南京長江江心洲超大直徑盾構(gòu)接收井明挖段超深基坑降水技術(shù)研究

李洪財

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210031)

1 工程概述

南京長江隧道工程是采用盾構(gòu)工法施工的雙向六車道城市快速通道工程，該隧道開挖直徑14.96 m，管片外直徑14.5 m，管片內(nèi)徑13.3 m。盾構(gòu)接收井工程位于南京市江心洲上，江心洲四面環(huán)繞江水，洲上沉積了連續(xù)43 m左右厚的砂層，周圍民房密集，降水工程既要保證降水效果，又要保證周圍房屋的安全，降水難度較大。

接收井開挖深度26.5 m，長26 m，寬49.4 m；明挖段長330 m，寬45 m，開挖深度斜坡狀，即0～18.5 m。接收井及明挖段采取連續(xù)墻和鉆孔灌注樁加旋噴樁止水帷幕，圍護結(jié)構(gòu)的深度接收井最深，達42.5 m，但沒有插入含水層底板，因此，圍護結(jié)構(gòu)沒能把基坑內(nèi)外的含水層隔開，基坑內(nèi)外的含水層是互通的。

2 水文地質(zhì)條件

該地段地層上部0～4 m為填土和粉質(zhì)粘土，4～47 m為粉細砂，47～51 m為礫砂，51 m以深為紅色砂巖。地下水水位埋深約1.2 m，據(jù)抽水試驗資料顯示，含水層滲透系數(shù)K取18 m/d，影響半徑在450～500 m，本次取450 m。

3 工程特點、難點及對策

3.1 工程特點及技術(shù)難點

根據(jù)工程實際現(xiàn)狀調(diào)查，本工程具有如下特點及技術(shù)難點。

(1)基坑開挖深度大且呈斜坡狀，最深達26.5 m，最淺到0，長度達330 m。

(2)含水層分布厚，層厚達47 m，含水層顆粒細，多為粉細砂，在深井抽水時很容易帶走地層中的粉細砂顆粒，將會給周邊環(huán)境帶來危害。

(3)圍護結(jié)構(gòu)沒有插入到含水層的底板，沒有把圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)外含水層隔開，因此，圍護結(jié)構(gòu)的內(nèi)外含水層形成互通。

(4)工程的基坑位于江心洲上，四面環(huán)水，地下水直接得到長江水的補給，且洲上溝塘密布，溝塘與長江水溝通，部分溝塘的深度已切穿到了含水層，故其可直接補給含水層。

(5)周圍的民房眾多，民房為2～3層的磚混結(jié)構(gòu)，房屋基礎較差，降水產(chǎn)生的不均勻沉降將會給房屋帶來很大的破壞。

圖1為南京長江隧道降水井平面布置示意圖。

圖1南京長江隧道降水井平面布置圖

3.2 對策

根據(jù)上述特點，通過反復分析研究，確定了如下對策。

(1)根據(jù)開挖深度的特性，把降水井主要集中布置在接收井周邊，只要把接收井范圍的地下水位降到位，其它各點的水位也就達到了要求的降深。

(2)根據(jù)含水層的顆粒細，施工中采取生活飲用水的標準進行施工，保證深井抽出的水含砂量<1/20萬。

(3)由于圍護結(jié)構(gòu)沒有隔斷圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)外的含水層，為便于施工，把降水井主要布置在基坑外側(cè)。

(4)通過抽水試驗，確定綜合滲透系數(shù)、抽水影響半徑，以及單井抽水量和抽水含砂量。

(5)根據(jù)勘察報告的地層資料，計算預測該地層的不均勻沉降量，確定對周邊房屋的保護處理措施。

必須通過抽水試驗驗證上述對策是否能滿足要求。

4 抽水試驗

本次抽水試驗布置水井3口，井深為40 m，孔徑800 mm，井管采用外徑500 mm、內(nèi)徑400 mm的無砂混凝土管，濾料為中粗砂,成井結(jié)構(gòu)如圖2所示。觀測井距離抽水井的距離分別為49.09和132.42 m。抽水試驗確定了水文地質(zhì)參數(shù)，獲得了單井抽水能力和檢驗了抽水含砂量，這些數(shù)據(jù)為后面的布井設計提供了有力的依據(jù)。

圖2 成井結(jié)構(gòu)圖

抽水試驗共進行了3個落程，3個落程的抽水量分別為1302.48、2580.96、3717.84 m3/d。對應主井水位降深分別為3.19、7.06、10.6 m。參見圖3、圖4。

圖3 涌水量和時間關(guān)系曲線

圖4 涌水量和降深關(guān)系曲線

利用下式計算滲透系數(shù)，結(jié)果見表1。

式中：K——滲透系數(shù)，m/d；Q——抽水量,m3/d；r1、r2——觀測井1、2到抽水井的距離,m；ξ1、ξ2——修正參數(shù)；S1、S2——觀測井1、2的水位降深,m；H——含水層厚度,m。

表1 滲透系數(shù)計算結(jié)果(用2個觀測井求參數(shù)K)

以上計算表明，滲透系數(shù)K在16～23 m/d時，選取18 m/d。

根據(jù)2個觀測井求影響半徑R。

式中：Sw——去掉水躍值后的水位降深；γw——水的重度。

計算結(jié)果見表2，表3。

表2 觀1井影響半徑計算結(jié)果

表3 觀2井影響半徑計算結(jié)果

故影響半徑為350～570 m，應在200 m以上，但作為參數(shù)參與計算的影響半徑，其對降水影響比較大的只有幾百米，選取450或500 m。

5 降水對周邊環(huán)境的影響

降水會引起周圍的地面沉降，地面沉降分破壞性的和非破壞性的，為防止降水對周圍環(huán)境產(chǎn)生破壞性的影響，首先要對因降水引起的地面沉降量進行預測，其次再對沉降量進行分析，研究是否產(chǎn)生破壞性。

5.1 模型建立

本次采用數(shù)值法對降水方案進行設計。數(shù)值法通過程序化運算可模擬不同復雜條件下的地下水流狀況，能有效解決止水帷幕、各類邊界等對地下水流動造成的影響。進行地下水數(shù)值模擬時，一般包括建立研究區(qū)域的水文地質(zhì)概念模型和相應的數(shù)學模型、模型預測等幾個步驟。其中水文地質(zhì)概念模型的建立是確定模擬模型(二維模型、準三維模型或三維模型，參見圖5)和數(shù)學模型的前提。本次在分析工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及圍護結(jié)構(gòu)設計等相關(guān)資料基礎上，擬借助Visual ModFlow軟件進行計算。

圖5 三維模型含、隔水層概化圖

因模擬范圍較小，場地離水文地質(zhì)自然邊界較遠，為了克服邊界的不確定性對計算結(jié)果造成的影響，根據(jù)相關(guān)資料，本次以場地各方向向外擴展500 m，人為設定為定水頭補給邊界，即模擬區(qū)范圍為1250 m×1050 m。根據(jù)勘察資料，潛水含水層初始水位標高取值5.5 m，承壓含水層定水頭邊界值標高取值0.1 m。

按隔水邊界處理，考慮深部地墻施工質(zhì)量難以控制，適當考慮接縫滲漏，45 m以下深度地墻按0.02 m/d的透水性考慮。

5.2 地下水流模型

根據(jù)以上建立的概念模型，在不考慮水的密度變化的前提下，可以給出相應的地下水流數(shù)學模型：

式中：Kxx、Kyy、Kzz——平行于主軸x、y和z方向的滲透系數(shù)，m/d；W——單位體積流量，用以代表流進或流出的源匯項，m3/d；h——點(x，y，z)在t時刻的水位，m；Ss——儲水率，L/m；S——貯水系數(shù)；Sy——給水度；M——承壓含水層厚度，m；B——潛水含水層厚度，m。

初始條件：

H(x,y,z,t)=H0(x,y,z,0) (x,y,z)∈Ω

邊界條件：

(1)第一類邊界條件：

H(x,y,z,t)|Γ1=H1(x,y,z,t) (x,y,z)∈Γ1

(2)第二類邊界條件：

式中：Ω——立體時間域；H0(x,y,z,0)——研究區(qū)各層初始水頭值；H1(x,y,z,t)——研究區(qū)各層第一類邊界Γ1上的已知水頭函數(shù)(Γ1)；q(x,y,z,t)——第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量(Γ2)，對于隔水邊界，q=0。

5.3 降水引起的地面沉降計算

在降水期間，降水面以下的土層通常不產(chǎn)生明顯的固結(jié)沉降，而降水面至原始地面的土層因排水條件好，會在所增加的自重應力下產(chǎn)生快速沉降。因此，可以用公式進行估算降水引起的沉降值。

對于粘性土類：

對于砂土類：

式中:S——降水所引起的沉降值；α——計算土層的壓縮系數(shù)；e0——計算土層的孔隙比；ΔP——降水產(chǎn)生的自重附加應力；ΔH——降水深度；γw——水的重度；E——降水深度范圍內(nèi)土層的壓縮模量。

以接收井附近的J2-Ⅲ05-19孔資料為依據(jù)，計算結(jié)果見表4(表中孔隙比等數(shù)據(jù)取中間值)。

表4 地層最大沉降量

由表4可以看出，當?shù)叵滤瞪钸_26 m時，其地面的最大沉降量為92.6 mm，根據(jù)表4及把⑦1層和⑧層再化分分層計算其沉降量，得到地面沉降與地下水降深之間的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖6可以看出，地面沉降量與地下水水位降深之間的趨勢線呈直線關(guān)系，平均每米地下水水位降深引起的地面沉降量為3.547 mm。

計算本工程降水最大深度在工作井，民房離開工作井的距離在50 m以上，根據(jù)計算分析，50 m以外的水位降深<20 m，從圖6看其對應的地面沉降量在60 mm左右。

圖6 地面沉降量與地下水降深關(guān)系曲線

5.4 降水對周邊環(huán)境不良影響的防范措施

為把降水引起的地面沉降量控制在周圍環(huán)境可以承受的范圍之內(nèi)，必須做好以下工作：

(1)防范抽水帶走地層中的細顆粒。在成井時濾料選用中粗砂，不宜選擇“綠豆”砂；在降水抽水時要隨時注意抽出的地下水含砂量是否達到標準，若達不到標準應采取措施。特別是發(fā)現(xiàn)抽水變混濁，應立即停泵，報廢該降水井。

(2)在50 m范圍內(nèi)特別是35 m范圍內(nèi)的建筑民房，是重點監(jiān)測對象，必要時對這些建筑采取淺層回灌防范措施。50 m以外的建筑特別是100 m以外的建筑民房注意監(jiān)測即可，一般不會引起不良問題，不需要采取處理措施。

6 降水設計

根據(jù)上述工程的特點、抽水試驗獲得的參數(shù)以及降水將對周邊環(huán)境的影響的分析，設計了降水方案：降水將圍繞工作豎井進行，只要把豎井的地下水水位降到設計高程，其他各點地下水水位均能降到設計高程。為方便施工，保證施工安全，降水井主要布置在基坑外側(cè)，基坑內(nèi)部少量布置，在降水初期協(xié)助降水、疏干地層中的地下水，適當時候停水觀測地下水水位，降水后期當作水位觀測井。

6.1 基坑涌水量

因工作井與后續(xù)段之間無止水帷幕，整體水位降深需滿足工作井降水。

經(jīng)過模型運行分析，水位降至設計要求時，本段總涌水量約6480 m3/d，共布置6口降壓井(含1口觀測兼?zhèn)溆镁?，坑外水位下降約0.6 m(參見圖7)。

本段模型計算基于止水帷幕隔水性能良好的假設前提，考慮到卵石層含水層透水性好、工作井水位降深大，為防止圍護結(jié)構(gòu)缺陷造成坑內(nèi)水位無法降至設計要求，本次安全系數(shù)按50%考慮，坑內(nèi)布置8口降壓井(3口觀測兼?zhèn)溆镁?，采用直徑325 mm的鋼管，根據(jù)原望江路試驗段降壓井抽水資料，單井出水量能達到4800 m3/d，本段降水井最大可滿足約4萬m3/d的總涌水量需求。

圖7水位下降示意圖

地下水流數(shù)學模型涉及的模型參數(shù)主要為滲透系數(shù)(Kxx、Kyy、Kzz)，其值的大小直接決定概念模型與實際水文地質(zhì)模型的擬合程度以及基坑涌水量預測的大小。根據(jù)地勘資料及附近工程基坑降水資料，模型地層參數(shù)取值見表5。

表5 各模型概化層滲透系數(shù)取值

在Visual Modflow中，降水井可以設置過濾器長度、出水量等參數(shù)，與實際工程有較好的對比性。根據(jù)原試驗段降壓井降水資料，單井最大出水能力可達4800 m3/d，本次考慮圍護結(jié)構(gòu)封閉止水影響，封閉段取單井水量約960～2400 m3/d；敞開段單井水量約2000～3600 m3/d。

6.2 水位降深預測

用潛水含水層完整井穩(wěn)定流公式檢驗最終水位降深，公式為：

式中：S——水位降深；Q——基坑涌水量；K——滲透系數(shù)；H0——自然水位；r1r2r3…rn——各井距基坑中心或各井中心處的距離；n——降水井數(shù)量。

計算結(jié)果見表6。

當涌水量達50000 m3/d時，除泵房外，基坑開挖范圍內(nèi)地下水水位都能降到設計高程，對于泵房，另外再布置2口井。

表6 特征點水位降深預測

6.3 降水管井深度

設計井深由下式確定：

Hω=Hω1+Hω2+Hω3+Hω4+Hω5+Hω6

式中：Hω——降水井深度；Hω1——基坑深度，本基坑深度26.5 m；Hω2——降水后要求水位距離基坑底的距離，本次降水要求2 m；Hω3——Hω3=ir0，i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)為1/10～1/15，r0為降水井排間距的1/2 m，井間距為2 m，Hω3取1 m；Hω4——降水期間地下水位的變化幅度，取0 m；Hω5——過濾器工作部分長度，取10 m；Hω6——沉淀管長度，設計0.5 m。

故：Hω=26.5+2+1+0+10+0.5=40 m。

7 降水施工

(1)成井質(zhì)量是降水設計方案成敗的關(guān)鍵。

本次施工選用8QZJ-160型正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆機進行鉆進成孔，成孔孔徑800 mm。

(2)采用泥漿護壁，嚴格控制泥漿密度和粘度，密度1.2～1.6 g/cm3，粘度控制在17～18 s。

成孔后，一定要認真換漿。換漿后泥漿密度<1.10 g/cm3。防止泥漿過濃影響出水，泥漿過稀則易造成塌孔事故。

(3)本次降水，從上到下全部采用無砂混凝土管作為井管，井管質(zhì)量從嚴把關(guān)，確保成井的正常使用。

(4)嚴格按照含水層顆粒分析資料選擇濾料，并滿足填礫石數(shù)量要求，保證充盈系數(shù)≥1.2。

(5)采用水泵洗井，反復進行，直到滿足洗井前后兩次涌水量差值<10%，水中含砂量<1/20萬。出現(xiàn)井內(nèi)涌砂現(xiàn)象時，應立即報廢。

(6)嚴格按照降水設計方案施工，生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)抽水效果良好，各項指標均達到規(guī)范要求。

8 結(jié)論

(1)施工過程通過觀測井測量記錄，驗證抽水試驗的參數(shù)選取比較符合實際，可以滿足施工，為降水設計奠定了基礎。

(2)基坑抽水量的預測合理，即預測基坑側(cè)向補給涌水量在41316 m3/d，基坑靜儲量按30日抽水計算每天35979 m3，合計77295 m3/d，即初期基坑涌水量8萬m3/d，后期在5 m3/d，與實際抽水量(7.5 m3/d)比較接近，少走了彎路。

(3)成井工藝是關(guān)鍵，成井工藝保證了單井出水量大，保證了抽水含砂量小，保證了地層中砂不被帶走，保證了周邊的環(huán)境安全。

(4)沉降預測比較接近實際，避免了為保護環(huán)境問題而花費不必要的費用，節(jié)省了工程造價。

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