地铁工程中深基坑降水方法初探

地铁工程中深基坑降水方法初探

地铁工程中深基坑降水方法初探
摘  要:现代社会,地下工程广泛应用,为降低深基坑工程施工风险,文章通过分析地下水对地下工程的影响,分别给出地下水的处理方法,用典型事故证明地下水对深基坑工程的严重危害,以长三角地区地质为例,阐明地下水降水理论、计算规则、沉降影响。实践表明其应用成功。有效减少了重大工程安全事故的发生。
关键词:地下工程  地下水  危害  降水  计算  应用
0引言 地下水对深挖基础的影响
要阐明地下水对深挖基础的影响,首先要对地下水进行一个剖析。根据地下水的埋藏条件,地下水可分为上层滞水、潜水、承压水、裂隙水和岩溶水等多种。上层滞水直接受当地大气降水或地表水补给,水量随季节变化,雨季出现,旱季消失,极不稳定。潜水是埋藏在地表以下第一稳定隔水层以上的具有自由水面的重力水,潜水主要由大气降水、地表水和凝结水补给,当承压水与潜水联系时承压水也可补给潜水。承压水是存在于两隔水层间的有压地下水,由于压力影响,开挖基坑时能使地基土层产生隆起现象。裂隙水是埋藏在各种岩石裂隙中的地下水,主要补给是大气降水和地表水,会引起地区的地下水条件改变,发生涌水事故。岩溶水是埋藏在可溶性岩层地区岩溶裂隙和溶洞中的重力水,这类水可以是上层滞水、潜水或承压水,岩溶水的补给直接来自大气降水和地表水。

图1  土层中水的分布情况
水对地铁施工及深挖基础的影响很大,可以说大部分的地下工程事故都是由于水的原因造成的。土的粘聚力和土的内摩擦角是地下工程设计中的两个重要参数,有三种不同的方法来求取这两个参数,一是固结排水剪,二是固结不排水剪,三是不固结不排水剪,三种方法实际上都与土中水有很大的关系,试验方法的不同得到的强度指标也不同,这就意味着在工程上用什么方法来处理地下水,带来的结果将是千差万别。
1地下工程中对地下水处理的一般方法
地下水处理的目的是要保证地下工程在施工过程中不出现由于水的作用而产生的安全质量事故。地下水的处理实际上应与支护结构相结合,说通俗一点,地下工程主要是解决水与结构这两大问题,而二者的紧密结合才能使工程获得成功。
解决地下水对地下工程的影响主要有两种方法。第一种是堵,即把土中水与施工的地下工程场地隔绝,使基坑内无补给水,达到便于施工的目的。第二种是疏,即把地下水(或土中水)排除去,使地下水位降低到基坑底以下以便于地下工程的施工,并保证坑底不隆起,不出现管涌和流砂。
采用疏地下水的方法可见下表:
表1  降低地下水位方法类别表
项目
方法类别 施工
方便性 工程造价 适宜渗透系数(m/d) 适宜土层类别 降低水位深度(m) 对周边的影响 备注
明沟加
集水井 方便 低 0.001~50 各种土层  小 
轻型井点 方便 低 0.1~50 粉质粘土、粉土、砂土 3~6 略有 若降水深度大于6m可采用2级或3级井点降水
喷射井点 复杂 高 0.1~50 同上 8~20 有影响 
电渗井点 复杂 一般 <0.1 粉土、粉质粘土、淤泥、淤泥质土 决定于选用的其他方法 略有 
管井井点 一般 一般 20~200 中细砂、粗砂、砾石、卵石 >10  有影响 要重视对周围建筑物的不均匀沉降观测
深井井点 一般 一般 10~250 中细砂、粗砂、砾石、卵石 >15  影响大 要重视对周围建筑物的不均匀沉降观测
除上述两种地下水处理方法外,还有冻结法,它是将含水土体利用人工设置的冻结管,冻结管内循环冷媒剂,带走土体中热量从而形成强度高密封性好的冻土,起到承受荷载和密封防水的作用。它的适应性强、安全可靠、无污染,目前和其他方法相比造价略高。
2 各地地铁施工中地下水引发的工程事故
杭州地铁工地坍塌事故,基坑采用明挖法,基坑深20m,地层条件太差,附近荷载以及地下水渗漏作用是酿成事故的两大主要原因。工地正好处在流动性的地层之上,当地靠近钱塘江,地下水非常丰富,水位偏高,土质以砂层粉土为主。

图2  杭州地铁工地坍塌事故
台湾高雄市鼓山区地铁工程发生地层下陷事故,造成工地附近的四栋住宅严重下陷,居民楼下陷2m,整层一楼全部陷入地下。原因是地下连续墙中间有个洞,砂土及水从洞中冲出来,继而造成外面沉陷。
综上所述,地铁工程出现的工程事故,大部分都是由于水的原因造成,我们必须重视水对地铁工程的影响,因为地铁施工造成的工程事故一般来说其人员伤亡、财产损失都是十分巨大的,故一点都不能马虎。
3工程实例
3.1工程概况
以长三角某地铁车站为例。车站主体结构总长125.2m,宽20.30~24.40 m,标准段宽18.7m,深16.60m,端头井深18.6m/18.3m。车站主体围护结构采用厚度800mm地下连续墙,深度30 m。
3.2工程地质条件
地下60.30m以浅地基土属第四系(Q)沉积地层,按其成因类型、岩性和工程性能可划分11个工程地质层,15个工程地质亚层。各地层物理力学指标:


表2  地层特性表
土层代号
及名称 层底标高(m) 含水量
ω(%) 重度γ
(kN/m3) 孔隙比
e 压缩模量
Es1-2(MPa) 渗透系数
      垂直
Kv(cm/s) 水平
KH(cm/s)
①a杂填土 2.05~3.29      
①素填土 -3.00~2.64 33.4 18.8 0.951 3.48  
③1粘土 -0.49~0.89 28.2 19.6 0.799 6.09 6.4E-08 1.0E-07
③2粉质粘土 -2.84~-1.51 29.6 19.4 0.826 4.59 5.2E-07 3.5E-06
④1a粉质粘土 -6.63~-3.88 31.4 19.2 0.856 5.78 4.1E-06 7.3E-06
④1粉土 -7.82~-5.80 29.7 19.1 0.831 16.30 3.08E-03
④2粉砂夹粉土 -17.69~-9.22 32.0 18.7 0.920 14.68 
⑤粉质粘土 -32.16~-18.94 32.2 19.1 0.887 4.66 4.0E-06 2.9E-06
⑥1粘土 -22.40~-20.81 23.8 20.3 0.675 7.92 5.2E-08 6.3E-08
⑥2粉质粉土 -25.14~-23.19 27.2 19.4 0.784 7.62 3.4E-06 9.7E-06
⑦2粉土 -41.06~-32.25 32.5 18.5 0.936 12.19 3.08E-04
⑧1粉质粘土 -46.35~-44.56 32.0 18.9 0.895 5.71  
⑩粉砂 未钻穿 26.7 19.2 0.783 17.15  
3.3 水文地质条件
本区间地下水类型按其埋藏特征分为:孔隙潜水、微承压水及承压水。
(1)潜水含水层
潜水主要赋存于浅部填土层中。其下③1粘土层属不透水层、③2粉质粘土层属微透水层。年水位变幅为1.00m左右。该区域历年最高潜水位标高2.63m,最低潜水位标高位0.21m。
(2)微承压含水层
微承压含水层由晚更新世沉积成因的土层组成,主要为④1粉土、④2粉土夹粉砂层。微承压水水头埋深在约2.0m,相应标高在1.25~1.42m之间,年变幅1m左右。
(3)承压水
主要为⑦2粉土层组成含水层。承压水头标高在-1.10m左右,年变幅1m左右,本工程按照标高-1.10m计。
3.4降压井的设计
(1)基坑底板抗突涌验算
基坑底板的抗突涌稳定条件:基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力。即:
H·γs ≥ Fs·γw·h
H ——基坑底至承压含水层顶板间距离(m);
γs ——基坑底至承压含水层顶板间的土的重度(kN/m3),本工程取19.1 kN/m3;
h ——承压水头高度至承压含水层顶板的距离;
γw ——水的重度(kN/m3),取10kN/m3;
Fs ——安全系数,一般为1.0~1.2,本工程取1.1。
(2)计算结果
由于④层微承压水埋深较浅,基本位于开挖范围内,故该层微承压水水头均应降至基坑底面以下1m。
针对第⑦层承压水进行基坑底板稳定性验算。经验算,各部位需降第二层承压水结果如下表:
表3  基坑抗突涌验算
开挖部位 基坑开挖
标高(m) 参考钻孔 ⑦层层顶
标高m 承压水顶托力
kPa 土压力
kPa 降压深度
(m) 安全水位
标高(m)
西端头井 -14.76 J1123 -26.45 253.5 223.2 5.5 -6.6
标准段 -13.00 J1130 -24.42 233.2 218.1 3.5 -4.6
东端头井 -15.00 J1130 -24.42 233.2 179.9 7.0 -8.1
本车站主体需要降低⑦层承压水,采取在坑外布井方式。根据降压深度、地层的含水量和渗透性以及管井的材料、孔隙率,降压井井深设计为40m,滤管长度为6~7m。
则井的出水量:=212m3/d;
Q——单井出水量(m3/d);
R——过滤器半径(m);
L——过滤器长度(m);
K——渗透系数(m/d)。
井间距按照经验值取30~40m。则在车站共布置7口降压井,另在坑外布设3口观测兼备用井。
3.5疏干井的设计
(1)单井抽水面积确定
不考虑基坑内地下水的水平向补给,根据场地潜水含水层的特性及基坑的平面形状确定单井有效抽水面积a井,为一般为180m2~250m2,本次取250m2。
车站主体结构基坑面积约:3180m2。
(2)坑内降水井数量的布置
计算公式: n = A / a井=3180/250≈12.8口,取13口。
n——井数(口);
A——基坑降水面积 (m2);
a井——单井有效抽水面积 (m2);
采用真空强制抽水方法,压力在负0.06MPa左右。
3.6降水影响估算
坑外承压水降水影响地面沉降估算:
对于粘性土:
对于砂性土:
α—计算土层的压缩系数;
—计算土层的孔隙比;
—水重度;
—降水深度,取最大值7.0m;
Es—降水深度范围内土层的加权压缩模量,经计算为14.99×103kPa;
承压水层上部覆盖有较厚的渗透系数很小的粘土层,计算地面沉降时,作为边界封闭状态来计算,只考虑砂层的沉降。计算结果中心点最大沉降16.3mm,建筑物距中心点50m以外,不会对周围建筑物造成较大影响。
4 结论
地下水有多种赋存形式,地下水对地下工程的安全具有极其重要的影响,探究深基坑工程降水方法,管井井点和深井井点降水在工程适用性和经济性上具有明显优势,采用真空管井降水在长三角地区深基坑工程中的应用是成功的,值得类似工程参考或借鉴。
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