南京長江第五大橋夾江隧道明挖段基坑深降水設計

吳奎

Deep Foundation Pit Dewatering Design in the Excavation Section of Jiajiang Tunnel at Nanjing Yangtze River Bridge No.5

摘要： 以南京長江第五大橋夾江隧道明挖段基坑降水為工程背景，針對南京長江漫灘地區(qū)上部粘性土層為軟土層與硬土成互層結構，在軟土層中夾有粉細砂層透鏡體，下部砂層的厚度較大（3～40m），為承壓含水層等特點，采用Visual MODFLOW軟件建立多層含水層地下水模型，提出了合理的深基坑降水方案。

Abstract： The engineering background is the excavation section of the Jiajiang tunnel in the Nanjing Yangtze River Bridge No.5. The upper clay soil layer in the Yangtze River floodplain area in Nanjing is an interbedded layer of soft soil and hard soil， with fine powder in the soft soil layer. Sand lens body， the thickness of the lower sand layer （3 ～ 40m）， is a confined aquifer and other characteristics， the use of Visual MODFLOW software to establish a multi-layer aquifer groundwater model， put forward a reasonable deep-pit dewatering program.

關鍵詞： 深基坑降水；Visual MODFLOW；長江漫灘

Key words： deep foundation pit dewatering；Visual MODFLOW；the Yangtze River floodplain

中圖分類號：U445.55 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0129-03

0 引言

深基坑降水對于沿海、沿江等大城市來說是一個很重要的問題。以往有很多由于降水設計不當而導致深基坑失穩(wěn)工程案例。我國長江中下游沿岸城市，地基呈典型的二元結構，上部由粘性土層組成，有透水性弱、力學強度低的特點，下部由砂、礫、卵石層構成，有強度高、透水性強的特點。在兩層結構之間，會出現(xiàn)厚度不一的粉砂過渡層，抗?jié)B強度極低。由于這種土層結構和該地區(qū)地下水分布的特點，更增加了地下工程的支護設計與施工的難度。對于深基坑來說，制定比較合理的降水方案是保證施工安全順利進行的前提。

1 工程概況

南京長江第五大橋夾江隧道明挖段基坑長536m，寬11.5～66.1m，基坑深度2～25.6m。圍護結構采用放坡開挖、重力式水泥擋土墻、SMW工法樁及地連墻形式，主體結構為箱型框架結構，明挖順作法施工?；游挥谀暇┦薪闹拗揞^，地層主要以粉質(zhì)粘土②1、粉砂②3、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土②2為主，總體上空間分布較穩(wěn)定?；釉O置三道止水帷幕，將主線隧道分為4個區(qū)；主線與匝道間設置封堵樁，將A、B匝道分為2個區(qū)。依照基坑設計分區(qū)思路，借助數(shù)值模擬技術進行減壓降水設計分析。其中1區(qū)里程為K9+070～K9+141，2區(qū)里程為K8+988～K9+070，3區(qū)里程為K8+988～K8+880，4區(qū)里程為K8+880～K8+580[1]-[4]。（圖1-圖2）

2 數(shù)學模型的建立與求解

2.1 滲流基本理論

求解地下水運動問題，可以利用下述地下水流連續(xù)性方程及其定解條件式來描述地下水的三維非穩(wěn)定滲流規(guī)律。根據(jù)場地地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，建立了下列與之相適應的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學模型：

其中；E=S 承壓含水層Sy 潛水含水層；T=M 承壓含水層B 潛水含水層；

式中：Kxx，Kyy和Kzz為平行于主軸x，y和z方向的滲透系數(shù)（L/T）；W為單位體積流量，用以代表流進或流出的源匯項（m3/d）；h為點（x，y，z）在t時刻的水位（m）；SS為儲水率（l/m）；S為貯水系數(shù)；Sy為給水度；M為承壓含水層厚度（m）；B為潛水含水層厚度（m）[5]-[9]。

2.2 模擬建立

根據(jù)已有的巖土工程勘察報告、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。為了克服邊界的不確定性對計算結果造成的影響，其余各邊向外擴展約500m人為設定為定水頭補給邊界，即模擬區(qū)范圍為1450m×1060m。剖面上，利用勘探鉆孔資料，將場區(qū)在垂向上概化為4個模擬層，見圖3。

第1層：上部②2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、②3粉砂組成的潛水含水層；

第2層：中間②2、③4粉質(zhì)粘土組成的相對隔水層；

第3層：③1、③2、③3、④2、④3組成的承壓含水層，局部存在③4粉質(zhì)粘土透鏡體；

第4層：⑤1強風化、⑤2中風化組成的基巖裂隙含水層。

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），結合南京長江漫灘地區(qū)眾多工程降水資料，粉細砂、粉砂地層的垂向滲透系數(shù)約為水平方向的1/2～1/4倍。本次結合周邊降水工程資料、地層經(jīng)驗參數(shù)、地勘資料等，充分考慮地層的各向異性，模型參數(shù)取值見表1。

3 模型結果與降水井優(yōu)化布置

根據(jù)數(shù)值模擬結果對深基坑進行降水井設計，方案如下：

①K9+070～K9+141 安全水位標高-7.21～-9.07m，水位降深約12～14m，圍護結構進入基巖風化層，理論上屬“封閉式降水”?；觾?nèi)承壓水位降至安全水位時，涌水量約為3600m3/d，該處承壓含水層厚度薄，且受地下連續(xù)墻影響，單井出水量約為720m3/d，共布置6口降壓井（含1口觀測兼?zhèn)溆镁油馑幌陆导s2.0m。

②K8+988～K9+070安全水位標高2.13～-2.07m，水位降深約3～7m，圍護結構進入承壓含水層深度小，繞流阻水作用不明顯，屬“敞開式降水”。基坑內(nèi)承壓水位降至安全水位時（-2.0m），總涌水量約7200m3/d，布置8口降壓井（含2口觀測備用井），單井涌水量約1200m3/d，因該段地連墻進入下部承壓含水層深度小，坑內(nèi)外水位差較小。

③K8+988～K8+880主要降低③1、③2層水位，下部③3層水位降深小，可利用K8+988～K9+070降壓井進行降水，不再布置降壓井進入③3層；③1、③2層安全水位標高-1.19～-4.39m，水位降深6.2～9.4m，圍護結構進入③1、③2層下部的③4粉質(zhì)粘土隔水層中，屬“封閉式降水”。經(jīng)過模型計算，基坑內(nèi)承壓水位降至安全水位時，總涌水量約1440m3/d，坑外水位降至標高3.6m，降深約1.4m。該段③1、③2層厚度小，且圍護結構全封閉，單井出水量約360m3/d，共布置6口降壓井。

④K8+880～K8+580因圍護結構進入承壓含水層深度小，屬“敞開式降水”，同時下部③4層粉質(zhì)粘土缺失，承壓含水層厚度變大。安全水位標高最低約-1.45m（泵房處，降深約6.45m），主線在封堵墻處降深最大，降至標高-1.19m，考慮到主線隧道泵房與B匝道泵房相距較近，將其與B匝道泵房共同設計。經(jīng)過模型計算，基坑內(nèi)承壓水位降至安全水位時，總涌水量約4560m3/d，坑外水位降至標高-1.5m，降深約6.5m。單井出水量約720m3/d，共布置6口降壓井。

⑤A、B匝道除泵房外，僅與主線相接處承壓水位降深較大，降壓井主要圍繞泵房布置，因圍護進入含水層厚度小，屬于敞開式降水。主線隧道泵房處安全水位標高-1.45m、B匝道泵房處安全水位標高約-0.2m、A匝道泵房處安全水位標高約-0.71m。B匝道與主線隧道泵房基坑內(nèi)承壓水位降至安全水位時，總涌水量約8640m3/d，單井出水量約為960m3/d，共布置11口降壓井（含2口觀測備用井）。A匝道基坑內(nèi)承壓水位降至安全水位時，總涌水量約5760m3/d，單井出水量約為960m3/d，共布置7口降壓井（含1口觀測兼?zhèn)溆镁?/p>

⑥梅子洲盾構始發(fā)采用凍結法+加固，考慮到下部存在承壓含水層，為防止盾構始發(fā)過程中發(fā)生承壓水突涌，本次需將承壓水位降至安全水位以下（標高-3.0m），水位降深約8m。經(jīng)過模型分析計算，水位降至安全水位時，總涌水量約14000m3/d，單井出水量約1200m3/d，共布置14口降壓井（含3口觀測備用井），大堤處水位降深約1.0m。

4 結論

①地連墻成槽階段，地下水位僅降低至導墻頂以下1.5m，且抽取的為承壓水，水位降深小，處于年變動幅度內(nèi)，基本不引起地面沉降。

②基坑開挖階段，圍護結構隔斷了上部潛水含水層，疏干降水對坑外水位幾乎無影響，因此，疏干降水基本不引起地面沉降；但需防止由于圍護漏水造成坑外泥沙流失，引起施工便道的不均勻下沉。

③承壓含水層埋深大，與上部潛水含水層之間存在明顯的隔水層，減壓降水過程中，對潛水位無影響，不會引起上部地層沉降；同時，承壓含水層降低的僅僅為承壓水頭，水位仍位于含水層頂板以上，理論上不產(chǎn)生壓縮固結，且承壓含水層Es≈14MPa，屬低壓縮性土。

④場地周邊環(huán)境相對簡單，主要為公園、農(nóng)田及荒地，對沉降控制要求不高。且減壓降水過程中，降落漏斗平緩，即使發(fā)生沉降，主要為均勻沉降，不具備破壞性。

⑤從最不利角度考慮，坑外水位降深最大的階段發(fā)生在盾構始發(fā)階段，坑外最大承壓水位降深約8.0m，預測最大地面沉降量約90mm；100m外水位下降約5m，預測地面沉降量約39mm；200m外水位下降3m，預測沉降量約14mm，不均勻沉降量小。而大堤處水位降深僅為1.0m，預估最大沉降量約1.5mm，同時大堤為柔性構筑物，因此，降水對大堤的影響可忽略不計。

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