臨海城際鐵路明挖隧道基坑降水技術

2017-11-22 02:29:25劉曉雷

綠色環保建材 2017年2期

劉曉雷

中鐵十六局集團有限公司

臨海城際鐵路明挖隧道基坑降水技術

劉曉雷

中鐵十六局集團有限公司

隨著城市擴大和發展，城市群將連接更緊密，與之相配套的基礎設施城際鐵路作用將更為突顯，主要體現在長三角、珠三角、京津冀等沿海發達地區。近海市區施做明挖基坑將不可避免，施工難度也不言而喻，本文以臨海明挖隧道為例，對基坑降水進行設計，提出相應處理對策，以供類似工程參考。

城際鐵路；基坑降水；臨?；?/p>

1 前言

臨海明挖基坑具有地表水豐富、地層富水性好、透水性強、受潮汐影響大、地質水文地質條件復雜等特點，為保證基坑順利開挖、防基坑底部突涌、確?；臃€定，降水技術將非常重要。降水工程特點與對策決定了基坑工程的安全，基坑突涌分析、減壓降水分析、疏干井布設、沉降預測等是降水技術的關鍵。

2 工程簡介

橫琴隧道位于珠海市南灣大道東側海積平原區，明挖段基坑采用采用?800@1000mm、?1000@1200mm鉆孔灌注樁和鋼板樁，樁長12～27m，共設0～3道支撐。圍護結構外側采用?800@600旋噴樁止水帷幕?；娱_挖深度由淺入深，工作井開挖深度約16m，隧道中段一雨水泵房深約15m。

地層分布為：人工填土、淤泥、淤泥質黏土、粉質黏土、中砂、中砂、粗砂、礫砂、花崗巖全風化、強風化、弱風化。

隧道沿線臨海，地表水豐富，多為海水。地下水可分為第四系松散巖類孔隙水、深部基巖裂隙水。主要賦存于場區淺部人工填土及其下部砂類地層中，水量豐富，富水性好。砂土及花崗巖全風化層透水性強。砂土層中地下水大部分具有承壓性。基巖裂隙水主要賦存于巖層風化帶及節理裂隙中，接受上部孔隙水的補給，水量貧乏，水動力條件微弱。

表1 地層滲透系數表

3 降水工程特點分析

3.1 含水層分析

潛水以松散碎石、碎磚、瓦礫以及局部夾粉性土的粉質粘土層為主，主要含水介質顆粒較細，水力坡度小，地下水徑流十分緩慢。靜止水位埋深約為0.5m左右。

承壓含水層為砂質粉土，局部以粉砂為主，含水量較為豐富，埋深較淺，處于基坑開挖范圍內，開挖過程中，一旦該層水處理不當，將引起坑內流砂、管涌等現象，可能危及基坑安全。

下部含水層主要考慮全風化層，以砂為主，含水介質顆粒較大，層厚較大，地層滲透性良好，含水豐富。

3.2 開挖工況分析

基坑開挖由淺及深，最深工作井16m，排水周期較長，排水量較大。整個基坑開挖過程中，圍護結構理論上將上部砂層隔斷（局部區域隔斷），承壓含水層地下水將由承壓水轉為潛水。較深區域開挖過程中，基底接近下部風化砂層，對基坑有突涌風險，要求減壓處理，對減壓的控制應按“按需降水”控制，降水難度大。

3.3 圍護分析

基坑圍護大部分嵌入承壓含水層下部粘土層中，形成落底式止水帷幕，理論上能將坑內外的潛水、承壓水坑內外水力聯系切斷，形成良好的隔水邊界。但考慮到圍護施工過程中存在可能影響其對含水層隔水效果的不確定因素，對承壓水處理仍需慎重對待。基坑開挖過程中，密切注意圍護止水效果，在坑外適當位置考慮觀測井兼應急備用，減少抽降該層地下水對坑外環境造成的影響。

3.4 全風化層分析

全風化層主要考慮基坑開挖比較深的區域，開挖面接近風化層，存在突涌風險，嚴格按需降水，對該層應進行抽水試驗，確定水頭高度以及水文參數。

4 降水對策

4.1 分層降水

對于淺部開挖深度范圍內的潛水以及逐漸由承壓～潛水的承壓水，考慮圍護結構已對其有一定的隔水效果，且其與下伏的裂隙水之間存在粘土層，水力聯系不密切，對其采用管井進行疏干處理，控制地下水水位在基坑開挖面以下1.0m，為基坑開挖作業提供良好的環境。

對下部全風化層的裂隙水，考慮地層埋置深度較大，圍護結構沒有對其進行的隔水處理，在坑內采用減壓井進行“按需降水”，保證基坑安全及施工順利進行。

4.2 水位監測

在基坑內適量布置含水層的水位觀測井，根據地下水位監測結果指導降水運行。基坑外側適量布置水位觀測井，監測內部抽水后坑外水位變化情況。

4.3 坑外應急觀測井

鑒于基坑局部開挖深度大，坑內大幅度、大范圍、長時期的抽降地下水，將使得圍護內外的水頭差較大，對圍護的質量將是極大考驗。需在坑外適當位置布置砂層應急觀測井，加強水位觀測，判定止水結構的效果，必要時利用回灌井人為抬升地下水水位，減緩沉降變形。

4.4 按需降水

降水運行過程中，隨著開挖深度的加大，必須遵循“按需降水”原則，控制承壓水的水位滿足開挖時的安全要求，不得超降。減少降水對周邊環境。

4.5 施工配合

（1）在基坑外側布置集水總管或排水溝，將地下水統一外排至坑外市政排水管道。

（2）地下挖土作業人員視野受限，挖機容易碰觸或者挖斷坑內降水井，必須加強對降水井采取切實有效的保護措施。降水井需采用強度較高、厚度較大的4mm壁厚管材；降水井盡量布置在支撐附近，便于固定及保護；另需設置坑內應急備用降水井，以策安全。

（3）后澆帶預留時間較長，深度較大，后期降水井運行的時間會加長。后澆帶澆筑時適當增加澆筑厚度，提高強度，減少坑內降水井運行的時間以及數量；加密后澆帶附近降水井的布井密度。

4.6 堵漏配合

圍護體止水效果決定工程降水成敗，現場應有專業堵漏單位，配備足夠的材料設備及人員。同時，降水單位必須積極配合，在緊急情況下，能有效協助。

4.7 生產性抽水試驗

在基坑正式開挖施工之前，需進行生產性抽水試驗，可根據坑內外水位變化情況，初步檢驗止水帷幕對淺層潛水、承壓含水層，排查滲漏點，采取相應補強措施。對風化層承壓水應進行抽水試驗，確定出水量及水頭高度。

5 基坑底突涌分析

基坑底面設計標高以下存在全風化層，開挖過程中，必須有效控制全風化層水頭埋深，防止基坑發生突涌事故，基坑底板抗突涌穩定條件：在基坑底板至含水層頂板之間，土的自重壓力應大于含水層頂板處的承壓水頂托力，可按下式進行承壓水位控制：

取本工程基坑下伏基巖全風化層初始水頭埋深為2.5m，層頂最淺埋深18.0m。

抗突涌穩定性計算結果統計詳見下表4-1：

表4-1 基坑開挖深度hs與安全水頭埋深D對應關系表

基坑開挖深度超過臨界挖深時9.0m時，需對下部W4風化承壓水進行處理。

6 減壓降水分析

對全風化含水層采取有效的減壓降水措施，才能防止產生基坑突涌破壞。為了有效降低和控制全風化含水層的水頭，確?；娱_挖施工順利進行，必須進行專門的水文地質滲流計算與分析。

6.1 基坑降水概念模型

本次全風化減壓降水設計中，考慮到降水過程中，上覆含水層將與下伏含水層組之間將發生一定的水力聯系，需將上覆含水層、砂層以及下伏深層全風化含水層組一起納入模型參與計算，并將其概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型。

為了克服由于邊界的不確定性給計算結果帶來隨意性，定水頭邊界應遠離源、匯項。通過試算，本次計算以整個基坑的東、西、南、北最遠邊界點為起點，各向外擴展約300m，即實際計算平面尺寸為1000×800m2，四周均按定水頭邊界處理。

增強資金市場的融資能力.做大融資規模，做強融資團隊是城投的重要工作.融資能力強，資金成本低，市場競爭力就強.

6.2 基坑降水數值模擬

6.2.1 地下水運動數學模型

根據上述水文地質概念模型，建立下列與之相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型:

S為儲水系數；Sy為給水度；

M為全風化含水層單元體厚度(m)；

B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度(m)。

對整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將上述數學模型進行離散，就可得到數值模型，以此為基礎編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。

根據巖土工程勘察報告、水文地質條件、鉆孔資料，模擬區平面范圍按下述原則確定：以基坑為中心，邊界布置在降水井影響半徑以外。

①含水層的結構特征。根據研究區的幾何形狀以及實際地層結構條件，對研究區進行三維剖分。根據研究區工程地質及水文地質特性等信息，水平方向將水文地質概念模型剖分為242行、194列。

②模型參數特征。根據本工程的勘察資料、抽水試驗報告及相關工程資料，對模型進行賦值。

③水力特征。地下水滲流系統符合質量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點，地下水運動可概化成空間三維流；地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好地解決越流問題；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性，所以參數概化成水平向各向同性。

④源匯項處理方式：(1)減壓井處理。在《Visual Mod?flow2011》中，減壓降水井可以設置過濾器長度、出水量等參數。(2)邊界條件處理。在本次基坑降水模擬中，模型邊界在降水井影響邊界以外。故可將模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

⑤本次減壓降水三維滲流模型建立假設條件：(1)全風化承壓含水層的初始水頭埋深2.5m；(2)降水井運行時，考慮圍護部分隔水效果及群井效應因素，隨著降水井運行時間加長，單井涌水量平均5～10m3/h。

7 基坑降水設計

基坑部分區域需要對風化層承壓水進行降水處理，考慮到基坑內空間有限，同時圍護結構對風化層的隔水效果有限，在局部深坑（雨水泵房和工作井）外側布置降水井，協同坑內一起減壓，考慮坑內坑外協同減壓降水。

坑內降水井井深30m，過濾器20～29m，降水井孔徑600mm，井管及過濾器外徑273mm。

坑外降水井井深35m，過濾器25～34m，降水井孔徑600mm，井管及過濾器外徑273mm。

本基坑工作井開挖至最深16.0m時，降幅約12.07m。

經過計算，開挖到底時，坑內需要布置30m深的降水井7口，深坑區域坑外需要布置35m深的降水井8口，經過計算水位可以滿足承壓水抗突涌穩定性計算的要求。

在滿足“按需降水”計算的基礎上，需設置坑內降水應急備用井，其數量約占正常運行降水井的20%左右?？觾葴p壓井的運行依賴于實際的水位變化，水位的實時變化指導開挖施工過程中的降壓井運行數量及時間等計劃，因此需布置坑內水位觀測井。在本基坑中，應急備用井及水位觀測井適時共用，布置2口觀測井井結構同所在區域的降水井。

本基坑工程風化層降水井共計17口井，坑內30m，井數9口（含2口水位觀測井），坑外井深35m，井數8口。