寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗及數值分析

崔 濤

(北京交通大學土木工程建筑學院,100044,北京∥高級工程師)

寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗及數值分析

崔 濤

(北京交通大學土木工程建筑學院,100044,北京∥高級工程師)

為降低深基坑工程的設計與施工風險,有必要通過抽水試驗確定各地層(特別是承壓含水層)的水文地質參數。針對寧波地鐵市府站的復雜水文地質條件,通過現場不同降壓工況的抽水試驗,并運用三維非穩定流有限差分法進行了數值模擬及水文地質分析。該抽水試驗結果及結論為類似工程的設計、施工及風險控制提供了依據,尤其是對于寧波地區后續軌道交通線路的建設具有借鑒作用。

寧波地鐵;深基坑;抽水試驗;有限差分法

Author's addressCollege of Civil Engineering,Beijing Transpotation University,100044,Beijing,China

寧波地鐵市府站是寧波地區首批開工建設的地鐵車站之一,站內地鐵1、2號線呈上下十字交叉,1、2號線間設有聯絡線連接,地區內尚無同類工程的施工經驗。寧波地鐵1號線市府站的車站基坑寬20.5～24.8 m,長約168.6 m;西端頭井基坑深為25.3 m,標準段基坑深約23.8 m。圍護結構為1000 mm厚地下連續墻,深46～49 m;沿基坑深度方向水平設置六道支撐及一道臨時支撐。其中第一道為鋼筋混凝土支撐,第五道支撐結合下二層板邊框架逆作,其余均為鋼支撐。

試驗井所處地質及水文地質條件復雜,抽水初期恢復比率大(水位恢復時觀測孔10 min恢復水位40%左右)、單井出水量大(單井開采量800～1500 m3/d)、靜止水位高(距地表僅為5.0 m)、周邊環境復雜(毗鄰市政府、鬧市區,建構筑物密集)。能否安全解決承壓水問題,并有效控制對環境的影響,是本工程設計及施工的關鍵因素之一。

1 車站基坑地質條件及突涌性計算

基坑開挖范圍內(①1-1層-⑤2層)多以淤泥質及軟塑狀土層為主。其地質縱剖面圖如圖1所示。

對基坑有影響的承壓含水層主要賦存于⑧1層的粉砂、細砂、中砂含水層中,其透水性好,水量豐富,單井開采量為800～1500 m3/d;含水層頂板埋深一般為45.0～62.0 m左右,含水層厚度10～15 m,層位穩定,地下水基本不流動。

采用安全系數法對不同開挖深度的基坑進行安全突涌可能性計算(計算結果見表1)。

式中:

Pcz——基坑底至承壓含水層頂板間土壓力,Pa;

Pwy——承壓水水壓力,Pa;

Fs——安全系數 ,取 1.10。

計算表明:1號線端頭井、標準段及局部聯絡線通道有突涌可能性。基坑開挖至22.5 m時,需降低承壓含水層水位;開挖至底板時,承壓水層⑧1的安全水位宜控制在7.78 m以下。為有效控制地下水及減小降水對周邊環境的不利影響,需要準確分析本工程場地的水文地質特征,對承壓含水層進行專項承壓水抽水試驗。

表1 安全突涌可能性計算表

2 抽水試驗過程及分析

抽水試驗共布設3口試驗井,分別為S1、S2、S3。試驗井濾水管長分別設置為10.0 m、5.0 m、8.0 m,并根據場地實際情況在試驗井四周共布置6個監測剖面,共60個監測點。監測點間距約為10 m、15 m,編號為 C1-1～ C6-10,具體見圖 2、3。本試驗從2009年7月20日進場施工,至2009年10月1日提交抽水試驗成果報告,歷時70 d左右。

圖1 地質縱剖面圖

圖2 抽水試驗井布置及監測平面圖

2.1 水位觀測及沉降監測

抽水前進行靜止水位觀測,測得承壓水水位標高最淺在-1.25 m左右;水位具有一定的波動性,水位波動在20～25 cm左右(見圖4)。

試驗時采用定流量非穩定流抽水方法進行抽水。抽水時S1、S3井平均單井涌水量分別為45.0 m3/h、21.0 m3/h,抽水井水位最大降深分別為3.76 m、9.31 m;觀測井S2水位最大降深為2.44m。試驗期間取得抽水井、觀測井的水位降深隨時間變化曲線如圖5、圖6。

由抽水試驗可知,抽水前期水位下降迅速,在抽水10 min時觀測孔水位降深占總降深的40%左右;30 min后水位變化較小,且逐漸趨于穩定;停止抽水水位恢復時,觀測井10 min時恢復水位40%左右,150 min即恢復水位60%左右,之后平均恢復速率較慢。

由圖7、8可知:各沉降監測點在試驗期間地表沉降值為0～3.0 mm,總體沉降量較小,沒有特別明顯的變化規律;在停止抽水后水位恢復,孔隙水壓力增大,一部分地表沉降回彈。

2.2 水文地質參數求解

根據場地實際情況待水位穩定后,對S1、S3井分別進行單井抽水試驗,并利用AquiferTest軟件(3.0版)中泰斯法、泰斯水位恢復法等對所測數據進行水文地質參數的求解(詳見表2)。

圖3 抽水試驗井結構圖

圖4 靜止水位觀測曲線圖

圖5 S1單井抽水試驗時間-降深曲線

圖6 S1、S3雙井抽水試驗時間-降深曲線

圖7 沉降監測點 C2-5、C2-6、C2-9、C2-10所測地表沉降曲線圖(2009年)

圖8 沉降監測點C5-2～C5-10所測地表沉降曲線圖(2009年)

表2 水文地質參數表

2.3 三維滲流與沉降模擬

采用國際上常用的Visual Modflow地下水滲流數值模擬軟件進行水文模型數值模擬(4.0版)計算,在同等水文地質條件、模型設置及剖分條件下采用Processing Modflow(5.3版)進行場區沉降模擬預測。根據場區的實際水文地質結構條件及幾何形狀進行三維剖分。因承壓含水層滲透性大,確定以基坑中心點為基點、各方向延伸1000 m作為模擬計算區域;剖分時在基坑附近對網格加密,平面上剖分為100×100個網格單元。模型的水文地質參數根據勘察報告提供的地質資料及試驗取得的水文地質參數等進行實際等效處理,承壓含水層模型邊界采用通用水頭進行處理。模型計算值與試驗觀測值擬合曲線如圖9所示。

圖9 模型計算值與實測水位擬合曲線圖

通過試驗數據調參反演建立有效數值模型后,對雙井抽水試驗期間場地范圍內的滲流情況及降水引起的沉降情況進行模擬預測。具體如圖10、11所示。

通過對試驗期間群井試驗反演模擬,得出抽水試驗取得的水文地質參數能夠反映場地內實際地下水存儲、運移狀態,以及承壓水抽取后引起的土層壓縮規律。試驗取得的水文地質參數和通過反演法建立的數值模型能夠模擬并預測基坑開挖時減壓降水引起的場地內水位變化及周邊環境變化情況;并以此驗證和優化承壓水減壓設計,確保施工安全、控制對環境的影響。

圖10 群井試驗期間場地滲流模擬圖

圖11 群井試驗期間場地地面沉降模擬圖

3 承壓水減壓設計的優化

在減壓設計時應考慮最不利的情況,以確保基坑工程的安全施工。根據試驗結果建立的場地范圍內水文地質、沉降數值模擬模型,對基坑降水方案進行優化設計。

3.1 抽水試驗前的承壓水減壓設計方案

依據原有的勘察資料提供的工程地質、水文地質條件,進行基坑突涌可能性計算,并依據滲流公式對基坑涌水量進行計算。根據計算結果,本工程主體結構的基坑共需布置第⑧1層的降水井6口以及備用井(兼觀測井)2口;井深60.0 m,濾水管深52.0～59.0 m。具體平面位置見圖12。

3.2 方案優化

依據抽水試驗結果及建立的基坑降水數值模型,對原有設計方案進行優化。優化后減少原方案聯絡線中的1口降水井,并依據抽水結果及圍護設計對原有降水井位置及井深進行優化設計。優化后基坑共布置降水井5口,觀測兼備用井2口;井深63.0 m,濾水管深54.0～62.0 m。具體平面位置見圖13。以下進行方案優化后的模擬計算。

圖12 優化前基坑降水平面布置圖

圖13 優化后基坑降水平面布置圖

模擬啟動基坑內布置的5口降水井,平均單井抽水量40 m3/h。在抽水1 d后基坑內降深在4.0～4.5 m,基坑外側100 m范圍內降深在2.5～4.0 m左右(見圖14);在基坑中心100 m范圍內沉降在1.7～3.5 mm左右。此時基坑內承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖要求。

圖14 抽水1 d后水位降深等值線圖(單位:m)

在持續降壓抽水90 d后,基坑內降深在5.0～6.0 m,基坑外側100 m范圍內降深在3.5～5.5 m(見圖15)。基坑內外水位持續抽水10 d后無明顯變化,此階段承壓水減壓降水處于穩定狀態,在基坑中心100 m范圍內沉降在9.5～15.0 mm,基坑內承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖要求。

圖15 抽水90 d水位降深等值線圖(單位:m)

在基坑內設置觀測孔HG1、HG2,在基坑外側5 m 、50 m、100 m、200 m 處設置 4口G1～G4承壓水觀測井及相應的沉降監測點,對減壓降水90 d進行數值模擬及停抽后5 d內進行時程模擬。模擬結果表明:在距基坑邊界50 m、100 m、200 m 處降深分別約為 4.9 m、4.3 m、3.5 m,地面沉降量約為8.3～13.8 mm;停止抽水使水位完全恢復后,最終地面沉降量在5.5～6.5 mm左右。模擬的時間-降深、沉降曲線詳見圖16、17。

根據基坑突涌可能性計算,基坑開挖至22.5 m時臨近最后一層土方,此前24 h內須啟動降水井并進行減壓降水。根據開挖工序和施工進度,可先開啟土方開挖鄰近區域的2～3口降水井,其它降水井以觀測為主,通過水位觀測調整減壓運行方案,做到“按需降水”。至土方開挖結束,承壓水水位應滿足基坑安全施工要求。同時為有效減小減壓降水對周邊環境的影響,基坑內水位不允許出現大幅度超降現象,宜控制在安全水位上下0.5 m左右。

圖16 不同點位處水位降深時程曲線(模擬)

圖17 不同點位處降水引起的地面沉降時程曲線(模擬)

根據計算,基坑減壓降水從啟動至封閉區域內基坑底板全部施工結束后的14 d內需進行持續減壓降水。在減壓降水過程中應采用自動觀測水位等有效手段監控承壓水水位,同時在運行期間采取備用電源和備用電源自動切換技術實現減壓降水持續進行。在基坑底板施工結束14 d后,根據底板隆起監測結果,當變形在設計可控范圍內時逐步關閉降水井,并在關閉前通過降水井進行場地承壓水水頭觀測,當基坑結構完全滿足抗浮要求且不存在風險時進行降水井封井工作。

4 結語

寧波地鐵市府站屬于深基坑,其地質及水文地質條件復雜,且在寧波地區缺乏同類工程的經驗,對于設計、施工的未知因素多風險大。為此進行抽水試驗,經有限差分法數值分析,作為設計的復核依據。

1)試驗的必要性。基坑減壓性降水是工程的風險源之一,故應重視對承壓水的減壓性降水的設計工作,以保護基坑的安全,減少對周圍環境的影響。

2)數據的有效性。基坑減壓性降水設計過程中,抽水試驗所測得數據不僅能驗證設計的減壓性降水方案的可行性,而且能指導基坑減壓性降水方案的優化設計及減壓性降水措施的實施。

3)環境的控制性。根據抽水試驗數據建立三維地下水滲流數值模型是必要的。通過數值計算獲得基坑承壓水水位的空間變化規律,驗證減壓性降水方案的可行性,以指導基坑減壓性降水措施的實施,減少對周邊環境的影響。

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On Pumping Test and Numerical Analysis of Station Deep Pit in Ningbo Metro

Cui Tao

To reduce the design risk during deep pit foundation construciton,it is necessary to take a dedicated drawoff testing to determine the parameters of various geological layers at the pit,especially those of the confined aquifer.In relation to complicated hydro-geological conditions in Shifu Station of Ningbo Metro,by way of various hyper draw-off testing under different pressure lowering regimes,a model has been made on the draw-off test by means of three-dimensional unsteady flow finite differentiation method and hydro-geological analysis.This conclusion of the draw-off test and findings of expert examination could provide relevant technical support for the design and construction of rail transit lines in Ningbo City.

Ningbo metro;deep pit;pumping test;finit differentiation method

TU 46+3

2009-12-10)