朝陽站富水砂卵石層施工動(dòng)態(tài)降水控制技術(shù)研究

婁平，趙星, 2，湯卓，倪志國，唐治，陳杰欣，李卓，徐慶元

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朝陽站富水砂卵石層施工動(dòng)態(tài)降水控制技術(shù)研究

婁平1，趙星1, 2，湯卓3，倪志國3，唐治3，陳杰欣3，李卓3，徐慶元1

(1. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2. 中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430063；3. 中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004)

以長沙地鐵5號線朝陽站為工程背景，對車站工程地質(zhì)和水文條件，采用理論分析、數(shù)值模擬等方法對富水砂卵地層條件下基坑動(dòng)態(tài)降水控制技術(shù)進(jìn)行研究。通過確定降水方法，明確降水過程中地下水位動(dòng)態(tài)水文變化過程排水量的計(jì)算公式；得到3個(gè)降水階段基坑降水進(jìn)入穩(wěn)定的時(shí)間、地表沉降達(dá)到穩(wěn)定需要的時(shí)間以及最后的沉降值。

富水砂卵地層；基坑降水；數(shù)值模擬；動(dòng)態(tài)控制

隨著中國城鎮(zhèn)化建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，城市人口的不斷增加，人口密度逐漸增大，現(xiàn)有的地面交通體系已經(jīng)不足以滿足人們的出行要求，地鐵憑借舒適、快速、便捷、環(huán)保、安全、運(yùn)量大和運(yùn)輸效率高等特性，成為城市交通追求的重點(diǎn)目標(biāo)。地鐵施工過程中，富水砂卵地層在我國大多數(shù)城市不可避免會遇到，該地層易液化、無黏聚力以及壓縮性小等特點(diǎn)，是工程界的一大技術(shù)難題[1]。富水砂層進(jìn)行暗挖施工時(shí)，砂性土穩(wěn)定性差、大斷面洞室開挖自穩(wěn)能力差，暗挖段開挖后，水會迅速從工作面滲出，巖層軟化，容易發(fā)生涌砂，塌方以及涌水等工程災(zāi)害，造成塌陷破壞路面并導(dǎo)致行車事故[2?3]；明挖施工時(shí)，施工過程中滲漏水會帶走土中的粉細(xì)顆粒，導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重引起涌水以及涌砂，進(jìn)而地面沉降過大，危及附近建筑物和地下管線安 全[4?5]。我國在富水砂卵地層建設(shè)地鐵時(shí)間較短，施工技術(shù)和工程經(jīng)驗(yàn)都比較欠缺。降水措施不當(dāng)是導(dǎo)致富水砂卵地層發(fā)生事故的主要原因之一[6?7]，如對北京地鐵10號線22標(biāo)的基坑的富水砂卵地層采用暗挖降水施工，不當(dāng)?shù)慕邓胧?dǎo)致基坑坍塌大面積達(dá)到400多m2。以長沙地鐵5號線一期工程朝陽站為工程背景，對其開展富水砂卵石層施工動(dòng)態(tài)降水控制技術(shù)研究，提出合理有效的降水方案，對于保證施工安全，縮短工期，降低工程造價(jià)具有十分重要的意義。

1 朝陽站地下水分布概況

朝陽站場地地貌單元主要為瀏陽河的Ⅱ~Ⅲ級沖積階地，地面標(biāo)高約為37 m，地形起伏不大。由現(xiàn)場勘察資料表明，擬建場地主要地層為填土、第四系上更新統(tǒng)的沖積粉質(zhì)黏土以及砂卵石層。基坑工程中地下水一般按照含水層性質(zhì)和地下水埋藏條件來劃分。朝陽站場地地下水具體分類如表1 所示。

表1 朝陽站地下水分布表

2 朝陽站降水方案

2.1 朝陽站基坑計(jì)算涌水量

根據(jù)井點(diǎn)降水理論，對于承壓完整井，由達(dá)西滲透定律以及裘布依降水理論，承壓井涌水流量與降水成正比，?為直線關(guān)系曲線，因此對朝陽站實(shí)際工程項(xiàng)目，按照項(xiàng)目范圍及工期長度，采取實(shí)踐公式進(jìn)行基坑總降水量計(jì)算，其值按式(1)進(jìn)行估算：

2.2 降水井的設(shè)計(jì)

朝陽站基坑開挖面積為9 838.71 m2，本工程采用管井降水施工，單井的影響面積約165 m2，經(jīng)計(jì)算擬采用60口管井降水。井徑為650 mm，井深為22.5 m，降水井采用橋式濾水管，外包一層50目的尼龍網(wǎng)，濾水管直徑與井壁管直徑相同，均為250 mm，濾水管底部設(shè)置長度為1.00 m的沉淀管。另外，基坑外擬布置8口觀測井，如圖1所示。

圖1 基坑降水井和觀測井設(shè)計(jì)平面圖

3 降水動(dòng)態(tài)控制

3.1 單井降水井排水量的計(jì)算方法

由裘布依公式理論分析，降水井在降水后周邊形成降水漏斗曲線，從水位1降至水位2，1和2以地面為基準(zhǔn)測量，均為負(fù)值，2條曲線之間的面積為增加的降水漏斗曲線之間的排水量[8]，如圖2所示。

圖2 單井漏斗曲線

式中：1為水位從1降至2所需要增加的排水量，m3；r為抽水井半徑，m；為承壓含水層厚度，m；為水位降深，m；為抽水井估算影響半徑，m；為滲透系數(shù)，m3/d；

由式(2)計(jì)算得到從1降至2所需要增加的降水井的總排水量，對于實(shí)際工程而言，降至目標(biāo)水位需要一段時(shí)間完成，因此水位下降過程中每天排水量為

式中：Q為水位下降過程每天的排水量；降水 天數(shù)。

3.2 基坑外的井群水位排水量的計(jì)算方法

計(jì)算基坑外井群水位的排水量，降水井內(nèi)的水位從1降至2所需要增加的排水量可用式(4) 計(jì)算[9]

施工中車站基坑開挖水位控制在開挖面以下1 m，根據(jù)施工進(jìn)程實(shí)現(xiàn)對地下水水位動(dòng)態(tài)的控制，降低總排水，達(dá)到施工的要求。采用承壓完整井的理論公式，計(jì)算降深區(qū)間[S,S]進(jìn)行積分得到基坑外井群的排水量。

降水過程中降水井群計(jì)算總排水量

式中：為降水井群計(jì)算總排水量。

表2 計(jì)算結(jié)果匯總

4 動(dòng)態(tài)降水?dāng)?shù)值模擬

利用MIDAS軟件對朝陽站基坑施工動(dòng)態(tài)降水進(jìn)行數(shù)值模擬，根據(jù)滲流模型和土體變形模型結(jié)合形式不同，沉降模型和地下水模型分別采用完全耦合和真三維模型[10?12]。

模型長度取635.3 m，寬度取300 m，深度取45 m，軸為模型長度方向，軸為模型寬度方向，軸為模型深度方向，如圖3所示。模型認(rèn)為基坑降水地下水運(yùn)動(dòng)對水頭邊界影響可以忽略[13?15]。

圖3 基坑CAD模型

模型共1 529 811個(gè)三維實(shí)體單元，1 025 177個(gè)節(jié)點(diǎn)，模型如圖4所示。

圖4 MIDAS基坑模型

簡化后模型地質(zhì)條件為：埋深0~3.5 m范圍內(nèi)地層為素填土，埋深3.5~8.3 m范圍內(nèi)地層為粉質(zhì)黏土，8.3~16.2 m范圍內(nèi)地層為圓礫，16.2~45 m范圍內(nèi)的地層為風(fēng)化礫巖。

圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表3。

表3 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

朝陽站工程施工及降水分多個(gè)階段進(jìn)行控制。第1階段基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高30.5 m處(水位控制標(biāo)高為29.5 m，地表下7.5 m)，第2階段基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高24.5 m處(水位控制標(biāo)高為23.5 m，地表下13.5 m)，第3階段基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高19.8m處(水位控制標(biāo)高為18.8 m，地表下18.2 m)。

對該模型取3個(gè)剖面，即垂直軸的剖面1(=?301.14)，反映基坑外地層的地下水位及沉降變化情況；垂直軸的剖面2(=?238.12)，反映基坑主體與基坑外沿段交界面的地下水位及沉降變化情況；垂直軸的剖面3(=0)；反映基坑主體中心的地下水位及沉降變化情況，得到3個(gè)剖面的地下水位和沉降變化。并取3個(gè)剖面與軸線的相交點(diǎn)分別設(shè)為，和3點(diǎn)，如圖3所示。

4.1 水位變化

為節(jié)約篇幅，僅畫出基坑開挖剖面3第3個(gè)階段的水位曲線圖，如圖5所示，圖中縱坐標(biāo)以地表值為0，由圖5可知：

1) 剖面3地下水位基本呈曲線槽分布，基坑所在范圍的地下水位比基坑外低，這是由降水井對基坑降水所致；

2) 施工3個(gè)階段降水均能滿足施工安全要求。

圖5 剖面3水位曲線(第3階段)

圖6 C點(diǎn)水位時(shí)程曲線圖(第1階段)

圖6~8為基坑開挖剖面3中的3個(gè)階段點(diǎn)處水位時(shí)程曲線，由圖6~8可知：

1) 施工第1階段降水時(shí)間為4 d，地下水位隨降水時(shí)間的增加不斷下降，但下降的速率不斷變小，變化的幅度不斷減小，說明降水井抽水導(dǎo)致的滲流從不穩(wěn)定狀態(tài)逐漸變成穩(wěn)定狀態(tài)；

2) 施工第2階段明挖段降水大約在2 d后，地下水位達(dá)到基本穩(wěn)定狀態(tài)，動(dòng)態(tài)降水基本完成。

3) 施工第3階段水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)變化幅度很小，達(dá)到基坑施工的技術(shù)要求。

圖7 C點(diǎn)水位時(shí)程曲線(第2階段)

4.2 基坑沉降

圖9~11為3個(gè)剖面在施工3個(gè)階段的沉降曲線，圖12為3個(gè)剖面，和3處地表沉降曲線。

由圖9~11可知：

1) 地表沉降沿剖面中心基本呈對稱分布；

圖8 C點(diǎn)水位時(shí)程曲線(第3階段)

圖9 剖面1在3個(gè)階段沉降曲線

圖10 剖面2在3個(gè)階段沉降曲線

圖11 剖面3在3個(gè)階段沉降曲線

圖12 A，B和C處地表沉降時(shí)程曲線

2) 剖面1的地表最大累積沉降量為2.44 mm，位于剖面中心處；剖面2的地表最大累積沉降量為7.85 mm，位于軸坐標(biāo)27.57 m的位置處；剖面3的地表最大累積沉降量為10.79 mm，位于軸坐標(biāo)28.27 m的位置處。對比3個(gè)剖面的最大累積沉降量，剖面1的最小，這是由于該剖面位于基坑外部所致；另外，3個(gè)剖面的沉降量值表明距離基坑開挖中心越遠(yuǎn)其值越??；

3)，和3處地表沉降量隨著降水時(shí)間的不斷增加，地表沉降逐漸增加但變化幅值逐漸變??；降水進(jìn)行7 d以后沉降基本沒有變化，到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)論

1) 結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)水文條件，并充分考慮現(xiàn)場施工條件和經(jīng)濟(jì)效益，確定朝陽站基坑開挖降水采取管井井點(diǎn)降水方法。

2) 基于地下水滲流的基本理論，針對實(shí)際的施工方法和條件，明確了考慮降水過程中地下水位動(dòng)態(tài)水文變化過程排水量的計(jì)算公式。

3) 基坑采取分階段開挖同時(shí)分階段降水控制，3個(gè)階段地下水位基本呈曲線槽分布，基坑范圍內(nèi)水位低而邊界的水位高；第3階段水位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，各點(diǎn)變化幅度很小，達(dá)到基坑施工的技術(shù)要求。

4) 朝陽站基坑降水約7 d進(jìn)入穩(wěn)定期。

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Study on dynamic dewatering control technology for water-rich sandy gravel layer in Chaoyang station

LOU Ping1, ZHAO Xing1, 2, TANG Zhuo3, NI Zhiguo3, TANG Zhi3, CHEN Jiexin3, LI Zhuo3, XU Qingyuan1

(1. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China; 2. China Railway Siyuan Survey and Design Group Co., Ltd, Wuhan 430063, China; 2. Civil Engineering Co., Ltd., China Construction Five Bureau, Changsha 410004, China)

The Chaoyang station in the 5th line of Changsha subway is taken as engineering background. Considering the station engineering geological and hydrological conditions, the dynamic dewatering control technologies for the water-rich sandy gravel layer of foundation ditch were studied by using theory analysis, field test and numerical simulation methods. The drawdown method was determined, the formula for calculating the displacement of groundwater level considering drawdown process was definited, and the stability time of foundation ditch at three drawdown stages of foundation, the time to reach steady and the final settlement value for surface subsidence were obtained.

water-rich sandy gravel layer; foundation ditch dewatering; numerical simulation; dynamic control

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.02.023

U231+.4

A

1672 ? 7029(2019)02 ? 0457 ? 07

2018?02?07

中國建筑第五工程局有限公司科技資助項(xiàng)目(2017tm002)；中南大學(xué)研究生自主探索創(chuàng)新資助項(xiàng)目(2017zzts760)

婁平(1968?)，男，湖南瀏陽人，教授，博士，從事鐵道工程方面研究；E?mail：pinglou@csu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)