陳 鶴(上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司 ,上海 200071)
隨著基坑越挖越深,風(fēng)險(xiǎn)越來越大,承壓水已逐漸成為基坑開挖階段最大的風(fēng)險(xiǎn)源,既危害基坑的安全,又危害周邊環(huán)境的安全。尤其是在高速鐵路附近,承壓水的控制更為重要。對于鄰近高速鐵路深基坑施工來說,坑外水位降深幅度應(yīng)盡可能小,以確?;娱_挖和坑內(nèi)降水期間不造成高速鐵路沉降;坑內(nèi)基坑開挖期間又要按需降水,以控制基坑底的穩(wěn)定。為了控制降承壓水的施工風(fēng)險(xiǎn)和對高速鐵路的影響,必須從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測等多環(huán)節(jié)來控制風(fēng)險(xiǎn)。
上海軌道交通市域機(jī)場聯(lián)絡(luò)線 JCXSG-2 標(biāo) 2 號風(fēng)井,為盾構(gòu)接收井兼中間風(fēng)井,基坑深 30.22 m,位于滬昆高鐵與李莘聯(lián)絡(luò)線夾角地帶,圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離滬昆高鐵線路中線最小凈距離為 27 m。鄰近高速鐵路建造如此深的基坑,國內(nèi)外尚屬首次。
基坑長 30.4 m,寬 25.4 m,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻,墻深 64 m,靠近高鐵側(cè)地下連續(xù)墻為 1.5 m 厚,其他三側(cè)為 1.2 m 厚。沿基坑深度方向共設(shè)置 8 道支撐,包括 3道混凝土支撐和 5 道鋼支撐,底板厚度 1.5 m。
本工程屬于濱海平原地貌類型,土層分布情況見表 1。
表1 土層分布
地下水有潛水-微承壓水和承壓水兩種類型。潛水-微承壓水主要賦存于 ①1填土層(潛水)、④1 粉砂夾粉質(zhì)黏土層(微承壓水),穩(wěn)定水位埋深為地表下 0.3~1.5 m。承壓水位于 ⑦1 粉砂夾粉質(zhì)黏土層、⑦2 粉砂層,兩者相互貫通,視為同一承壓含水層,穩(wěn)定水位埋深 6.04~6.62 m。
采用嵌入式止水帷幕,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穿過承壓水層,進(jìn)入隔水層一定深度,可以有效隔斷承壓水。在這種情況下,只需確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果,將降承壓水簡化為基坑內(nèi)疏干,基本可以解決降承壓水對周邊環(huán)境的影響。機(jī)場線 2 號風(fēng)井處 ⑦1、⑦2 層存在承壓水,⑦2 層底埋深 78 m,⑨1中細(xì)砂層同樣屬于透水層,無法施作嵌入式止水帷幕隔斷承壓水。為了達(dá)到隔水的效果,采用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部墻趾處施作人工隔水層的方式,即在地下連續(xù)墻底部采用 φ3 500@2 200 的 N-JET 工法樁進(jìn)行滿堂加固處理。隔水層加固厚度 6 m,隔水層底位于地下連續(xù)墻底以上 1 m 處。隔水層施工完成后,通過地下連續(xù)墻預(yù)留的壓漿管道對地下連續(xù)墻與隔水層的接縫處進(jìn)行壓漿處理,保證隔水層與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接縫處無滲流通道。
圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻縫止水也是有效隔絕承壓水的關(guān)鍵。接縫處地連墻外側(cè)上部利用槽壁加固時(shí)的三軸攪拌樁、下部采用RJP 工法樁,將墻縫進(jìn)行完全封閉。直徑 2 400 mm 的 RJP工法樁加固深度為地下連續(xù)墻槽壁加固樁底至地下連續(xù)墻墻底,上部穿越三軸攪拌樁時(shí)引孔實(shí)施,豎向與攪拌樁有不小于1 m 的搭接。
基坑開挖后,由于承壓含水層覆土層厚度變薄,覆土的壓力降低。當(dāng)覆土壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時(shí),承壓水將可能使基坑底面產(chǎn)生隆起,嚴(yán)重時(shí)使土體被頂裂產(chǎn)生滲水通道,從而發(fā)生基坑突涌。圖 1 為基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖,采用式(1)判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌穩(wěn)定的狀態(tài)。
圖1 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖
式中:Ps—承壓含水層頂面至基坑底面之間的覆土壓力,kPa;
Pw—初始狀態(tài)下(未減壓降水時(shí))承壓水的頂托力,kPa;
hi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的厚度,其和等于圖 4 中的 h,m;
圖4 坑外潛水水位變化曲線圖
γsi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的重度,kN/m3;
H—承壓含水層頂面的承壓水頭高度,m;
γw—水的重度,取 10 kN/m3;
Fs—安全系數(shù),本工程取 1.05。
本工程采用地下連續(xù)墻、墻縫設(shè)三軸攪拌樁+RJP 工法樁的方式阻斷側(cè)向水的滲流路徑,墻趾處設(shè)置 6 m 厚 N-jet封底隔水層阻斷底部承壓水?;幼畲箝_挖深度 30.22m,對于底部承壓水,需驗(yàn)算封底隔水層以下⑦2層的抗突涌穩(wěn)定性,驗(yàn)算結(jié)果見表 2。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告,承壓水位埋深 6.04~6.62 m,初始水位按地下 6.00 m 計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,基坑開挖至基底時(shí)抗突涌安全系數(shù)大于上海市工程建設(shè)規(guī)范 DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的1.05,滿足要求。
表2 隔水層抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果
本工程雖有 N-jet 封底隔水層隔斷承壓水,但考慮到坑內(nèi)降水幅度較大,同時(shí)對 N-jet 封底效果缺乏有效的檢測手段,故在坑內(nèi)設(shè)置降水井對 ⑦1、⑦2 層進(jìn)行封閉式降水,井底設(shè)置在 N-jet 封底隔水層以上。開挖第一~四道支撐時(shí),坑內(nèi)僅需疏干上層的潛水,將水位降至開挖面以下 1 m。開挖第五~八道支撐時(shí),對坑內(nèi) ⑦1、⑦2 層按需降承壓水。開挖至基底時(shí),已經(jīng)挖至⑦1層,需將水位降至坑底以下 1 m。對基坑各開挖工況進(jìn)行抗承壓水突涌穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算,計(jì)算結(jié)果見表 3。
表3 各開挖工況抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果
2.3.1 疏干井布設(shè)
基坑開挖施工時(shí),需疏干開挖范圍內(nèi)土層中的水,保證基坑開挖的順利進(jìn)行。基坑疏干面積 772 m2,單井有效抽水面積 200 m2,設(shè)置疏干井?dāng)?shù)量 4 口。為減少對承壓水層的影響,疏干井濾管不可以進(jìn)入 ⑦1 層,同時(shí)考慮到 ⑥1 粉質(zhì)黏土層為硬土層,故將疏干井的濾管底設(shè)在 ⑥1 層頂,疏干井深度為 25 m。
2.3.2 降壓井布設(shè)
本工程承壓水位于 ⑦1、⑦2 層,在坑內(nèi)布設(shè)降壓井進(jìn)行封閉式降水。開挖至基底時(shí),已挖至 ⑦1 層,需將水位降至坑底以下 1 m,水位降深達(dá)到 25.22 m,根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn),需布設(shè) 2 口降壓井,濾管長度 15 m,濾料層頂設(shè)置在 ⑥1層底,井深為 48 m。
2.3.3 坑內(nèi)觀測兼?zhèn)溆镁荚O(shè)
基坑中布置 5 口觀測兼?zhèn)溆镁?。基坑的四邊且靠近支撐的地方均勻布設(shè) 1 口井,中心處布設(shè) 1 口井。觀測井底部不深入 N-jet 封底層,井深為 45 m、56 m 的兩種觀測井,分別觀測 ⑦1、⑦2 層水位情況。
2.3.4 坑外觀測井布設(shè)
在基坑外,布設(shè)深、淺不同類型的觀測井分別觀測地下連續(xù)墻及封底隔水層周圍情況。其中 41 m 井 2 口,64 m 井及 71 m 井各 1 口。
2.3.5 坑外應(yīng)急回灌井布設(shè)
坑外布設(shè) 10 口應(yīng)急回灌井,布設(shè)在靠近高鐵一側(cè),井間距 15 m,井深 53 m。布設(shè) 2 口坑外觀測兼?zhèn)溆没毓嗑?,井?53 m。
止水帷幕及 N-jet 封底層施工完成后,在基坑開挖之前,進(jìn)行抽水試驗(yàn),檢驗(yàn)降水效果、分析坑內(nèi)抽水時(shí)引起坑內(nèi)外水位變化情況、以及評價(jià)地下連續(xù)墻及封底層對承壓水的封閉效果。
試驗(yàn)前對試驗(yàn)井點(diǎn)進(jìn)行水位觀測,初始水位情況見表4??油?⑦層初始水位埋深為 5.42~6.66 m;坑內(nèi) ⑦ 層水位因洗井影響未恢復(fù)至初始水位,降深計(jì)算時(shí)坑內(nèi)井點(diǎn)初始水位埋深統(tǒng)一按場我范圍內(nèi)平均值 5.66 m 計(jì)。
表4 試驗(yàn)觀測井初始水位埋深一覽表
Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h,坑內(nèi) ⑦1 層、⑦2 層水位埋深為 32.00~32.10 m,安全水位控制埋深 31.20 m,滿足基坑開挖至坑底時(shí)水位控制要求。此時(shí),坑外觀測井下降幅度為0.04~0.18m。試驗(yàn)觀測井水位降深情況見表 5。
表5 試驗(yàn)觀測井水位降深情況一覽表
Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h,Y 1 出水量約為 219 m3,平均流量約為 6.24 m3·h-1,Y 2 出水量約為 309 m3,平均流量約為 8.80 m3·h-1。抽水試驗(yàn)開始后,流量隨抽水時(shí)間整體呈逐步減小的趨勢。開始第一小時(shí)流量為 15.7~18.9 m3·h-1,往后逐漸減小至 4.5~5.5 m3·h-1左右。圖 2 為試驗(yàn)抽水井流量變化圖。
圖2 試驗(yàn)抽水井流量變化圖
停抽后,恢復(fù)試驗(yàn)歷時(shí) 34.5 h,經(jīng)過 30 min 坑內(nèi)井水位恢復(fù)了 0.4%~1.3%,經(jīng)過 1 h 恢復(fù)了 0.9%~2.5%,經(jīng)過 5.0 h 恢復(fù)了 6.3%~10.3%,經(jīng)過 12 h 恢復(fù)了14.4%~19.6%,經(jīng)過 18 h 恢復(fù)了 19.3%~23.4%,經(jīng)過 24.5 h 恢復(fù)了 25.4%~26.9%,經(jīng)過 34.5 h 恢復(fù)了36.1%~38.6%?;謴?fù)速率較慢,恢復(fù)程度較低。
基坑開挖前,提前 15 d 開啟疏干井,加載真空負(fù)壓疏干開挖土體,開挖過程中保持持續(xù)抽水,疏干開挖范圍內(nèi)土體并降低其水位在開挖面以下 1 m。采用真空泵抽氣和潛水泵抽水的方法降低潛水位,4 口井配備 1 臺真空泵,每口井單用一臺潛水泵,潛水泵和真空泵同時(shí)開啟,抽水期間真空管路的真空度 >-0.065 MPa。
為減少降水對周圍環(huán)境的影響,隨開挖深度的逐漸加大,坑內(nèi)逐步降低承壓水頭?;娱_挖至臨界深度前一周,加強(qiáng)對承壓含水層初始水位的觀測,根據(jù)實(shí)測的初始水位調(diào)整降壓運(yùn)行工況。通過智能化水位觀測系統(tǒng),密切關(guān)注坑內(nèi)外水位變化情況。承壓水降深控制見表 6。
表6 基坑開挖階段承壓水降深一覽表
坑外承壓水位降幅報(bào)警值為 0.5 m,當(dāng)降幅接近報(bào)警值或有明顯下降趨勢時(shí),應(yīng)及時(shí)啟動應(yīng)急回灌井,回灌后水位控制在初始水位附近。回灌水源優(yōu)先采用自來水,水源不充足時(shí)可考慮基坑內(nèi)抽出的承壓水。本基坑開挖至第七道支撐深度,坑外承壓水位有明顯下降趨勢,開啟回灌井回灌,水位穩(wěn)定在初始水位 ±20 cm,直至底板澆筑完成。圖 3 為坑外承壓水水位變化曲線圖。
圖3 坑外承壓水水位變化曲線圖
坑外設(shè)置 8 個(gè)潛水位觀測孔,從基坑開挖初期進(jìn)行跟蹤觀測,直至基坑底板澆筑完成。由觀測數(shù)據(jù)可知,潛水位變化很小,變化范圍 ≤30 cm,說明受坑內(nèi)降水影響較小,圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水良好。圖 4 為坑外潛水水位變化曲線圖。
地連墻頂部設(shè)置 10 個(gè)觀測點(diǎn),觀測墻頂豎向位移。從基坑開挖以來,隨著坑內(nèi)土體減少,地下連續(xù)墻整體呈上浮趨勢,底板施工完成后,上升速率減小,趨于穩(wěn)定,最大上浮量 7.5 mm。支撐拆除、主體側(cè)墻施工過程中,出現(xiàn)回彈趨勢,回彈量 2 mm 左右,隨著水位的穩(wěn)定,變化速率越來越小,并逐漸穩(wěn)定。圖 5 為圍護(hù)體頂部豎向位移變化曲線圖。
圖5 圍護(hù)體頂部豎向位移變化曲線圖
滬昆高鐵 141#、142# 橋墩各設(shè)置 3 個(gè)觀測點(diǎn),觀測橋墩豎向位移?;邮┕て陂g,141#、142# 橋墩豎向變化量均 <2 mm,說明封底隔水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水良好,坑內(nèi)降水對高鐵橋墩影響較小。圖 6 為高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖。
圖6 高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖
本工程采用隔水和抽灌一體化的綜合設(shè)計(jì),采用地下連續(xù)墻、墻縫三軸攪拌樁+RJP 工法樁的方式阻斷側(cè)向水的滲流路徑,墻趾處設(shè)置 6 m 厚 N-jet 封底隔水層阻斷底部承壓水,坑內(nèi)設(shè)置降水井進(jìn)行封閉式降水,坑外設(shè)置回灌井確保水位穩(wěn)定?;娱_挖之前,進(jìn)行抽水試驗(yàn),初步評估降水對坑內(nèi)外的影響。基坑施工期間,坑內(nèi)封閉式降水,坑外及時(shí)進(jìn)行回灌,全過程對水位、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、高鐵橋墩進(jìn)行觀測。從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測多方位綜合控制承壓水對基坑開挖的影響,進(jìn)而減小對鄰近高鐵的干擾,基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高鐵變形均在控制標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi),確保了基坑施工和高鐵運(yùn)營安全,為今后類似工程提供借鑒。