(yīng)急備用井及水位觀測井適時(shí)共用，布置2口觀測井井結(jié)構(gòu)同所在區(qū)域的降水井。

本基坑工程風(fēng)化層降水井共計(jì)17口井，坑內(nèi)30m，井?dāng)?shù)9口（含2口水位觀測井），坑外井深35m，井?dāng)?shù)8口。

圖6-1 降水井與止水帷幕三維立體圖

圖.6-2 降水運(yùn)行后預(yù)測基坑水位降深等值線圖（單位：m）

8 坑內(nèi)淺層井布設(shè)

為確保基坑順利開挖，需降低基坑開挖深度范圍內(nèi)的土體含水量。

坑內(nèi)淺層井?dāng)?shù)量按下式確定：

式中：n — 井?dāng)?shù)(口)；

A—基坑需疏干面積(m2)；

a井—單井有效疏干面積(m2)；

以粘性土、砂土為主的含水層中，單井有效疏干面積a井取250m2。

基坑區(qū)域總面積約6250m2，共布置疏干井25口，井深11.0m～22.0m。

9 坑外淺層應(yīng)急井布設(shè)

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)漏點(diǎn)而致坑外水大量補(bǔ)給坑內(nèi)，坑內(nèi)水位持續(xù)上升無法保證基坑開挖安全時(shí)，可通過坑外應(yīng)急備用井抽吸坑外水體，減少補(bǔ)給量。

坑外水位持續(xù)大幅度的下降，進(jìn)而引起坑外地面沉降變形過大時(shí)，開啟回灌井施以回灌措施，人為抬升地下水水位，保持坑外水土平衡狀態(tài)，減緩沉降變形。

兼做該區(qū)域的水位觀測井，以監(jiān)測坑內(nèi)抽水時(shí)坑外水位變化情況。

綜上，在本基坑外側(cè)，共布置水位應(yīng)急觀測井16口，井深與基坑內(nèi)淺層降水井同結(jié)構(gòu)。

10 地面沉降預(yù)測

運(yùn)用沉降計(jì)算理論與太沙基固結(jié)理論進(jìn)行分析，得到降水引起地面沉降的變化規(guī)律。

(1)沉降計(jì)算理論

若共有N層土層，總的沉降量為：

式中：ξ——為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

(2)太沙基固結(jié)理論

考慮多層土體，厚度H，含土層n層，土層i的厚度，豎向滲透系數(shù)，壓縮模量均已知，包含單面排水和雙面排水兩種情況。并從理論上說，給定初始條件和邊界條件就可以運(yùn)用數(shù)學(xué)方法即可解出定解。

減壓降水引起的地面沉降預(yù)測

由于基坑開挖比較深，降水運(yùn)行周期相對較長，暫時(shí)預(yù)估降水持續(xù)時(shí)間為60天。

根據(jù)建立的沉降預(yù)測模型，本基坑工程降水運(yùn)行完成后，降水引起的坑外環(huán)境地面累積沉降等值線圖見下圖，基坑外沉降約15mm左右。

圖9-1 開挖降水引起的累積地面沉降預(yù)測分布圖

11 結(jié)語

隨著社會發(fā)展，臨海建筑基坑將越來越多，通過對降水工程特點(diǎn)分析和降水對策設(shè)計(jì)，基坑安全穩(wěn)定性得以保證，周邊沉降得以控制，為臨海復(fù)雜不良水文地質(zhì)條件下的基坑施工提供了有力保障，通過施工驗(yàn)證，設(shè)計(jì)合理，沉降預(yù)測準(zhǔn)確?？蔀轭愃乒こ烫峁┮欢ǖ慕梃b。

[1]姚天強(qiáng),石振華.基坑降水手冊.

[2]DBT29-229-2014.建筑基坑降水工程技術(shù)規(guī)程.

[3]建筑施工中基坑降水技術(shù)的應(yīng)用簡析[J].工程技術(shù),2016(11):177.

劉曉雷，男（1984年7-），山東菏澤，本科，中級工程師，研究方向：基坑降水。