黏土含砂姜地層和基巖裂隙中基坑降水設(shè)計(jì)

鮑青林

（中鐵十七局集團(tuán)上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

1 工程背景

1.1 工程概況

徐州市城市軌道交通6號(hào)線一期工程為一條反“L”形軌道交通線路。工程起點(diǎn)為黃山路與湘江路交叉口的黃山路站，途經(jīng)銅山區(qū)、云龍區(qū)與開(kāi)發(fā)區(qū)，聯(lián)系了銅山新區(qū)、新城區(qū)及高鐵東站，串聯(lián)銅山新區(qū)中心、新城行政商務(wù)中心、新城區(qū)客運(yùn)站、高鐵站等大型客流集散點(diǎn)。線路主要沿湘江路、利民路、漢風(fēng)路、云臺(tái)路敷設(shè)，終止于徐州東站東廣場(chǎng)。6號(hào)線一期工程線路全長(zhǎng)約22.912km，平均站間距1.496km，最小站間距為0.809km（徐州一中站至奧體中心北站），最大站間距為3.072km（京滬高鐵西站至大湖北站），全部為地下線，共設(shè)站16座。黃河?xùn)|路站位于黃河?xùn)|路與長(zhǎng)安路交叉口處西南象限地塊內(nèi)，沿規(guī)劃道路東西向設(shè)置，車站中心里程CK18+691.784，車站起止里程為右CK18+560.484～CK18+768.484。車站結(jié)構(gòu)形式為地下二層單柱雙跨車站，車站形式為11m島式站臺(tái)，車站長(zhǎng)度為201.0m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為19.7m，底板埋深18.4m，頂板覆土3m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為φ1000mm@1300mm鉆孔灌注支護(hù)，灌注嵌固深度入中風(fēng)化灰?guī)r2.5m，車站兩端設(shè)盾構(gòu)井。

1.2 地質(zhì)條件

黃河?xùn)|路站場(chǎng)地從上往下地層為（1）-2素填土、（2）-3a-3黏土、（5）-3a-4b含砂姜黏土、（5）-3a-4a黏土（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r?；拥装逦挥冢?1）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r。（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r鉆孔見(jiàn)洞率為66.67%，單孔線巖溶率為1.08%～31.51%，平均線巖溶率為6.55%。地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。根據(jù)本次勘察所揭示的地層情況，勘探深度內(nèi)所揭露地層從新到老詳細(xì)分述如下。

（1）-1雜填土，雜色，松散，以水泥路面、碎石、建筑垃圾為主，夾少量黏土，主要分布在1B號(hào)出入口，填齡大于10年。該層厚度為2.50m～3.80m，平均厚度為2.93m，層底標(biāo)高為28.29m～30.02m。（1）-2素填土，灰黃色，松散，以黏土和粉土為主，夾少量碎石塊和植物根系等，局部變成為混凝土路面，場(chǎng)區(qū)內(nèi)普遍分布，填齡大于10年。該層厚度為0.40m～2.30m，平均厚度為1.62m，層底標(biāo)高為28.92m～30.90m。

（2）-3a-3黏土為灰黃色～黃褐色，可塑（局部軟塑），有光澤，干強(qiáng)度中等，韌性中等。ES=8.3MPa，av=0.23MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為0.90m～3.40m，平均厚度為2.46m，層底標(biāo)高為26.60m～28.72m。

（5）-3a-4a黏土為黃褐～灰褐色，局部棕紅色，硬塑，切面平整，有光澤，含鐵錳結(jié)核，局部含鈣質(zhì)結(jié)核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，含量約3%～5%，干強(qiáng)度高，韌性高。=11.1MPa，=0.17MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為1.30m～12.90m，平均厚度為4.69m，層底標(biāo)高為9.32m～21.32m。（5）-3a-4b含砂姜黏土（鈣質(zhì)結(jié)核富集層）為黃褐～灰褐色，硬塑，切面粗糙，含鐵錳結(jié)核，含較多鈣質(zhì)結(jié)核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，部分粒徑可達(dá)10cm，含量約15%～30%，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集。干強(qiáng)度高，韌性高。=11.3MPa，=0.16MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為2.10m～8.60m，平均厚度為6.32m，層底標(biāo)高為18.92m～25.41m。

（8a）-1全風(fēng)化閃長(zhǎng)巖為灰綠色～灰黃色，巖石已風(fēng)化成砂土狀，蝕變強(qiáng)烈，手易捏碎，遇水易軟化；內(nèi)部夾大量風(fēng)化巖屑，局部偶夾風(fēng)化碎石。本次勘察僅在D6X2S4Z7號(hào)勘探孔揭露。（8a）-2強(qiáng)風(fēng)化閃長(zhǎng)巖為灰綠色～灰黃色，巖芯以碎塊狀為主，局部呈短柱狀；礦物成分以斜長(zhǎng)石、輝石、角閃石、黑云母為主；巖石風(fēng)化強(qiáng)烈，敲擊易碎，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。本次勘察僅在D6X2S4Z7號(hào)勘探孔揭露。（8a）-3中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖為灰綠色，礦物成分以斜長(zhǎng)石、輝石、角閃石、黑云母為主，巖芯呈柱狀，巖體較破碎～較完整，TCR=65%～90%，RQD=25%～60%；天然單軸抗壓強(qiáng)度：45.0MPa～53.0MPa，平均值為49.0MPa；飽和單軸抗壓強(qiáng)度=40MPa，屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ～Ⅳ級(jí)。本次勘察僅在D6X2S4G8、D6C2S4Z1號(hào)勘探孔揭露。

（11）-2-3中風(fēng)化灰?guī)r為灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯呈柱狀、局部為短柱狀、碎塊狀，錘擊聲脆且回彈，巖體較完整～完整，局部裂隙較發(fā)育，有溶蝕現(xiàn)象，=70%～95%，RQD=60%～85%；天然單軸抗壓強(qiáng)度為27.5MPa～98.8MPa，平均值為63.5MPa；飽和單軸抗壓強(qiáng)度為30.3MPa～92.9MPa，平均值為59.0MPa，屬較硬巖～堅(jiān)硬巖；巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ～Ⅲ級(jí)。（11）-2-3p中風(fēng)化灰?guī)r（破碎）為灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，巖芯破碎，呈碎石、碎塊、間夾短柱狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，方解石充填。屬較硬巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)Ⅳ～Ⅴ級(jí)。（11）-0溶洞為空洞。（11）-5溶洞為半充填，充填物主要為褐黃色可塑～硬塑黏土夾灰?guī)r碎塊。（11）-6溶洞為全充填，充填物主要為褐黃色可塑～硬塑黏土夾灰?guī)r碎塊。

1.3 水文條件

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水分為上層滯水、孔隙水（含砂姜黏土中的水）和碳酸鹽裂隙溶洞水。

弱承壓水主要賦存于含砂姜黏土層中，其含較多鈣質(zhì)結(jié)核（砂姜），≈0.5cm～4cm，滲透系數(shù)=3.0×10cm/s。該地層與地表水有一定水利聯(lián)系，基巖裂隙水基本不補(bǔ)給，穩(wěn)定水位埋深為3.10m～7.50（標(biāo)高23.67～28.33）m。承壓水主要為基巖裂隙水，滲透系數(shù)=8.44×10cm/s，雨季與旱季水位年變幅5.0m～10.0m。施工期間最淺水位埋深9.5m，標(biāo)高21.51m，水位位于結(jié)構(gòu)底板以上，對(duì)施工影響較大。主要賦存賦存于奧陶系灰?guī)r中，具有承壓性，隔水頂板為（5）-3a-4a黏土層。碳酸鹽巖裂隙溶洞水補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水入滲補(bǔ)給和側(cè)向徑流補(bǔ)給；徑流在丘陵區(qū)受地形控制，由高處流向地處平原區(qū)，但在平原區(qū)受人工開(kāi)采影響，巖溶水表現(xiàn)為由四周流向開(kāi)采降落漏斗中心的匯流型徑流，水力梯度較大；排泄以人工開(kāi)采為主。地下水動(dòng)態(tài)一般每年雨季降水高峰期后1～2個(gè)月（8、9月）巖溶水達(dá)到最高點(diǎn)，隨后水位逐漸下降，至次年旱季末（4、5月）水位下降至最低點(diǎn)，年變幅5m～10m。詳勘抽水試驗(yàn)結(jié)論如下。建立抽水試驗(yàn)概念模型為承壓非完整井穩(wěn)定流抽水，基巖含水層頂板埋深約16.40m～17.10m，承壓水頭高度約為7.00m～8.10m，綜合建議黃河?xùn)|路站⑾-2-3層石灰?guī)r含水層滲透系數(shù)取7.29m/d。

1.4 地基土物理特征參數(shù)表

擬建場(chǎng)地地基土層相關(guān)力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地基土主要物理特性參數(shù)表

1.5 周邊環(huán)境情況

黃河?xùn)|路站位于黃河?xùn)|路與長(zhǎng)安路交叉口處西南象限地塊內(nèi)，沿規(guī)劃道路東西向設(shè)置，基坑?xùn)|側(cè)為南北向布設(shè)的城市主干道長(zhǎng)安路為雙向6車道，主干道兩側(cè)各設(shè)置1處8m的輔道，黃河?xùn)|路站東側(cè)25m處有一座220kV沙七線電力鐵塔，基礎(chǔ)為鋼筋混凝土擴(kuò)大基礎(chǔ)；長(zhǎng)安路上敷設(shè)有DN400給水管、DN200給水管、DN400燃?xì)夤?、DN200燃?xì)夤堋⑼ㄐ殴饫|、DN600雨水管等；附屬結(jié)構(gòu)北側(cè)分布有寬度為5m、深度為2.5m的石砌蓋板結(jié)構(gòu)雨水暗渠，連接?xùn)|風(fēng)河與奎河，便于東風(fēng)河汛期往奎河泄壓；車站西側(cè)和南北均無(wú)建構(gòu)筑物；黃河?xùn)|路站周邊有兩條河流分別為東風(fēng)河和奎河；黃河?xùn)|路車站周邊環(huán)境整體較好。

2 降水設(shè)計(jì)

2.1 坑內(nèi)疏干井設(shè)計(jì)

黃河?xùn)|路站止水帷幕施工工藝采用三軸攪拌樁，該止水帷幕設(shè)計(jì)思路為嵌入（5）-3a-4a黏土隔水層但未穿透，隔斷的土層主要有（5）-3a-4b含砂姜黏土以上土層，所以基坑內(nèi)降水總體思路為疏干基坑內(nèi)（5）-3a-4b含砂姜黏土層中的弱承壓水，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)井管采用直徑400mm的井管時(shí)，有效降水面積為300m，車站基坑面積4088 m，得出基坑內(nèi)設(shè)置15口疏干井。

2.2 坑內(nèi)泄壓井設(shè)計(jì)

根據(jù)該工程地層，基坑底板開(kāi)挖至（11）-2-3層中風(fēng)化石灰?guī)r中，采用降水井結(jié)合明排進(jìn)行降水。針對(duì)結(jié)構(gòu)抗浮措施，采用開(kāi)挖至基底后，探明基巖裂隙水后，預(yù)埋直徑為400 mm鋼管，根據(jù)抗浮驗(yàn)算，每段底板設(shè)置1口泄壓井，滿足抗浮要求后進(jìn)行封井。

2.3 坑外減壓井設(shè)計(jì)

考慮到止水帷幕未有效隔斷（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r裂隙水，又考慮到基坑內(nèi)（5）-3a-4a黏土層為基巖裂隙水隔水層不能被破壞，所以采用坑外減壓降水設(shè)計(jì)；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)基底（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r滲透系數(shù)=8.44×12，根據(jù)減壓井降水能力驗(yàn)算，基坑外共設(shè)置16口。

該車站承壓水主要碳酸鹽巖裂隙溶洞水，施工期間水位降至底板開(kāi)挖面以下0.5m?？拥卓?jié)B流穩(wěn)定性可按式（1）驗(yàn)算，如圖1所示。

圖1 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖

式中：P—承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；P—初始狀態(tài)下（未減壓降水時(shí)）承壓水的頂托力，kPa；h—承壓含水層頂面至基底面間各土層的厚度，m；γ—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m；—高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；γ—水的重度，工程上一般取10，kN/m；F—安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范該工程取1.10。

對(duì)車站進(jìn)行承壓水突涌計(jì)算見(jiàn)表2。

表2 承壓含水層抗?jié)B流穩(wěn)定性驗(yàn)算表

對(duì)明挖基坑工程采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）附錄E中承壓水非完整井公式來(lái)估算基坑降水的涌水量，基坑涌水量估算見(jiàn)表3，計(jì)算公式如下。

表3 基坑涌水量估算表

單井出水能力按公式（3）計(jì)算，需要降壓井?dāng)?shù)量=1.1/。 （3）

式中：r為過(guò)濾器半徑；取0.1625m，為過(guò)濾器進(jìn)水長(zhǎng)度，取2.0m；?。?1）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r的滲透系數(shù)7.29 m/d?？紤]到承壓水為非均一性，還需確保每個(gè)降壓井的單井承壓水出水量不至于過(guò)大，造成降水、封井困難，降壓井?dāng)?shù)量計(jì)算見(jiàn)表4。

表4 降壓井?dāng)?shù)量計(jì)算表

降壓井深度可按式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：為井點(diǎn)管埋設(shè)深度（m）；為基坑深度；為降水后水面距基坑底的深度（m），取0.5m；為基坑等效半徑（m），取36 m；為過(guò)濾器工作部分長(zhǎng)度（m），取2.0 m；為沉砂管長(zhǎng)度，取1.0 m。

2.4 降水井結(jié)構(gòu)

止水帷幕已完成隔斷（5）-3a-4b含砂姜黏土層，（5）-3a-4b含砂姜黏土弱承壓水層與上部滯水一起疏干考慮，疏干井深度不穿透（5）-3a-4a黏土隔水層。疏干井深度隨著（5）-3a-4a黏土隔水層的變化而變化，疏干井深度11～13m；機(jī)械成孔直徑0.6m，下管直徑0.4m；管井采用鋼管，壁厚3mm，過(guò)濾器采用“橋式管”，沉淀管為1.0m。

（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r裂隙水主要來(lái)源于基巖發(fā)育裂隙中，結(jié)合（11）-2-3中風(fēng)化石灰?guī)r頂部高程不同，減壓井深度為23.8m～25.4m；機(jī)械成孔直徑0.6m，下管直徑0.325m；管材采用鋼管，壁厚3mm，過(guò)濾器采用“橋式管”，沉淀管1.0m。

坑外觀測(cè)孔共設(shè)置16孔，均勻布設(shè)在坑外，采用55PVC井管（與車站監(jiān)測(cè)共用），深度與基坑底部同深，觀測(cè)孔深度為16.6m～18.3m。

3 結(jié)語(yǔ)

施工結(jié)果證明：1）基坑內(nèi)只設(shè)置疏干井可以隨著基坑開(kāi)挖的進(jìn)行，井口的高度隨基坑土的高度下降而下降，基坑內(nèi)施工作業(yè)面干擾小。2）基坑內(nèi)設(shè)置疏干井，對(duì)（5）-3a-4a黏土隔水層及以上土層疏干效果較好。3）減壓井在基坑外設(shè)置既不影響車站結(jié)構(gòu)施工，又能降低施工成本。4）坑外減壓井一直可以無(wú)干擾地運(yùn)營(yíng)到車站結(jié)構(gòu)具備抗浮要求后，進(jìn)行封井處理。