強透水砂卵地層深基坑地下水控制方案比選與優(yōu)化設(shè)計

劉勝利，蔣盛鋼，曹成勇

強透水砂卵地層深基坑地下水控制方案比選與優(yōu)化設(shè)計

劉勝利1，蔣盛鋼1，曹成勇2

(1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010； 2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

以福州地鐵2號線水部站工程為依托，針對強透水砂卵地層深基坑地下水控制問題，首先初步擬定隔水法(落底式止水帷幕、深層水平加固)、降水法以及隔、降組合法(懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水)等多種不同的地下水控制方案，通過對各方案的施工風(fēng)險、環(huán)境影響、工程造價等比選，最終確定采用隔、降組合(懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水)的地下水控制方案。隨后，通過對基坑坑底進行抗突涌驗算，確定水部站底部承壓水安全水位降深以及相應(yīng)的疏干井和降壓井的布置方案；進一步采用數(shù)值計算方法對止水帷幕作用下坑內(nèi)降壓井的穩(wěn)定抽水流量、坑外水位降深以及地表沉降進行了預(yù)測，研究結(jié)果表明：該方案下車站基坑周邊地面沉降值為13~22 mm，由此說明，止水帷幕的作用效果明顯，且能較好地控制周邊地面沉降。

強透水；砂卵地層；方案比選；懸掛式止水帷幕；降水設(shè)計

沿海城市地下水位埋深較淺，地層滲透性強，含水層層厚較大，地下工程建設(shè)往往會受到地下水的困擾，對于強透水砂卵地層地鐵車站深基坑而言，為了施工區(qū)域保持一個干燥的環(huán)境，防止基坑開挖過程中出現(xiàn)的流砂、管涌等現(xiàn)象以及保證基坑開挖過程安全性，因此，一般需要采用工程措施控制基坑周邊地下水。若采用傳統(tǒng)的敞開式降水方案時，難以將基坑內(nèi)部水位降至安全水位以下，且降水容易造成周邊地下水流失過多，引發(fā)基坑外部水位大幅下降，而沿海地區(qū)地下淺層分布著大量的淤泥等軟土層，地下水水位下降易造成土體有效應(yīng)力增加，從而引發(fā)周邊建筑物和管線大規(guī)模沉降，施工風(fēng)險較大[1?3]。因此，高富水深基坑施工地下水的控制，成為沿海(江)地區(qū)地鐵車站施工亟待解決的現(xiàn)實難題[4?7]。對于高富水砂卵地層深基坑地下水控制問題，現(xiàn)常用的方法有隔水法、降水法及隔、降水組合的方式，為合理預(yù)測基坑的涌水量和降水造成的水位變化及其引發(fā)的土體沉降，降水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測成為深基坑降水設(shè)計中的重要手段。袁斌等[8]針對富水砂礫潛水含水層中的深基坑降水問題，以沈陽某地鐵車站基坑降水工程為依托，采用數(shù)值模擬的方法，對比分析止水帷幕存在與否對降水的影響，結(jié)果表明，止水帷幕的存在能夠很大程度減小基坑總抽水量及坑外的地表沉降。游洋等[9]針對長江臨岸基坑且場地為二元承壓含水層結(jié)構(gòu)的基坑，布置不同深度圍護及止水方案，并采用有限差分?jǐn)?shù)值模擬出不同方案的坑外水位變化，最終根據(jù)模擬結(jié)果確定各含水層之間的水力聯(lián)系并制定了相應(yīng)的降水方案。周念清等[10]以上海地鐵11號徐家匯站為背景，采用三維有限差分對降水過程進行模擬，預(yù)測基坑周邊地層水位變化和沉降，預(yù)測值與實際值差別較小，表明降水設(shè)計方案能夠很好的控制沉降值。WANG等[11]以東方漁人碼頭的大型深基坑工程為例，基于現(xiàn)場單井、群井抽水試驗數(shù)據(jù)，采用數(shù)值手段對降水引發(fā)的坑內(nèi)外水位變化進行分析，并提出坑外人工回灌水等優(yōu)化措施?？v觀上述研究成果發(fā)現(xiàn)，目前，大多數(shù)研究針對軟土層或是小層厚砂層中的基坑降水問題，而對于福州地區(qū)深厚砂卵地層的承壓含水層的深基坑降水卻鮮有研究。福州市區(qū)處于兩江交匯處，部分車站下部地層為深度達30~40 m的砂卵石承壓水層，滲透系數(shù)極大且止水帷幕難以隔斷，此類地層由于水力補給強勁，地下水控制難度更大。本文以福州地鐵2號線水部站為例，通過數(shù)值模擬分析，提出可行的深基坑地下水控制方案，為福州地區(qū)類似深基坑工程設(shè)計提供建議與參考。

1 工程概況

福州地鐵2號線水部站位于福州市鼓樓區(qū)，東西向布置于古田路。車站為地下2層島式車站，總長169.6 m，寬19.7 m，車站中心基坑深度16.46 m，頂板覆土深度3.15 m。主體圍護結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻和車站外墻形成的復(fù)合墻結(jié)構(gòu)，其中地下連續(xù)墻墻厚達800 mm，該站結(jié)合交通組織采用半蓋挖順筑法施工，給上部路面留有通行空間。

水部站現(xiàn)場場地各巖土分層由上至下依次為：①2雜填土、②4?1淤泥、②4?4淤泥夾砂、③3(含泥)粗中砂、③1?1粉質(zhì)黏土、③8卵石和⑦1花崗巖，如圖1所示。場地的地下水主要包含上層滯水和承壓水2種類型，上層滯水主要分布于人工填土層中，其與下部的水力聯(lián)系被不透水的淤泥隔斷，對地下工程的影響較小。承壓水則主要分布第四系松散沉積物如淤泥夾砂層、粗中砂層、卵石層中，各承壓含水層之間具有緊密的水力聯(lián)系。各地層的具體參數(shù)，見表1所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

表1 土體物理力學(xué)參數(shù)

2 地下水控制方案比選

2.1 地下水控制方案制定

在透水性較強的地層中進行地下工程的施工，對于現(xiàn)場地下水的控制，主要有降水法、隔水法以及降、隔水組合的方式。對于水部站基坑現(xiàn)場地質(zhì)情況，分別擬定下列地下水控制方案。

2.1.1 隔水方案

當(dāng)基坑降水會造成大范圍地下水位下降，對周邊地層的建筑、建筑物管線等造成危害時，可采用隔水法控制地下水以減少降水引發(fā)的環(huán)境問題。隔水法由阻隔形式的差異性可分為落底式豎向止水帷幕隔水和基坑坑底水平加固隔水。落底式豎向止水帷幕隔水即采用地下連續(xù)墻、水泥土樁等止水帷幕穿透承壓含水層，嵌入不透水層，從而隔斷基坑內(nèi)外承壓含水層間的水力聯(lián)系，基坑內(nèi)部再采用疏干井進行降水疏干。基坑坑底水平加固隔水則是采用高壓旋噴樁、深層攪拌樁等加固方式，提高底部土體的抗?jié)B透性、抗剪強度、重度等，阻隔地下水滲入坑內(nèi)并抵抗承壓層水頭壓力的作用。隔水方案示意圖見圖2(a)和圖(b)。

2.1.2 降水方案

深基坑地下水控制中的降水法即通過在基坑內(nèi)部或外側(cè)設(shè)置管井、噴射井點等降水井，抽取相應(yīng)層位的潛水或承壓水，使基坑坑內(nèi)土體水位下降至底板以下、坑底以下土體的水頭壓力處于抗突涌安全水位以下，以保持開挖面的干燥狀態(tài)和坑底的穩(wěn)定性。水部站在進行正式開挖前事先施作了地連墻作為圍護結(jié)構(gòu)，配筋地連墻的埋深達31.5 m，墻體嵌入承壓含水砂層接近一半的深度。在此情況下，基坑底板上部的潛水只能在基坑內(nèi)部設(shè)立疏干井進行疏干降水，保證開挖環(huán)境的干燥；而對于坑底以下承壓含水層的降壓若采用坑外降壓，由于地層的高滲透性，必然造成坑外地下水的大量流失，影響周邊建筑環(huán)境，故此處僅考慮坑內(nèi)降壓的方式，為防止外界地下水過量流失，還需設(shè)置人工回灌井對坑外地下水進行補充，其方案示意圖見 圖2(c)。

2.1.3 隔、降水組合方式

由于深基坑部分區(qū)域不透水基巖埋藏過深，若將豎向止水帷幕嵌入基巖的施工難度和投資均難以承受，此時，采用懸掛式止水帷幕加基坑坑內(nèi)降水的方式可作為地下水控制方法的選擇之一。懸掛式止水帷幕的阻隔作用可延長坑外地下水進入坑內(nèi)的滲流路徑、減少地下水進入基坑的過流斷面，并且在打入止水帷幕后，基坑附近地下水由橫向滲流轉(zhuǎn)為豎向、橫向組成的三維滲流，承壓含水層由于地層的不均質(zhì)性往往豎向滲透系數(shù)要小于橫向的滲透性，故止水帷幕的存在可充分利用地層豎向抗?jié)B性。在3類作用的疊加下，此方案可減少基坑涌水量、控制周邊地下水位的過度下降。具體的方案圖見圖2(d)。

2.2 地下水控制方案比選

根據(jù)工程特點以及工程地勘資料，初步擬定水部站地下水控制方案，并分析各方案的優(yōu)劣性，如表2所示。由表2可知，隔水方案成功的關(guān)鍵在于隔水結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制；而降水方案則對于降水的控制要求較高，過度的抽水以及未及時人工回灌，都會引發(fā)大規(guī)模的沉降，影響周邊環(huán)境。隔水方案在保證施工質(zhì)量的前提下，能很好的控制坑內(nèi)外的地下水，且坑內(nèi)也布置了降壓井、疏干井，進一步減少了風(fēng)險，但地下水控制造價需提高；降水方案的風(fēng)險則要大于隔水方案，地下水位的控制難度較大，且降水過程還需保證電源設(shè)備的穩(wěn)定性，但相應(yīng)造價較小。綜合上述優(yōu)缺點，工程現(xiàn)場選擇了一個折中的方法，即隔、降組合方案(懸掛式止水帷幕+基坑坑內(nèi)降水)，既能將風(fēng)險保持在可控范圍內(nèi)，又能減少造價。

(a)落底式豎向止水帷幕隔水；(b)基坑坑底水平加固隔水；(c)基坑坑內(nèi)降水法；(d)懸掛式止水帷幕加坑內(nèi)降水

表2 地下水控制方案比選

3 深基坑降水?dāng)?shù)值模擬

3.1 降水方案設(shè)計

3.1.1 止水帷幕設(shè)計

保證基坑結(jié)構(gòu)安全所需的鋼筋地下連續(xù)墻深為31.5 m，墻厚達0.8 m。承壓砂層下部分布著分散的粉質(zhì)黏土。在隔水設(shè)計中，利用黏土的不透水性，將地連墻墻槽加深到粉質(zhì)黏土層內(nèi)，在鋼筋地連墻下部填充10.5 m的素墻，地連墻總深度達42 m，墻趾部分嵌入粉質(zhì)黏土層內(nèi)，以減小坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。但粉質(zhì)黏土層并非均勻的一層，故無法做到完全隔水，故可將此時的地連墻視為懸掛式止水帷幕，止水帷幕布置，如圖3所示。

圖3 止水帷幕設(shè)計

3.1.2 基坑坑內(nèi)降水方案設(shè)計

1) 潛水含水層降水設(shè)計

潛水層為②4?1深灰色淤泥層，該層土含水量高、孔隙比大，土質(zhì)軟弱，高壓縮性，具有高靈敏度、低強度的特點。若不采取措施降低土層含水量，將造成開挖面軟弱、積水不良現(xiàn)象，影響開挖面上的施工。因此，采用圍護明挖施工時，需布設(shè)若干疏干井，及時疏干開挖范圍內(nèi)土層中重力含水量，保證基坑干開挖的順利進行。根據(jù)本工程的土層情況，降水工程單井有效抽水面積取為200 m2，基坑總面積3 184 m2，則可布置16口井。具體井位布置情況，如圖4所示。

2) 承壓含水層降壓設(shè)計

對于本工程，對基坑開挖造成主要影響的承壓含水層為②4?4淤泥夾砂層和③3粗中砂層。在基坑開挖過程中，隨著開挖深度的增加，承壓水上覆土壓力變小，當(dāng)承壓水頂托力大于上覆土壓力時，承壓水突涌將成為基坑開挖過程中最大的風(fēng)險之一。針對②4?4層，由于基坑開挖已經(jīng)揭露②4?4層，對 ②4?4層進行直接疏干，針對③3層，經(jīng)過抗突涌驗算，本基坑需要針對該層進行減壓降水?；拥装蹇雇挥堪踩阅芸梢杂煽雇挥框炈愎酱_定[12]：

式中：s為承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；w為初始狀態(tài)下承壓水的頂托力，kPa；i為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，m；si承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m3；為高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度；w為水的重度(一般取10 kN/m3)；s為安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取1.1[12]。工程具體的驗算表，如表3所示。

考慮到降壓井的水泵要遠(yuǎn)大于疏干井中水泵的抽水能力，擬定其有效降水面積為疏干井的2倍，故降壓井的數(shù)量設(shè)為疏干井的一半，降壓井的布置，如圖4所示。

圖4 水部站基坑降水井布置

3.2 現(xiàn)場降水方案數(shù)值模擬

為了預(yù)測降水方案的可行性，以下建立有限差分方法數(shù)值模型，進一步分析基坑降水效果。

3.2.1 現(xiàn)場降水模型范圍及邊界條件

承壓含水層的有效影響半徑可按下式進行估 算[13?14]：

式中：為承壓水層綜合滲透系數(shù)；為基坑內(nèi)部承壓水安全水位降深，相應(yīng)的降深值見現(xiàn)場主體基坑抗突涌穩(wěn)定性驗算表。由表3可知，最大降深值max為東端頭井內(nèi)部的承壓層位，降深值為7.53 m，粗中砂層的滲透系數(shù)取19.7 m/d，根據(jù)式(2)計算得到降水影響半徑334 m，為減小模型邊界的影響，總計算區(qū)域為1 000 m×1 000 m×60 m。模型邊界設(shè)定相應(yīng)的定水頭邊界模擬水位補給，降水模型區(qū)域網(wǎng)格劃分，如圖5所示。

3.2.2 懸掛式止水帷幕下基坑降水效果分析

在極限狀態(tài)下，設(shè)定抽水的總時間為30 d，對數(shù)值模型抽水量進行試調(diào)以維持坑內(nèi)承壓水處于抗突涌的安全水位，對比分析底部素墻施作與否2種方案在東倉、西倉保持安全水位的前提下的基坑周邊水位。

圖5 離散模型網(wǎng)格三維劃分

不同方案下降壓井抽水流量，如表4所示。不同方案下，降壓井作用下的基坑內(nèi)外承壓砂層水位降深分別如圖6~7所示。從表4及圖6~7中可以 看出：

1) 達到相同降深條件下，懸掛式止水帷幕的阻隔作用可大大減少坑內(nèi)的抽水量，減少對地下水的抽取，降低施工風(fēng)險。

2) 對于未施作素墻的情況下采用降水方案，在維持坑內(nèi)粗中砂層處于安全水位時，坑外最大水位降深達到了5.5 m左右，坑內(nèi)外水位降深差僅1~2 m，降水對周邊環(huán)境的影響過大。

3) 當(dāng)施作下部素墻形成懸掛式止水帷幕阻隔后，在維持相同坑內(nèi)水位降深情況下，坑外水位降深下降至2.6 m，坑內(nèi)外水位降深差達到3~4 m。

因此，止水帷幕的阻隔作用能夠的降低降水對周邊環(huán)境的影響，且在極限降壓條件下，懸掛式止水帷幕下的坑內(nèi)降水方案能夠很好地坑外水位降深，減少施工對周邊環(huán)境的影響。

表4 不同方案下降壓井抽水流量

單位：m

(a)淤泥夾砂層水位降深預(yù)測值；(b) 粗中砂層水位降深預(yù)測值

3.3 水部站周邊沉降預(yù)測

在懸掛式止水帷幕下基坑降水水位預(yù)測的基礎(chǔ)上，進一步對該降水方案造成的周邊地層沉降進行預(yù)測。有限差分模型中的沉降計算原理是采用兩步法計算[15]，即先計算含水層單元水頭變化，后根據(jù)線彈性沉降模型計算每層計算單元層的變形值。此處假設(shè)地面沉降值為各層變形的線性疊加，地層沉降計算結(jié)果，如圖8所示。基坑周邊主要建筑位置的地層沉降值如表5所示。

由圖8及表5結(jié)果看出，懸掛式止水帷幕下的基坑坑內(nèi)降水引發(fā)的沉降在基坑周邊形成一個圍繞基坑中心的沉降漏斗，且基坑北側(cè)的地層沉降值更大。承壓砂層的沉降造成的坑外地面最大沉降值為23 mm，其中周邊主要建筑地表沉降最大處為基坑北側(cè)迅榮地產(chǎn)大廈，模擬預(yù)測的地表沉降接近21.8 mm，容許最大沉降值為30 mm，沉降值在安全合理范圍內(nèi)。但是，降水過程需重點關(guān)注其沉降，必要時需采取補救措施。

表5 降水30 d觀測點沉降值

(a)淤泥夾砂層沉降預(yù)測值；(b)粗中砂層沉降預(yù)測值；(c)地表沉降預(yù)測值

4 結(jié)論

1) 針對水部站的工程特點與水文地質(zhì)情況，提出落底式止水帷幕止水、深層水平加固止水、基坑坑內(nèi)降水、懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水的聯(lián)合降水方式，通過對施工風(fēng)險及難度、坑外影響、造價等進行比選分析，最終確定采用懸掛式止水帷幕+坑內(nèi)降水的方案，即止水帷幕為厚度0.8 m，深度31.5 m的鋼筋地連墻加10.5 m的素地連墻。

2) 采用數(shù)值模擬方法，對比分析施作素墻前后極限降水30 d時坑內(nèi)外的水位分布。當(dāng)控制坑內(nèi)的承壓水位在安全水位以下，預(yù)測懸掛式止水帷幕方案的坑內(nèi)各降壓井的抽水量分別為500，450，150，150，150，150，500和550 m3/d，坑內(nèi)降壓造成坑外的水位最大降深為2.6 m，結(jié)果表明采用懸掛式止水帷幕能夠很好地減少地下水抽取量以及控制基坑外部的水位降深值。

3) 在計算得到的水位降深的基礎(chǔ)上，運用有限差分模型兩步法對極限狀態(tài)下基坑周邊地層沉降值進行預(yù)測分析，結(jié)果表明，周邊建筑范圍內(nèi)的地面沉降值在13~22 mm范圍內(nèi)，沉降值處于合理范圍內(nèi)，表明降水方案能較好地控制沉降值?；颖眰?cè)范圍地層沉降值較大，為控制地表沉降，建議后期施工需加快施工進度，縮短抽水時間以減少地表沉降值。

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(編輯 陽麗霞)

Comparison and optimization of alternatives to groundwater control for a deep excavation in highly permeable sand and gravel

LIU Shengli1, JIANG Shenggang1, CAO Chengyong2

(1. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, Fuzhou subway line 2 Shuibu station project was taken as a case study. For the groundwater control during excavation in the highly permeable sand and gravel, different types of groundwater control schemes were worked out initially, such as cut-off water method (fully penetrating curtains and deep horizontal waterproof), dewatering method and combination of cut-off water and dewatering (partial penetrating curtains with dewatering inside the excavation). By comparing the construction risk, environmental influence and construction costs of each scheme, finally the scheme of partial penetrating curtains with dewatering inside the excavation was determined. Then, the safety drawdown of confined aquifer in the Shuibu station was also determined through the checking calculation of anti-inrush stability, and the arrangement of corresponding dredging dried wells and buck wells were designed. Finally, by numerical simulation, steady pumping rate of buck well, drawdown outside the excavation as well as the ground settlement were predicted. The results show that the settlement of surroundings is 13~22 mm, which shows that the effect of penetrating curtain is obvious, and can control the ground settlement around the excavation better.

high permeability; sand gravel strata; schemes comparison; partial penetrating curtains; dewatering design

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.12.023

TU924

A

1672 ? 7029(2018)12 ? 3189 ? 09

2018?05?11

國家自然科學(xué)基金面上資助項目(51778636)；廣州地鐵設(shè)計院股份有限公司、中交海峽建設(shè)投資發(fā)展有限公司科研項目

劉勝利(1977?)，男，安徽桐城人，高級工程師，從事地下工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作；E?mail：165429782@qq.com