高富水、強透水卵石地層深基坑降水設計與實踐

時 鐘

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800)

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高富水、強透水卵石地層深基坑降水設計與實踐

時 鐘

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800)

以常德沅江過江隧道江南工作井作為工程實例，通過對周邊地層、水文特性的了解分析，從抽水試驗、井位布設、抗突涌驗算、沉降分析、坑外回灌等各方面進行了初步的分析，對降水相關(guān)的各項技術(shù)措施進行了梳理，通過工程實踐對降水方案的可行性進行了論證，對類似高富水、強透水卵石地層條件下的深基坑降水施工具有一定的借鑒意義。

強透水性；卵石地層；基坑降水；抗基底突涌；模擬驗算；坑外回灌

在大型市政工程中，深基坑多采用降水干開挖的方式進行，其中降水工藝多以管井降水為主，其施工工藝也日趨成熟。但在常德沅江邊的強透水卵石地層中，因地層滲透系數(shù)大、地下水補給豐富等原因，該工藝應用極少，當?shù)毓こ潭嗖捎脺\基礎結(jié)構(gòu)，最大開挖深度不足10 m，基本上沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒，其施工難度相對較大。為了保質(zhì)、保量、高效地完成常德沅江過江隧道施工任務，基坑降水的施工進度和施工成效是關(guān)系整個工程能否順利進行的重要因素。

1 工程設計概況

常德沅江過江隧道工程位于湖南省常德市，線路基本呈南北走向，橫穿江底連接鼎城區(qū)與武陵區(qū)。隧道全長2240 m，其中過江盾構(gòu)段長1680 m，采用大直徑泥水盾構(gòu)施工；兩岸工作井長度共計560 m，均采用明挖順筑法施工。

其中江南工作井為盾構(gòu)始發(fā)井，基坑最大開挖深度21 m，最大基坑寬度36.4 m，基坑總長度294 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的組合形式。

考慮沅江特殊水情及地層強透水性，以及當?shù)厥┕そ?jīng)驗，工作井基坑原設計采用水下開挖工藝，即通過射水沖擊反循環(huán)等專用設備對基坑內(nèi)土體進行抽取、篩分、外運，以實現(xiàn)基坑開挖施工。由于基坑工程規(guī)模大、施工任務重，考慮工期及施工質(zhì)量的影響，水下開挖工藝將無法實現(xiàn)項目預期目標。結(jié)合公司原有施工經(jīng)驗，工程將采用降水+干開挖工藝進行優(yōu)化設計并組織施工。

2 工程地質(zhì)及水文概況

2.1 地質(zhì)情況

根據(jù)地質(zhì)詳勘報告，工作井施工范圍的地層依次包括：雜填土①(Q4ml)、粉質(zhì)粘土②1(Q4al)、圓礫②4(Q4al)、卵石②0(Q4al)、粉質(zhì)粘土③1(Q3al)、粉細砂③3(Q3al)等，地層起伏變化明顯?；娱_挖范圍內(nèi)卵石層分布較廣，該地層頂部覆土約10 m，厚度為15～20 m，其中卵石顆粒含量約占70%，粒徑尺寸5～10 cm，最大粒徑達30 cm，其中細顆粒含量少，級配較差。根據(jù)地勘成果測算，該地層滲透系數(shù)約為51 m/d，屬于強透水地層。

卵石層下方分布有一層粉質(zhì)粘土③1(Q3al)層，平均層厚3～10 m，硬塑狀態(tài)，干強度及韌性中等，層底埋深約35 m，可作為相對隔水層。

現(xiàn)場地連墻成槽開挖采集的卵石及粉質(zhì)粘土如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場采集的地層照片

2.2 水文情況

基坑周邊屬沅江岸邊階地，松散巖類孔隙水主要賦存于下部粉細砂、中粗砂、圓礫及卵石中，含水量豐富—極豐富，給水性和透水性相對良好，屬強透水地層。含水層在河床部位直接與沅江水接觸，產(chǎn)生水力聯(lián)系。

地下水主要接受大氣降水補給，亦和周邊地表水體呈互補關(guān)系，枯水期時，地下水由兩側(cè)向沅江徑流，以側(cè)向滲流運動方式向河流排泄；汛期時，河流水位抬升，河水向兩側(cè)補給地下水。水位和水量隨季節(jié)性變化，地下水動態(tài)變化較大。

經(jīng)設計核算，江南工作井及明挖段，預計涌水量達到51000 m3/d,屬高富水地層。

3 主要降水思路

(1)施工范圍內(nèi)卵石地層厚度大，透水性強，地下水極其豐富，是本工程的主要風險源。

(2)正式施工前，應進行現(xiàn)場抽水試驗，復核水文地質(zhì)參數(shù)，為降水井正式施工提供依據(jù)。

(3)基坑設計時，充分利用基坑底部的粉質(zhì)粘土③1(Q3al)地層，并對該地層進行水泥-水玻璃雙液注漿加固，提高其抗突涌能力。加大地連墻底部埋深，保證墻體完全穿過該地層，在基坑底部形成相對隔水層。

(4)基坑內(nèi)設置若干淺層疏干井，其深度不得進入已加固的粉質(zhì)粘土地層，防止成井鉆孔破壞地層原有隔水性能，功能是抽排基坑內(nèi)部滯水。

另外，在基坑外側(cè)設置若干深層減壓井，其深度必須進入已加固的粉質(zhì)粘土地層，并對其上方井管進行封閉，使其只能抽排隔水層以下承壓水，減少基底承壓水壓力，防止基底突涌的發(fā)生。

(5)根據(jù)地層情況模擬周邊地層沉降變化，采取坑外回灌措施，減少大規(guī)模降水對周邊環(huán)境的影響。

4 基坑降水技術(shù)

4.1 施工前抽水試驗

4.1.1 試驗目的

(1)通過抽水試驗，復核水文地質(zhì)參數(shù)(滲透系數(shù)、影響半徑等)；

(2)實測單井涌水量、水位下降及恢復速率，確定降水井深度，推測水位降深與總涌水量關(guān)系；

(3)判斷相對隔水層的隔水性能；

(4)為后續(xù)基坑降水設計及施工提供指導性依據(jù)。

4.1.2 試驗井布設

在工作井的西側(cè)共布置4口試驗井，其中2口淺井位于相對隔水層上部(SY01、SY02，井間距15 m)，2口深井進入相對隔水層下部(SY03、SY04，井間距15 m)。

抽水試驗分2個階段進行，具體設計工況見表1。

表1 試驗工況安排

4.1.3 抽水試驗

4.1.3.1 第一階段：淺井抽水

本階段試驗的主要目的：通過對淺井抽水，觀測深、淺井水位變化，判斷相對隔水層的隔水性能，復核含水層水文地質(zhì)參數(shù)(滲透系數(shù)、影響半徑)。

現(xiàn)場選取SY01為抽水井，預計進行3個降深試驗，最大靜止水位降深S3預計為3 m，S1=S3/3、S2=(2/3)S3，分別對SY02、SY03、SY04進行水位觀測，3個降深結(jié)束后進行水位恢復觀測。

各降深試驗持續(xù)時間預計12 h，共計3天時間。

4.1.3.2 第二階段：深井抽水

本階段的主要目的為：觀測深井抽水對淺井的影響，進一步判斷相對隔水層的隔水性能。

擬進行單降深抽水試驗，選取SY03為抽水井，觀測SY04、SY01、SY02水位變化，抽水結(jié)束后，進行水位恢復觀測。預計2天時間。

4.1.4 試驗數(shù)據(jù)采集

本次主要采用穩(wěn)定流方法進行試驗，同時結(jié)合非穩(wěn)定流法計算要求進行觀測。

4.1.4.1 靜止水位觀測

在正式抽水前，觀測靜止水位。觀測時間間隔：每30 min或者1 h觀測一次，4 h內(nèi)變幅≯2 cm，且無持續(xù)上升或下降趨勢，即為靜止水位。

4.1.4.2 動水位及水量的觀測

對抽水井水位的觀測在正式抽水試驗開始后第1、2、3、4、6、8、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每隔30 min測一次，直到水位穩(wěn)定。

對抽水井出水量和觀測井水位，在正式抽水試驗開始后第5、10、15、20、30、40、50、60 min各觀測一次，以后每隔30 min觀測一次，當水位趨于穩(wěn)定后，延長至60 min觀測1次。

4.1.4.3 恢復水位觀測

抽水試驗結(jié)束，立即進行恢復水位觀測。觀測井的觀測時間一般為停抽后第1、3、5、10、15、20、25、30、40、50、60、80、100、120 min各測一次，以后每隔30或60 min觀測一次，直至完全恢復。

4.2 降水井布設及抗突涌驗算

4.2.1 抗突涌穩(wěn)定性分析

當基坑底部含水層覆土自重不足以抵消兩側(cè)水頭壓力時，將在基坑底部產(chǎn)生突涌。

工作井施工時，上部含水層水位需降低至基底以下1 m。由于基底下部存在相對隔水層，在基坑開挖過程中，下層含水層有可能造成基底突涌，需對該層進行底板抗突涌驗算。基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于承壓水的頂托力，見圖2。即：

Dγ/(hwγw)≥Kh

式中：D——承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m，D=Ha-Hb；Ha——基坑開挖底板高程，m；Hb——含水層頂板高程，m；γ——承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度,對多層土，取按土層厚度加權(quán)的平均天然重度，本次取19.5 kN/m3；hw——承壓含水層頂面的壓力水頭高度(承壓水位至承壓含水層頂板距離)，m；γw——水的重度，取10 kN/m3；Kh——突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，Kh≮1.1，本次取1.1。

圖2 基坑底板抗突涌驗算示意圖

可以根據(jù)上式，得出承壓含水層安全水頭高程計算公式：

ha≤Hb+(Ha-Hb)γ/(Khγw)

式中：ha——承壓水頭安全水位高程，m。

則根據(jù)承壓含水層初始水位標高即可求得水位降深：

S≥H初始水位-Ha

本次計算，初始水位標高取值30 m。

經(jīng)過計算，江南工作井處安全水位高程為標高21.69 m，下部水頭需降低8.31 m；XK2+092.4～111.1范圍安全水位高程為標高26.04～27.38 m，需降低2.62～3.96 m，具體詳見表2。

表2 基底抗突涌驗算

基坑外需要通過減壓井將坑外水位降低至安全水位以下，根據(jù)水位理論降深設計坑外減壓井。

4.2.2 降水井布置

4.2.2.1 模型建立

根據(jù)基坑圍護結(jié)構(gòu)形式，建立三維立體模型，本次滲透系數(shù)依據(jù)地勘資料選取(見表3)，注漿加固體的滲透系數(shù)按1.5 m/d考慮。

4.2.2.2 模型運行結(jié)果

表3 巖土力學參數(shù)推薦

考慮江南工作井與明挖段同時施工，基坑內(nèi)安全水位需降至標高11 m、加固體下部含水層水頭需降至標高21.69 m。

通過模型計算，工作井及明挖段共布置40口降水井，其中工作井內(nèi)布置12口，明挖段內(nèi)布置22口，工作井外側(cè)布置降壓井6口。另外按照總量20%布設備用兼觀測井，防止沅江水位突然上漲抬升地下水位?？油饨祲壕c坑內(nèi)疏干井同時開啟時基坑總涌水量約62980 m3/d，等水位線圖見圖3。降水井布置形式見圖4。

4.3 降水井結(jié)構(gòu)及施工運行要求

4.3.1 降水井結(jié)構(gòu)

圖3 工作井及明挖段下部坑外減壓降水水位標高等值圖

圖4 江南工作井及明挖段降水井平面布置圖

降水井成孔直徑600 mm，其中疏干井、回灌井采用?273 mm×3 mm鋼管，坑外降壓井采用?325mm×4 mm鋼管，濾水管為同規(guī)格橋式濾管，外包40～60目濾網(wǎng)，降水井結(jié)構(gòu)形式見圖5。

4.3.2 降水施工技術(shù)要求

(1)井口高度：井口應高于地表以上0.20～0.50 m，以防止地表污水滲入井內(nèi)。

(2)回填濾料：井管安裝完成后，及時進行填礫，礫料粒徑規(guī)格符合設計要求，礫料應純凈，不含泥土和雜物。填礫時，礫料應沿井(孔)管四周均勻連續(xù)填入，隨填隨測。

圖5 降水井、回灌井結(jié)構(gòu)示意圖

(3)粘土封孔：降壓井應嚴格做好隔水止水措施，防止人為造成潛水和承壓水之間水力聯(lián)系。

(4)成孔偏差：井孔的平面誤差≤1.0 m，井深(孔深)偏差≤±0.50 m；井孔應圓正。

(5)井管偏差：井身應圓正，上口保持水平，井管的頂角及方位角不能突變，井管安裝傾斜度≯1°；井管截面尺寸偏差≤±0.20 mm，井管長度偏差≤±20 cm。

(6)出水含砂量：抽水穩(wěn)定后，出水含砂量不得超過10萬分之一(體積比)。

4.3.3 降水井運行保證措施

(1)在正式開挖前，進行生產(chǎn)性抽水試驗，確保水位能夠降至安全水位以下。

(2)降水運行過程中，必須預留備用電源，以防停電造成水位上漲，確保抽水持續(xù)運行。

(3)降水運行期間，由專業(yè)監(jiān)測單位對附近建(構(gòu))筑物及地面進行沉降監(jiān)測。

(4)施工過程中，必須加強對降水井的保護。

(5)隨時注意出水含砂量情況，若發(fā)現(xiàn)抽水變混濁，應立即停泵，啟用備用井。

(6)應急倉庫中需備足備用水泵及電纜等物資，以便及時更換，保證連續(xù)、平穩(wěn)作業(yè)。

4.4 基坑周邊沉降控制

施工場地以卵石層為主，其中卵石含量約70%，地層中細顆粒含量少，屬于強透水性、低壓縮性地層?？辈炱陂g，地下水位最低高程約+28 m，即標高28 m以上地層處于地下水位季節(jié)變動范圍內(nèi)，不存在壓縮固結(jié)沉降問題。在自然壓密狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)致密，即使抽大量的地下水，增加了顆粒的有效應力，也不會引起明顯的沉降。但從地質(zhì)圖上看，部分鉆孔上部存在②2粉土層，壓縮模量6.73 MPa，且分布不均勻，最大厚度約10 m(鉆孔BZK03)，降水過程中該地層可能會產(chǎn)生地面沉降。

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，降水引起的地層壓縮變形量可采用以下計算公式：

式中：S——計算剖面的地層壓縮變形量，m；ψw——沉降計算經(jīng)驗系數(shù)；Δσzi′——降水引起的地面下第i層土的平均附加有效應力，kPa；Δhi——第i層土的厚度，m，土層的總計算厚度應按實際土層分布情況確定；Esi——第i層土的壓縮模量，kPa。

本次僅考慮標高+28 m以下地層的沉降，根據(jù)等水位線圖，預測最大地面沉降量18.6 mm，基坑外側(cè)30 m處的地面沉降量8～10 mm，外側(cè)50 m處的地面沉降量4～6 mm，滿足設計規(guī)范要求。由于地層水平分布不均勻，將可能產(chǎn)生一定的不均勻沉降，基坑降水過程中，應加強周邊沉降及地下水位監(jiān)測。

為減小大規(guī)模降水對周邊造成的影響，在基坑外側(cè)布置回灌井進行淺層回灌，回灌井間距按照20 m/口布置，基坑四周共布置22口回灌井，井深17 m，回灌井結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。由于地層透水性強，現(xiàn)場采用常壓回灌方式。施工過程中，重點關(guān)注地下水位及周邊沉降監(jiān)測情況，若沉降變化明顯加大，現(xiàn)場可采用帶壓回灌方式，回灌壓力需通過現(xiàn)場試驗確定。

4.5 方案實施情況

方案實施過程中，坑內(nèi)疏干井與坑外減壓井均運行良好，且現(xiàn)場布設雙電源配置，滿足連續(xù)不間斷運行。現(xiàn)場抽水施工階段，坑內(nèi)疏干井抽水量較小，補給量有限，且基坑周邊地下水無明顯變化，證明圍護結(jié)構(gòu)及基底加固施工效果良好，能夠保證基坑在無水狀態(tài)下進行開挖施工?？油鉁p壓井抽水量較大，地下水補給豐富，通過群井抽水能夠滿足降低水頭的要求，減壓井間距基本合理。由于基坑采用分段開挖，降水施工同樣采取分區(qū)域梯度降水，單日排水總量約6000 m3。

另外，通過現(xiàn)場地下水回灌施工，基坑周邊建筑物及地面地表沉降效果良好。根據(jù)目前施工監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，地面沉降值控制在15 mm范圍內(nèi)，建筑物沉降控制在12 mm范圍內(nèi)，滿足施工安全要求。

在施工過程中，存在如下問題需要引起重視和注意。

(1)沅江流域卵石地層松散，且前期抗拔樁施工存在地層擾動問題，現(xiàn)場降水井施工過程中多次出現(xiàn)塌孔問題，影響施工進度和質(zhì)量。后續(xù)施工中應合理選擇降水井位置，嚴格控制成孔施工泥漿質(zhì)量。

(2)由于基坑圍護結(jié)構(gòu)及基底注漿隔水效果良好，坑內(nèi)疏干井數(shù)量可適當減少，但坑外減壓井必須按照設計要求嚴格施工，防止基底突涌。

(3)基坑支護體系中，鋼支撐布置間距小，在降水井施工定位中，需注意避讓，防止因降水井結(jié)構(gòu)沖突，無法實現(xiàn)支撐體系施工。

(4)基坑開挖過程中，注意對降水井的保護，建議在支撐結(jié)構(gòu)處設置臨時支架，固定井管結(jié)構(gòu)，待主體結(jié)構(gòu)全部封頂后，再廢除降水井，防止出現(xiàn)因地下水位突然上漲造成結(jié)構(gòu)上浮等險情。

5 結(jié)語

管井降水具有設備簡單、降深大、適用性強等優(yōu)點，降水干開挖與水下開挖相比也有著施工便利、可靠性高、工期快等優(yōu)勢，在工程實踐中正在越來越廣泛的使用。本工程所采用的降水設計方案，從抗突涌穩(wěn)定性驗算、單井抽水量以及沉降預測等方面均進行模擬計算分析，技術(shù)要求和保證措施較為得當，在現(xiàn)場實際施工中也得到了良好的驗證，證明了方案的合理性和可實施性，這對沅江流域等類似地層的工程施工，都有著較好的借鑒意義。

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Dewatering Design and Practice of Deep Foundation Pit in High Water-rich and Strong Permeable Cobble Stratum

SHI Zhong

(China Railway 14th Bureau Group Shield Engineering Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 211800, China)

Taking the example of Jiangnan working shaft of Changde Yuanjiang river-crossing tunnel, based on the obtained hydrological characteristics and the surrounding strata conditions, the paper makes a preliminary analysis on various aspects such as pumping test, well location layout, anti-inrush checking, settlement analysis and recharge surrounding the foundation pit, and the technical measures related to dewatering are reviewed. The feasibility of the dewatering scheme has been demonstrated through the engineering practice, which will be meaningful to the deep foundation pit construction in the similar high water-rich and strong permeable cobble stratum.

strong water permeability; cobble stratum; foundation pit dewatering; anti-basement burst; simulation checking; recharge surrounding the foundation pit

2017-01-13；

2017-03-19

時鐘，男，漢族，1984年生，常德沅江隧道項目總工程師，土工工程、工商管理雙學位，長期從事城市軌道交通及其他大型市政工程的技術(shù)管理工作，湖南省常德市鼎城區(qū)隆陽路396號，175583374@qq.com。

U455.49

A

1672-7428(2017)05-0078-06