蘭州砂卵石地層地鐵超深基坑降水技術(shù)

許明中, 蔡佳良

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

蘭州砂卵石地層地鐵超深基坑降水技術(shù)

許明中, 蔡佳良

(西南交通大學(xué) 交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

針對蘭州市黃河河漫灘巨厚砂卵石地層含水量豐富、滲透系數(shù)大、地下水位高，超深基坑降水幅度大、風(fēng)險(xiǎn)高、施工難度大的特點(diǎn)。文章以蘭州軌道交通1號線奧世區(qū)間中間風(fēng)井降水工程為例，總結(jié)分析了砂卵石地層超深基坑的降水設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)。并基于Visual Modelflow數(shù)值模擬分析，探討了基底注漿加固、豎向隔水結(jié)構(gòu)及近接黃河等因素對基坑降水效果的影響，并提出了基坑全過程施工的降水運(yùn)營優(yōu)化方案。

地鐵； 深基坑； 降水； 砂卵石； 注漿

1 工程概況

蘭州軌道交通1號線奧體中心～世紀(jì)大道區(qū)間位于崔家大灘～世紀(jì)大道，線路采用雙洞雙線于深安大橋上游下穿黃河，全長2 120.01 m。區(qū)間設(shè)有一座通風(fēng)井，距黃河河岸僅100 m。風(fēng)井長33.4 m、寬20.4 m、深45.1 m，地表高程1 532.29 m(圖1)。風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.2 m厚鋼筋混凝土地下連續(xù)墻，墻深60.1 m。主體結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆五層箱型框架結(jié)構(gòu)，逆作法施工。

圖1 中間風(fēng)井平面位置

2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

表1 各層地層特性及描述

區(qū)間地下水主要賦存于2-10和3-11卵石層中，屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙潛水，是蘭州市主要水源地。區(qū)內(nèi)砂卵礫石含水層最大厚度可達(dá)316.77 m，上部150 m左右為疏松砂礫卵石，下部砂礫卵石較密實(shí)，含水層主要位于上部150 m范圍內(nèi)。

勘察期間深安大橋附近黃河水位高程1 521.8 m，黃河南岸地下水位高程為1 522.43～1 523.40 m，黃河北岸地下水位高程為1 522.12～1 522.79 m。黃河水與地下水雙向補(bǔ)給良好、水流交替循環(huán)強(qiáng)烈。

工程水文地質(zhì)試驗(yàn)于兩車站進(jìn)行大、中、小3個(gè)落程混合降水，屬潛水非完整井穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)成果詳見表2。根據(jù)含水層物質(zhì)組成，結(jié)合地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)，2-10卵石層的滲透系數(shù)為57～64 m/d，3-11卵石層滲透系數(shù)為50～55 m/d。

3 中間風(fēng)井降水設(shè)計(jì)

3.1 降水重難點(diǎn)分析

中間風(fēng)井能否安全順利施工，很大程度上依賴于降水的成功與否，其工程特點(diǎn)歸納如下：

(1)基坑瀕臨黃河，地層由透水性強(qiáng)的砂、礫、卵石層構(gòu)成，且透水層厚度大，區(qū)域勘察資料記錄厚度可達(dá)200～300 m，地下水直接受黃河水補(bǔ)給。

(2)地下水水位高，開挖深度大，基底最大抗突涌水頭高達(dá)35.1 m，工程降水風(fēng)險(xiǎn)高，難度大。

(3)為避免連續(xù)墻接縫滲漏，風(fēng)井外設(shè)置一0.8 m厚防滲帷幕(46.0 m×34.4 m×51.1 m)，考慮盾構(gòu)機(jī)進(jìn)井接收，進(jìn)行端頭注漿加固，加固區(qū)位于地表以下32.15～50.15 m，風(fēng)井防滲體系見圖2。

(4)地下連續(xù)墻位于含水層中，未切斷坑內(nèi)、坑外水力聯(lián)系，為防止基底突涌，基底以下10 m進(jìn)行袖閥管注漿加固。加固區(qū)設(shè)計(jì)滲透系數(shù)小于1.0×10-7m/s，但加固效果是否可靠，有待工程實(shí)際檢驗(yàn)。

表2 大型水文地質(zhì)試驗(yàn)成果

圖2 中間風(fēng)井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2 降水設(shè)計(jì)方案

根據(jù)以往深厚透水性地層深基坑降水經(jīng)驗(yàn)[1-3]，結(jié)合中間風(fēng)井的降水特點(diǎn)，降水設(shè)計(jì)方案如下：

(1)采用“帷幕+注漿+排水”的組合降水方案，“帷幕+注漿”措施用于阻隔坑內(nèi)、坑外的水力聯(lián)系，坑內(nèi)疏干井將坑內(nèi)水位降至開挖面以下1 m左右，坑外減壓井將坑外水頭降至安全水位以下。

(2)根據(jù)抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算，風(fēng)井臨界開挖深度為31.2 m。開挖深度小于31.2 m時(shí)，以坑內(nèi)降水為主；開挖深度大于31.2 m時(shí)，采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水。

(3)若基坑封底有效，止水良好，坑外3-11卵石層水位應(yīng)降至-34.2 m。若基坑封底無效，須將坑外水位降至-46.1 m。

3.3 管井設(shè)計(jì)

根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(E.0.2)對基坑涌水量進(jìn)行估算，按均質(zhì)含水層、穩(wěn)定流、潛水、非完整井考慮。經(jīng)估算：風(fēng)井水位降至基底以下1 m(-46.1 m)，總涌水量為175 970 m3/d；水位降至抗突涌安全水位(-34.2 m)，總涌水量為145 935 m3/d。

管井降水考慮群井效應(yīng)、地連墻和帷幕的隔水效果，坑內(nèi)單井涌水量按100 m3/h計(jì)，坑外單井涌水量按140 m3/h計(jì)。經(jīng)計(jì)算，坑內(nèi)設(shè)置15口降水井(含1口觀測井)，坑外設(shè)置52口降水井(含4口備用井)，井點(diǎn)結(jié)構(gòu)信息詳見表3。

4 中間風(fēng)井降水?dāng)?shù)值模擬

工程降水地下水采用Visual Modelflow有限差分軟件建立三維模型，進(jìn)行數(shù)值分析[4]。計(jì)算模型以風(fēng)井中心向外擴(kuò)展600 m，計(jì)算平面尺寸1 200 m×1 200 m，深度取150 m。含水層參數(shù)參考抽水試驗(yàn)。

表3 降水井統(tǒng)計(jì)

4.1 豎向隔水結(jié)構(gòu)和臨近黃河對降水的影響

基坑中心距黃河僅100 m，不足降水影響半徑1/3，地下水與黃河水補(bǔ)給強(qiáng)烈。采用數(shù)值模擬對基坑有、無豎向隔水結(jié)構(gòu)及近接黃河的影響分析，各工況的降水漏斗曲線如圖3所示。

圖3 各工況風(fēng)井降水漏斗曲線

工況1為純井點(diǎn)降水，降水漏斗曲線平滑，最低水位-36.2 m；工況2設(shè)有連續(xù)墻，降水漏斗在連續(xù)墻處急劇突變，最低水位-47.8 m；工況3增設(shè)防滲帷幕和端頭注漿，帷幕與地連墻間的水位比工況2下降9.08 m，最低水位-48.0 m。工況1～工況3防滲帷幕外降水漏斗基本重合，有地下連續(xù)墻和防滲帷幕時(shí)，坑內(nèi)水位大幅下降，有效阻隔了坑內(nèi)、外的力聯(lián)系。

工況4～工況7研究黃河對基坑降水的影響：(1)隨著風(fēng)井與黃河距離增大，坑外降水漏斗逐漸下降，工況4與工況6最大差幅達(dá)6.51 m；(2)各工況近黃河側(cè)較遠(yuǎn)黃河側(cè)水頭高，工況4防滲帷幕處水位差幅達(dá)2.62 m；(3)由抗突涌計(jì)算可知，各工況抗管涌安全系數(shù)依次為4.30、6.15、8.58、10.39，風(fēng)井與黃河距離愈近，基坑開挖安全風(fēng)險(xiǎn)顯著增加。

4.2 基底注漿對降水的影響

砂卵石地層注漿加固時(shí)，漿液填充孔隙從而改變其滲透系數(shù)[5-6]，形成相對隔水層，注漿填充率與滲透系數(shù)關(guān)系如圖4所示。基底注漿分析時(shí)，開啟坑外58口降水井J9～J66，改變基底注漿系數(shù)和坑內(nèi)井?dāng)?shù)量，各工況坑內(nèi)水位計(jì)算值如表4所示。

由表4可知：(1)注漿填充系數(shù)為10 %～40 %(滲透系數(shù)i×10-4m/s)，注漿對坑內(nèi)水位影響不大，水位下降主要受降水井?dāng)?shù)影響；(2)注漿填充系數(shù)為50 %～70 %(滲透系數(shù)i×10-5m/s)，注漿系數(shù)增大，坑內(nèi)水位快速下降；(3)注漿填充系數(shù)為80 %～90 %(滲透系數(shù)i×10-6～10-7m/s)，坑內(nèi)僅需1口疏干井，注漿加固區(qū)隔水效果良好。

表4 各工況坑內(nèi)計(jì)算水位統(tǒng)計(jì) m

圖4 注漿填充率與滲透系數(shù)關(guān)系曲線

4.3 基坑降水運(yùn)營優(yōu)化

基坑井點(diǎn)數(shù)量多，抽水量大，運(yùn)營成本高。在保證基坑安全施工同時(shí)，合理開啟井點(diǎn)數(shù)量，降低運(yùn)營成本。根據(jù)降水方案：開挖深度小于31.2 m，以坑內(nèi)降水為主；開挖深度大于31.2 m，采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水方式。對不同開挖階段的降水工況數(shù)值模擬分析，降水井點(diǎn)運(yùn)營方案如表5所示。

5 中間風(fēng)井現(xiàn)場監(jiān)測

中間風(fēng)井施工期間地下水位監(jiān)測曲線如圖5所示。2015年6月26日～2015年11月1日開挖負(fù)一層～負(fù)三層，坑內(nèi)水位階梯狀下降，坑外水位下降微弱；2015年6月26日～2016年3月20日開挖負(fù)四層～負(fù)五層，開啟坑內(nèi)2口降水井，要求降水井逐步開啟，水位階梯狀下降。整個(gè)施工過程中，實(shí)測水位與理論控制水位變化保持一致。

6 結(jié)束語

通過對蘭州地鐵奧世區(qū)間中間風(fēng)井降水技術(shù)進(jìn)行研究，本文主要結(jié)論如下：

(1)針對工程特殊的水文地質(zhì)環(huán)境，運(yùn)用“帷幕+注漿+排水”的組合降水方案，成功解決強(qiáng)透水砂卵石地層超深基坑降水難題。

(2)數(shù)值分析表明：基底注漿對風(fēng)井坑內(nèi)降水影響顯著，為保證基底防滲效果，注漿填充率應(yīng)達(dá)到80 %，加固區(qū)滲透系數(shù)小于1×10-6m/s；基坑瀕臨黃河，降水難度增大，抗管涌風(fēng)險(xiǎn)也大大提高。

表5 不同施工階段降水井運(yùn)營方案

備注：①坑外降水井為：帷幕外降水井+帷幕與地連墻間降水井；②若基底加固效果達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，參考表4開啟坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)。

圖5 G1～G5井水位監(jiān)測曲線

(3)在不同開挖階段，適時(shí)開啟降水井點(diǎn)：負(fù)一層～負(fù)三層開挖，以坑內(nèi)降水為主；負(fù)四層～負(fù)五層開挖，采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水。通過數(shù)值模擬預(yù)測，提出降水運(yùn)營優(yōu)化方案，減少抽水量，符合綠色、環(huán)保的施工理念。

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TU46+3

A

[定稿日期]2017-06-08

許明中(1990～)，男，在讀研究生，主要從事地鐵基坑研究。