大直徑過江泥水盾構隧道深基坑降水方案設計研究

尹 劍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇南京210000)

泥水盾構以其快速、安全、穩(wěn)定、適合大斷面隧道施工、對地表沉降控制精度高、無需用氣壓法施工等優(yōu)點廣泛適用于城市地鐵、水下隧道的施工[1-3]。而始發(fā)井、接收井的施工往往是盾構工程的重點難點，尤其是過江隧道，隧址區(qū)地下水位高，基坑施工過程中必須采取有力措施降低基坑水位，以防止承壓水頭過高而導致坑底滲透破壞等工程安全問題。故基坑降水方案的設計尤為重要。

國內(nèi)外學者對基坑降水技術展開了大量研究。定培中等[4]對比了多種基坑降水方法，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的降水方法都能很好的解決深大基坑的降水問題，降水施工方案的設計離不開對基坑地層參數(shù)的準確把握；游洋等[5-7]采用數(shù)值模擬的方法研究了深基坑降水技術；余小國[8]分析了深基坑降水方案設計的影響因素；駱祖江等[9]以某塔樓深基坑為依托工程，結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬，對塔樓深基坑降水的三維非穩(wěn)定滲流場和降水疏干過程進行了分析，同時借助現(xiàn)場原位測試對模型參數(shù)進行了校正，優(yōu)化了深基坑降水設計和施工方案。

綜上，國內(nèi)外學者對深基坑降水技術的研究上取得了顯著的成果，但對過江隧道高水位深基坑降水技術的研究還較少，本文以常德沅江盾構隧道接收井深基坑為例，通過實地考察，結(jié)合北岸地質(zhì)條件、基坑圍護結(jié)構特點，并參考相關基坑降水設計規(guī)范，對江北段接收井深基坑進行降水方案設計，并借助數(shù)值模擬進行驗證，研究成果可為類似工程提供參考價值。

1 工程概況

如圖1所示，沅江隧道工程是常德市一條溝通沅江南北兩岸的重要過江通道，隧道全長2 240m，采用11.75m大直徑泥水盾構由南向北施工，于江北側(cè)設置盾構接收井。江北一期基坑開挖計劃工程量30 403m3，二期基坑開挖計劃工程量26 161m3，三期基坑開挖計劃工程量4 152m3。本文主要進行江北一期基坑和二期基坑的降水方案設計。

圖1 常德沅江隧道工程總平面布置

據(jù)地勘資料，江北基坑土方開挖范圍地質(zhì)分布依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、卵石圓粒、粉細砂等，其中一期基坑范圍內(nèi)地面以下約27m位置存在一層③-2粉土，最大厚度約11m，最小厚度約7m，滲透系數(shù)小可做為基坑底部隔水層；二期基坑無相對隔水層?；拥刭|(zhì)剖面如圖2所示。

根據(jù)抽水試驗，隧址區(qū)地下水按賦存方式主要分為第四系上層滯水、圍巖孔隙水，地下水埋深為3.5～4.0m，整平路面標高為32.5m，水位標高28.5～29m。

圖2 隧道江北段工程地質(zhì)剖面

2 降水井結(jié)構設計

降水井結(jié)構設計需考慮需降水深、隧址區(qū)地下水位、地下水特點、現(xiàn)有設施等因素，借鑒以往工程案例綜合考慮后，坑內(nèi)、坑外降水井設計為：

一期坑內(nèi)降水井設計井深28m，根據(jù)開挖深度不同，基底以下分別設置6m、12m濾管；降水井泥孔徑550mm，采用φ273mm、壁厚3mm鋼管，下設1m沉淀管，濾料為瓜子石，回填濾料至濾管以上3m附近。二期坑內(nèi)降水井設計深度25m，濾管設置為12m，鋼管采用φ325mm，壁厚3mm鋼管，下設1m沉淀管，濾料為瓜子石，回填濾料至濾管以上3m附近。

沅江10年一遇枯水期最高水位標高約+34.55m，最高洪水位能達到39.86m，且地下水位與沅江水位關系密切，降水方案設計時，坑內(nèi)降水井布置按照初始水位標高+30m考慮，為防止沅江水位上漲、汛期施工或圍護結(jié)構滲漏量過大造成坑內(nèi)水位無法降至安全水位。在坑外按間距約15m，共布置24口坑外備用井，必要時啟動坑外備用井進行輔助降水?？油饩嚯x基坑外緣約5m，現(xiàn)場可根據(jù)實際情況調(diào)整，便于土方運輸及降水井管理。綜合考慮后，具體設計如圖3所示。

圖3 降水井結(jié)構設計示意

3 降水方案設計

結(jié)合北岸地質(zhì)條件、基坑圍護結(jié)構特點，并參考相關基坑降水設計規(guī)范，江北段降水設計方案為：

(1)一期基坑地下連續(xù)墻墻身，穿過③-2層粉土層，進入③-5圓礫層中；坑內(nèi)地下水補給來源主要為坑外地下水通過③-2粉土層的越流補給，降水設計充分利用地下連續(xù)墻及下部③-2粉土弱透水層的阻水作用，在坑內(nèi)布置降水井將上部含水層水位降低至基底以下1m，防止底板涌水流砂、保持底板的穩(wěn)定，同時對開挖范圍內(nèi)土體進行疏干，方便坑內(nèi)施工作業(yè)。

(2)二期基坑地下連續(xù)墻段設計為懸掛式帷幕，利用地下連續(xù)墻對地下水繞流作用，采用坑內(nèi)降水；二期圍護樁段，圍護結(jié)構進入含水層較淺，圍護結(jié)構止水繞流作用小，同時考慮便于后期維護，將降水井布置于坑外。

(3)為防止沅江水位上漲引起地下水位上升以及地下連續(xù)墻在施工過程中出現(xiàn)缺陷引起坑外地下水補給量增大導致坑內(nèi)水位無法降至設計要求，在坑外布置備用降水井，必要時開啟坑外降水井進行輔助降水。

(4)二期圍護樁段，最大開挖深度約5m，位于本次現(xiàn)場實測地下水位線附近，考慮開挖較淺、工期短，建議在枯水期快速施工，降水井布置時，適當考慮地下水位變幅的影響。

(5)基坑降水開挖過程中應密切關注，坑外水位變化，及地面沉降情況，當一、二期坑內(nèi)降水導致坑外水位下降超過沽水期低水位時，對坑外備用井進行回灌，防止粉土層沉降對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。

受基底下部弱透水層粉土③-2層影響，降水過程中基坑內(nèi)外地下水滲流十分復雜，呈為三維流，此類工程，利用JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》中的解析公式已無法適用，需借助數(shù)值法進行分析計算。數(shù)值計算可模擬不同復雜條件下的地下水流狀況，能有效解決因隔水帷幕等對地下水流動造成的影響[10]。

4 數(shù)值計算

4.1 模型參數(shù)

數(shù)值計算中地層滲透系數(shù)的取值尤為關鍵，直接關系到實際情況與數(shù)值模型的擬合度，同時影響深基坑涌水量計算結(jié)果。本文地層滲透系數(shù)取參考常德沅江詳勘報告及抽水試驗報告，如表1所示?？紤]圍護結(jié)構的滲漏，取其滲透系數(shù)為0.05m/d，根據(jù)現(xiàn)場抽水測試結(jié)果，并考慮地下水季節(jié)性變幅，設計水位為高程30m。

表1 模型參數(shù)取值

4.2 模型建立

模型采用六面體網(wǎng)格剖分，在水平方向上采用非等距矩形網(wǎng)格剖分(基坑開挖區(qū)域附近網(wǎng)格加密)，模型大小為1 000 m×1 000 m，加密區(qū)網(wǎng)格劃分為1×1，非加密區(qū)網(wǎng)格劃分為50×50；垂向上根據(jù)圍護結(jié)構深度再進行剖分，如圖3所示。圍護結(jié)構模型中，二期地連墻模型深度為28.6 m，如圖4所示。

圖4 三維模型網(wǎng)格剖分

圖5 圍護結(jié)構模型

4.3 抽水井設置

在軟件中，抽水井可設置過濾器的長度、層位、抽水量等參數(shù)，與實際降水井具有很強的對比性，模型中抽水井設置如圖5所示。其中一期基坑單井出水量取，600～800 m3/d；二期地下連續(xù)墻段單井出水量約為1 800 m3/d，二期圍護樁段降水井單井出水量取2 200 m3/d。

4.4 涌水量及水位預測

4.4.1 一期施工

一期基坑工作井段開挖底板標高約為14.0 m，水位需降至標高13.0 m，水位降深17.0 m(初始水位標高取30 m)。如圖6所示。通過模型運算分析，水位降至安全水位時，坑內(nèi)總涌水量約6 000 m3/d，坑外水位降至29.0 m，最大水位降深1.0 m，設計單井抽水量約600～800 m3/d，一期基坑施工共布置12口坑內(nèi)降水井(2口水位觀測兼?zhèn)溆镁?(圖7)。

圖6 模型中降水井概化

圖7 一期施工水位標高等值線

4.4.2 二期地下連續(xù)墻段

二期地下連續(xù)墻段水位降深最深的位置為雨水泵房附近，降水設計按水位降深最深考慮，雨水泵房處開挖底標高18.33 m，安全水位標高為17.33 m，水位降深為12.67 m(初始水位標高為30 m)。如圖8所示，通過模型計算，2期降至安全水位時二期地下連續(xù)墻段基坑涌水量為30 600 m3/d，其中坑外水位降至27 m，水位降深3 m。二期基坑單井出水量設計取1 680 m3/d(70 m3/h)，坑內(nèi)設計采用φ325 mm管材，基坑內(nèi)共需布置22口降水井(含3口備用井)。

圖8 二期地地下連續(xù)墻施工水位標高等值線

4.4.3 二期圍護樁段

二期圍護樁段安全水位標高為26.4 m(開挖底標高27.4 m)，水位降深3.6 m(初始水位標高取30 m)。如圖9所示，通過模型計算，降至安全水位時，基坑涌水量為20 800 m3/d，基坑水位等水位線圖。二期圍護樁段降水井采用φ325 mm鋼管井，單井出水量取2 160 m3/d(90 m3/h)，基坑外共需布置12口降水井(含2口備用井)。

圖9 二期地圍護樁施工水位標高等值線

5 結(jié)語

本文依托常德市沅江盾構隧道接收井作為工程背景，通過實地考察，結(jié)合北岸地質(zhì)條件、基坑圍護結(jié)構特點，并參考相關基坑降水設計規(guī)范，對江北段接收井深基坑進行降水方案設計，并通過模型數(shù)值驗算，得到結(jié)論：

(1)基坑降水至安全水位標高時，一期坑內(nèi)涌水6 000 m3/d，設計單井抽水量約600～800 m3/d，可配備12口降水井，其中2口備用；二期地下連續(xù)墻段基坑涌水量為30 600 m3/d，設計單井出水量設計取1 680 m3/d，可配備22口降水井，其中3口備用；二期圍護樁段基坑涌水量為20 800 m3/d，設計單井出水量取2 160 m3/d，基坑外共需布置12口降水井。

(2)基坑降水至安全水位標高時，一期坑外水位降深約1.0 m，2期坑外水位降深約3.0 m。采取該降水方案，坑外水位降深小，對環(huán)境影響較小，降水方案合理可行。

(3)降水過程中需加強對周邊沉降監(jiān)測，若坑外水位下降超過沽水期低水位時，應對坑外備用井進行回灌。