西安地鐵車站黃土地層深基坑施工降水技術(shù)

范新明

(西安市地下鐵道有限責(zé)任公司,710018,西安∥工程師)

地鐵隧道和深基坑施工常遇到地下水的問題。地鐵事故調(diào)查分析顯示,因設(shè)計和施工的原因而導(dǎo)致的事故所占比例分別為46%和41%,而這些事故中70%以上是因為水害引發(fā)的。因為地下水的存在,導(dǎo)致土體的物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生很大改變,增大了設(shè)計的不確定性因素;如果施工中不能很好地解決水的問題,極易產(chǎn)生流砂、管涌、坑底隆起、邊坡失穩(wěn)、坑壁坍塌等事故。西安地鐵2號線是我國首次在黃土地區(qū)修建的地鐵。黃土本身的物理力學(xué)性質(zhì)非常特殊:黃土中的柱狀節(jié)理發(fā)育,粉粒吸水性較差,故而黃土在豎向具有較好的滲透性,地表水迅速下滲;但水平方向滲透性很差,水平向滲透系數(shù)較小;且具有濕陷性、水敏性、結(jié)構(gòu)性等特性。因此,認(rèn)真研究和探討黃土地層降水設(shè)計及施工,總結(jié)黃土地層降水過程中的經(jīng)驗教訓(xùn),都具有重要的意義。

1 工程概述

西安地鐵張家堡站位于張家堡環(huán)形廣場內(nèi),為2號線與4號線換乘車站,總長225.7 m;基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬24.9 m,深14.7～15.6 m;換乘節(jié)點段寬41.6 m,深21.7 m,局部深23.3 m。車站主體采用明挖順作法施工,主體結(jié)構(gòu)為地下兩層三跨(換乘節(jié)點段為三層五跨)現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱形框架結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)外設(shè)置外包防水層。

1.1 工程地質(zhì)

張家堡站工程所在地為渭河的一、二級階地。擬建場地地基土的組成自上而下為:人工填土,第四紀(jì)全新世沖、洪積黃土狀土,晚更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤,中更新世風(fēng)積黃土、殘積古土壤,晚更新世及中更新世沖積粉質(zhì)黏土及砂類土等。

1.2 水文地質(zhì)

張家堡車站處地層屬潛水富水區(qū),含水層為沖積及洪積中、粗砂,層厚約30～40 m,地下水位埋深約14.26～15.37 m。地下水主要以大氣降水和地表水入滲補(bǔ)給。中砂層的滲透系數(shù)為20 m/d,為強(qiáng)透水含水層。

2 降水方案的確定

地鐵明挖車站降水方案在總體上可分為集水明排、坑外降水和坑內(nèi)降水三種。明排水設(shè)備簡單、施工方便,是比較經(jīng)濟(jì)的辦法,適用于填土、黏性土和砂土。對于滲透系數(shù)比較低的土層,采用止水帷幕以后,基坑內(nèi)的水比較容易用明排方式疏干。但在基坑開挖深度較大時,采用集水明排法降水可能引起流砂、管涌、坑底隆起和邊坡失穩(wěn)等現(xiàn)象。

坑內(nèi)降水是將降水點布置在基坑范圍以內(nèi),降水效率最高;但坑內(nèi)降水使坑外水流向坑內(nèi)形成動力水,不利于邊坡的穩(wěn)定。對于設(shè)置了圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕的基坑,坑內(nèi)降水不會影響坑外水位的變化,有利于環(huán)境保護(hù),適用于有相鄰建筑物和市政管線對沉降要求較高的情況。

坑外降水是在基坑外側(cè)(距離坑壁開挖面3～5 m)設(shè)置一道或幾道降水井,利用降水漏斗原理,將水位降低到基坑開挖面以下1～2 m。這是比較經(jīng)濟(jì)的一種方法,對施工的干擾也比較小。對于環(huán)境保護(hù)要求不高的基坑工程或降水引起沉降不大的地區(qū)可以采用坑外降水方案。

張家堡站基坑深度較深,且砂層滲透系數(shù)較大,基坑周邊距離建筑物較遠(yuǎn)。根據(jù)本工程的特點、降水深度要求和設(shè)備條件,通過經(jīng)濟(jì)比較,并結(jié)合黃土地區(qū)降水經(jīng)驗,決定采用基坑外深管井降水。

3 深管井降水方案設(shè)計

3.1 基坑涌水量估算參數(shù)選擇

3.1.1 公式選擇

就潛水而言,計算公式分完整井和非完整井兩種。前者適用于井底進(jìn)入隔水層的情況,后者適用于井底距離隔水層還有一定距離的情形。詳細(xì)勘察報告顯示,隔水層深度在地下30～50 m,目前采用的井深均沒有到達(dá)隔水層。根據(jù)《建筑施工計算手冊》深井計算選型規(guī)定,采用無壓力非完整井計算公式。

3.1.2 含水層滲透系數(shù)選取

滲透系數(shù)一般可通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場抽水試驗兩種方法獲得。室內(nèi)試驗由于土樣在采集和運輸過程中結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大改變,水流通道被堵塞,因此測得的滲透系數(shù)非常小,與實際值相差較遠(yuǎn)。現(xiàn)場抽水試驗比較切合真實滲流情況,可信度較高。在沒有條件做現(xiàn)場抽水試驗時,可參考巖土工程勘察規(guī)范取經(jīng)驗值。根據(jù)詳細(xì)勘察報告,砂層含水層滲透系數(shù)取30 m/d。

3.1.3 含水層有效厚度選取

含水層計算厚度是指計劃進(jìn)行降水的含水層厚度,即降水井插入含水層的深度,等于降水井深度減去地下水水頭深度,而不是整個含水層的深度。結(jié)合西安地區(qū)降水工程經(jīng)驗,含水層有效厚度在13～32 m范圍取值比較合適。本工程取17.5 m。

3.2 基坑涌水量計算

3.2.1 北段基坑涌水量Q北計算

式中:

k——中砂層滲透系數(shù),取30 m/d;

S——管井水位下降深度,m;

H0——含水層有效深度,H0=η(S1+L)(式中η查《建筑施工計算手冊》表4-14,L為管井濾管長度(本工程取4 m),S1為管井長度減去濾管長度減去地下水位深度);

r0——基坑的假想半徑,(A=L×B,根據(jù)《建筑施工計算手冊》,L/B=2.8＜5,可將矩形基坑按上式計算)。

由式(1)可得Q北=6 148 m3/d。

3.2.2 中間段基坑涌水量Q中計算

中間段的計算參數(shù)如下:k=30 m/d,H0=37 m,S=10.77 m,R=700 m,r0=28.1 m。類同式

(1),可得Q中=19 933 m3/d。

3.2.3 南段基坑涌水量Q南計算

南段的計算參數(shù)如下:k=30 m/d,H0=25.3 m,S=6 m,R=322 m,r0=30.1 m。類同式(1),可得Q南=10 647 m3/d。

3.3 單井最大出水量q計算

式中:

d——過濾管直徑,取管井的 d=0.6 m;

L——設(shè)過濾器進(jìn)水部分長度取L=4.0 m。

則由式(2)可得q=1 522 m3/d。

3.4 管井?dāng)?shù)量計算

3.4.1 北段基坑管井?dāng)?shù)量

根據(jù)計算結(jié)果,并結(jié)合實際設(shè)置6口降水井的情況,考慮基坑周圍圍護(hù)樁對滲透量的影響,北段在基坑外布置5口降水井,在基坑內(nèi)靠北面布設(shè)1口降水井。

3.4.2 中段(換乘節(jié)點區(qū))管井?dāng)?shù)量

需設(shè)置15口降水井。由于中段基坑寬41 m,考慮基坑周圍圍護(hù)樁對滲透量的影響,采用基坑內(nèi)降水和基坑外相接合,在中間段坑內(nèi)加3口降水井,基坑外采用12口井。

3.4.3 南段基坑管井?dāng)?shù)量

根據(jù)計算結(jié)果,并結(jié)合實際設(shè)置8口降水井的情況,考慮基坑周圍圍護(hù)樁對滲透量的影響,北段在基坑外布置7口降水井,在基坑內(nèi)靠南面布設(shè)1口降水井。

3.5 降水井布置

深管井降水井在基坑圍護(hù)樁線以外1.0 m設(shè)置。中間段井深選用30 m,布設(shè)13口井;南段井深選用23 m,布設(shè)7口井;北段井深選用 22 m,布設(shè)6口井。具體布置見圖1。

圖1 降水井布置圖

3.6 降水井構(gòu)造

降水井直徑選用 Φ800,井管外徑采用 Φ600的無砂混凝土管。

3.7 降水井泵的選擇

選用8JD80*10深井水泵,揚程大于30.0 m。每井一臺,并帶吸水膠管,并配有一個控制井內(nèi)水位的自動開關(guān)和兩臺備用泵。

4 降水效果分析及改進(jìn)

基坑于2007年1月15日開始施工。從基坑施工情況并根據(jù)水位監(jiān)測來看,南北兩端降水效果達(dá)到設(shè)計要求,換乘節(jié)點降水未達(dá)到降水要求。

4.1 原因分析

①換乘節(jié)點段地質(zhì)復(fù)雜,富水砂層厚度大(為10～23 m),地下水量大且補(bǔ)給快。原降水設(shè)計無法達(dá)到設(shè)計要求,不能滿足基坑開挖及結(jié)構(gòu)工程施工的需要。

②換乘節(jié)點段中布置3口降水井是采用無砂管井管;而基坑開挖采用機(jī)械開挖,極易破壞強(qiáng)度低的無砂管,造成無砂管變形、錯位甚至破裂,影響降水質(zhì)量。

③人工抽水無法滿足連續(xù)性降水的要求。

4.2 方案優(yōu)化

①換乘節(jié)點采取基坑內(nèi)外結(jié)合降水。通過計算在基坑內(nèi)增加13口降水井,利用原來基坑外設(shè)置的降水井并補(bǔ)充降水井進(jìn)行基坑內(nèi)外同時降水。

②對降水井井位及井深的布置。井管的選擇重新設(shè)計,為了防止施工破壞降水井,基坑內(nèi)井管采用鋼井管。

③降水井管理采用自動控制抽水裝置。

4.3 換乘節(jié)點區(qū)優(yōu)化方案后降水井布置

采用內(nèi)外結(jié)合的降水方案,經(jīng)計算共設(shè)計降水井24口;對基坑周邊已有的降水井(目前井深在25 m以上)進(jìn)行重新洗井,實現(xiàn)對已有降水井的充分利用;同時在換乘節(jié)點基坑內(nèi)布設(shè)降水井13口,在基坑外沿東西兩側(cè)共布設(shè)降水井11口(包含重新洗井并滿足使用要求的舊井)。新打井深選擇為35 m。布置見圖2。

4.4 換乘節(jié)點區(qū)優(yōu)化方案后降水井管構(gòu)造及降水設(shè)施

基坑外成井直徑為600 mm,井管采用規(guī)格為500 mm×55 mm×3 000 mm的鋼筋混凝土井管;基坑內(nèi)成井直徑為600 mm,井管采用Φ377螺旋鋼管(濾水管為打眼纏絲)。管外回填豆石至地面以下1.5 m,上部孔口部分用黏土填實。回填時利用井 管上設(shè)的對中線確保井壁四周填層厚度均勻。

圖2 換乘節(jié)點區(qū)降水井布置圖

濾水管的孔隙率為28%,開孔直徑為10 mm,孔間距約50 mm,呈梅花型布置。在濾水管井外先包60目的不銹鋼濾水管網(wǎng),網(wǎng)外用12#鉛絲纏繞,鉛絲間距為0.1～0.2 mm,再用2～3道錫焊將鉛絲焊牢。井外最后回填3～7 mm的礫料。在回填礫料的過程中,進(jìn)行返水填礫,以提高礫料的密實度。井管構(gòu)造見圖3、圖4。

圖3 基坑外降水井結(jié)構(gòu)示意圖

4.5 優(yōu)化后降水效果驗證

換乘節(jié)點區(qū)按照優(yōu)化方案進(jìn)行施工,經(jīng)過20天左右的降水,經(jīng)監(jiān)測水位由原來的地下 15 m降至地下22.5 m,達(dá)到了施工需要,滿足了安全要求。

圖4 基坑內(nèi)降水井結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)語

同其他地區(qū)降水工程相比,黃土地層降水工程有著很大的特殊性,尤其是黃土加砂地層,降水難度很大。特別是要把水位降至地下20 m以下,在西安鮮有成功先例,因此必須給予足夠的重視。

(1)在選擇降水方案時,必須要在充分掌握工程地質(zhì)特征和水文地質(zhì)條件的前提下,結(jié)合基坑形狀和幾何尺寸,參照本地區(qū)類似工程經(jīng)驗,經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較后選擇合理降水方案。

(2)降水工程的專業(yè)性很強(qiáng),地域性非常明顯,類似工程經(jīng)驗非常重要。如前所述,黃土本身的物理力學(xué)性質(zhì)非常特殊,因此建議選擇本地區(qū)經(jīng)驗豐富的設(shè)計單位進(jìn)行方案設(shè)計,選擇專業(yè)的降水隊伍進(jìn)行降水施工,規(guī)避降水工程本身以及降水不到位給地鐵施工帶來的風(fēng)險。

(3)加強(qiáng)降水效果監(jiān)測,及時分析、優(yōu)化方案,并采取及時有效的改進(jìn)措施,對早日實現(xiàn)降水效果,保證地鐵施工安全順利推進(jìn)尤為重要。

(4)本工程在同一個地鐵車站深基坑針對不同的區(qū)段采用了不同的降水井布置形式,在南段和北段采用了基坑外深井管降水,在換乘階段區(qū)(寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20 m)采用了內(nèi)外結(jié)合的深井管降水,取得了較好的降水效果。

(5)在黃土地區(qū),基坑深度不大、基坑寬度小于20 m時,采用基坑外深井管降水即可滿足降水要求;當(dāng)基坑深度不大,但基坑寬度大于20 m時,應(yīng)采用內(nèi)外結(jié)合的深井管降水。

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