劉 靜

(安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司南京分公司，江蘇南京210019)

0 前言

新鄭機(jī)場(chǎng)站是鄭州至新鄭機(jī)場(chǎng)城際鐵路的最后一座車站，也是工程量大、施工條件較為復(fù)雜的一座車站，為雙層三跨明挖雙島四線車站，其位于既有T1航站樓北側(cè)，迎賓大道東端下方。車站所處場(chǎng)地北側(cè)為新鄭機(jī)場(chǎng)過夜停車場(chǎng)，東側(cè)為機(jī)場(chǎng)站坪及聯(lián)絡(luò)道擴(kuò)建施工區(qū)，南側(cè)為T1航站樓、中國(guó)民用航空交通管理局河南分局、機(jī)場(chǎng)臨時(shí)停車場(chǎng)。規(guī)劃T2和T3航站樓分別位于車站的東側(cè)和北側(cè)，車站上方為規(guī)劃GTC交通中心。其地理位置如圖1所示。

圖1 地理位置示意圖

1 工程概況

1．1 工程設(shè)計(jì)概況

車站起訖里程為DK38+378.1～883.9，站臺(tái)中心里程為DK38+650，主體結(jié)構(gòu)全長(zhǎng)505.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬41.7 m，高19.83 m，開挖深度約22 m，車站主體建筑面積為42825 m2，地下附屬建筑面積為8423 m2，車站地下建筑面積為51248 m2。車站東、西兩端結(jié)構(gòu)頂板上有3.5 m厚覆土，覆土以上為GTC(綜合交通換乘中心)建筑結(jié)構(gòu)，中間部分與GTC結(jié)構(gòu)結(jié)合，車站頂板為GTC底板，車站范圍內(nèi)的墻、柱均作為GTC結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。

1．2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1．2．1 場(chǎng)地環(huán)境概況

擬建新鄭機(jī)場(chǎng)站位于迎賓大道北側(cè)輔路和綠化帶下，擬建場(chǎng)地自然地形基本平坦，自然地面高程為146.6～147.2 m。

1．2．2 地質(zhì)條件

場(chǎng)地范圍內(nèi)地層較為復(fù)雜(見圖2)，砂性土與粘性土互成透鏡體，開挖范圍主要為粉土、粉砂、粉質(zhì)粘土。屬黃土類地層，滲透性能差?；滓韵聻榉圪|(zhì)粘土，局部有粉砂夾層，粉質(zhì)粘土層下部為巨厚粉砂層，降水設(shè)計(jì)若忽視粉砂夾層及下部粉砂層，極易造成坑底突涌，或者底板施工完后造成結(jié)構(gòu)的上浮。

圖2 工程地質(zhì)剖面圖

1．2．3 水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，擬建場(chǎng)地在風(fēng)水嶺之南，由北向南徑流，主要以河流側(cè)向徑流和大氣降水形式補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式排泄。

本場(chǎng)地地下水類型屬于第四系松散巖類孔隙水，主要含水層為粉砂、細(xì)砂和粉土層中，本次勘察期間地下水水位高程為142.76～143.76 m，水位變幅約1 m。

根據(jù)勘察抽水試驗(yàn)資料，并依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)，結(jié)合擬建場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，經(jīng)計(jì)算，本次鉆探揭露地層的綜合滲透系數(shù)可按3.0 m/d采用，引用補(bǔ)給半徑可以取用40 m，引用影響半徑按500 m考慮。

2 降水工程特征與分析

2．1 降水目的

(1)降低坑內(nèi)土體含水量，提高坑內(nèi)土體強(qiáng)度，增加被動(dòng)區(qū)土抗力;(2)降低開挖范圍內(nèi)土體的含水率，方便挖掘機(jī)和工人在坑內(nèi)施工作業(yè);(3)將地下水位降至安全水位以下，增加基坑底板穩(wěn)定性，確保基坑施工安全。

2．2 降水特征

(1)根據(jù)勘察資料，開挖范圍內(nèi)的地層主要為粉土、粉砂、細(xì)砂，局部為薄層粉質(zhì)粘土，為飽水地層，對(duì)基坑開挖具有影響，開挖前需要對(duì)開挖范圍內(nèi)土體進(jìn)行疏干。

(2)場(chǎng)地范圍內(nèi)的地層較為復(fù)雜，砂性土與粘性土互成透鏡體，若忽視基底以下砂性土夾層，易造成坑底突涌。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為鉆孔灌注樁+樁間旋噴止水型式，樁間間距為200 mm，該種類型圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果較差，極易滲漏，引起坑外地表沉降。

(4)根據(jù)勘察資料，由于②1粉質(zhì)粘土層厚度變化，部分里程段(DK38+378.10～553.7)圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能隔斷坑內(nèi)、外水力聯(lián)系，基坑內(nèi)降水后，坑外水位必然會(huì)降低。

(5)基坑位于機(jī)場(chǎng)附近，周邊環(huán)境較為復(fù)雜，需要考慮降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2．3 設(shè)計(jì)思路

根據(jù)該工程以上特征，降水設(shè)計(jì)時(shí)采用以下思路。

(1)為方便基坑開挖、提高坑底及臨時(shí)邊坡的穩(wěn)定性，在基坑內(nèi)設(shè)置疏干井對(duì)開挖范圍內(nèi)地層進(jìn)行有效疏干。

(2)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能隔斷基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系里程段，按“懸掛式”止水帷幕處理，傳統(tǒng)的解析法無(wú)法計(jì)算出該類工況下的地下水滲流特征，設(shè)計(jì)時(shí)采用數(shù)值法進(jìn)行分析計(jì)算。

(3)考慮場(chǎng)地地層的復(fù)雜性，基坑內(nèi)部分疏干井采用全濾管井，基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)即封閉;部分疏干井在開挖面以下設(shè)置濾管、開挖面以上設(shè)實(shí)管，作為基坑底板施工完后的降壓井使用，同時(shí)便于后期封井。

(4)考慮到圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏，在基坑外圍布置一圈備用井，一旦發(fā)現(xiàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏后，及時(shí)封堵，若坑外水頭壓力大，條件允許情況下可適當(dāng)開啟備用井，待滲漏處封堵后即停止抽水，防止對(duì)坑外環(huán)境造成影響;必要時(shí)對(duì)坑外備用井進(jìn)行回灌。

3 降水計(jì)算模型

對(duì)于坑底為含水層且圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能隔斷基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系的部位(主體結(jié)構(gòu)DK38+378.1～553.70)，地下水位必須降至基坑底板以下1 m，才能保證基坑安全。為了有效降低和控制含水層水位，確保基坑安全順利開挖，必須進(jìn)行專門的水文地質(zhì)滲流分析，而傳統(tǒng)的解析公式無(wú)法適用于此類工況計(jì)算，因此，采用三維數(shù)值模擬進(jìn)行計(jì)算分析。

3．1 水文地質(zhì)概念模型

本次降水設(shè)計(jì)中，根據(jù)水文地質(zhì)條件及砂性土(含水層)與粘性土(隔水層)的分布情況，將模型概化為3個(gè)模擬層(見圖3):

第1層為由第四系全新統(tǒng)①(Q4)粉土、粉砂組成的含水層，基坑開挖時(shí)揭露該層;

第2層為由第四系上更新統(tǒng)沖積層②(Q3)的粉質(zhì)粘土組成的隔水層，局部存在天窗使第1層與第3層連通;

第3層為第四系上更新統(tǒng)沖積層②(Q3)及下覆地層的粉土、粉砂組成的含水層。

圖3 三維模型概化圖

因模擬范圍較小，場(chǎng)地離水文地質(zhì)自然邊界較遠(yuǎn)，為了克服邊界的不確定性對(duì)計(jì)算結(jié)果造成的影響，根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，本次以場(chǎng)地各邊向外擴(kuò)展500 m人為設(shè)定為定水頭補(bǔ)給邊界，初始水位值取標(biāo)高+144 m。

3．2 地下水流模型

根據(jù)以上建立的概念模型，在不考慮水的密度變化的前提下，可以給出相應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模型:

式中:Kxx、Kyy、Kzz——平行于主軸 x、y 和 z方向的滲透系數(shù)，L/T(L為長(zhǎng)度或高度，T為時(shí)間);W——單位體積流量，用以代表流進(jìn)或流出的源匯項(xiàng)，m3/d;h——點(diǎn)(x，y，z)在 t時(shí)刻的水位，m;Ss——儲(chǔ)水率，L/m;S——貯水系數(shù);Sy——給水度;M——承壓含水層厚度，m;B——潛水含水層厚度，m。

其中:Ω——立體時(shí)間域;H0(x，y，z，0)——研究區(qū)各層初始水頭值;H1(x，y，z，t)——研究區(qū)各層第一類邊界 Γ1上的已知水頭函數(shù)(L);q(x，y，z，t)——第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量(L2/T);對(duì)于隔水邊界，q=0。

3．3 模型剖分及參數(shù)選取

模型采用六面體網(wǎng)格剖分，在水平方向上采用非等距矩形網(wǎng)格剖面(基坑開挖區(qū)域附近網(wǎng)格加密)，模擬區(qū)平面上剖分為209行、444列，加密區(qū)最小單元格的面積為1 m×1 m，非加密區(qū)域單元格面積約為25 m×25 m;垂向上根據(jù)地層及圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度共剖分為4層，如圖4。

圖4 模型三維網(wǎng)格剖分圖

根據(jù)勘察資料的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行賦值，取地層的滲透系數(shù)為3 m/d。正式施工前，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)驗(yàn)證。

4 降水井布置

4．1 DK38+378.10～553.7降水井布置

4．1．1 降壓井布置

根據(jù)地質(zhì)資料(圖2)，該段坑底砂性土層厚度較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能進(jìn)入下部粘性土層，基坑內(nèi)、外存在水力聯(lián)系。該段降水方案設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮坑外地下水通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)底的繞流補(bǔ)給，進(jìn)行三維滲流分析計(jì)算。圍護(hù)結(jié)構(gòu)及降水井立體概化圖見圖5，根據(jù)數(shù)值模型分析計(jì)算，該段需要布置27口降壓井(含20%的備用兼觀測(cè)井)可將地下水位控制在開挖面以下1 m(見圖6)，其中該段總涌水量約為4350 m3/d，單井出水量約為200 m3/d，坑外水位最大降深值約14 m。

4．1．2 疏干井布置

該段基坑內(nèi)除降低坑底地下水位之外，還需對(duì)開挖范圍內(nèi)土層進(jìn)行疏干?；觾?nèi)降壓井僅在基坑底部設(shè)置濾管，在開挖面以上采用全孔濾料的形式對(duì)上部地層進(jìn)行引滲疏干，若只依靠這部分井引滲，單井的疏干面積較大，疏干效果較差。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，疏干降水設(shè)計(jì)時(shí)的單井有效疏干面積一般為150～250 m2，為了使疏干效果滿足開挖要求，本次降水設(shè)計(jì)取單井有效疏干面積為200 m2，本段基坑面積約8200 m2，因此再穿插布置14口全孔濾管的疏干井。見圖7。

圖5 降水井與維護(hù)結(jié)構(gòu)立體概化圖

圖6 DK38+378.1～553.7段水位標(biāo)高等值線圖

圖7 DK38+378.10～553.70降水井結(jié)構(gòu)圖

4．2 DK38+553.7～883.90降水井布置

4．2．1 基底抗突涌穩(wěn)定性分析

該段基坑底部為一層較厚的②1層粉質(zhì)粘土層，圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)入該層，理論上隔斷了基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系，基坑內(nèi)只需要布置疏干井進(jìn)行疏干即可。②1層粉質(zhì)粘土層底部為粉砂、細(xì)砂含水層，降水設(shè)計(jì)時(shí)若忽視該層，有可能造成坑底突涌，需要對(duì)其進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性分析。

基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件(參見圖8):基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力。即:

圖8 基坑底板抗突涌驗(yàn)算示意圖

(Ha－ Hb)·γs≥ Fs·(ha－ Hb)γw

式中:Ha——基坑開挖底板高程，m;Hb——含水層頂板高程，m;γs——土的飽和重度，kN/m3;ha——承壓水頭安全水位高程，m;γw——水的重度，取10 kN/m3;Fs——安全系數(shù)，一般為 1.0～1.2，本工程取1.05;

可求得安全水位:

ha=Hb+(Ha－ Hb)γs/(Fsγw)

根據(jù)初始水位標(biāo)高即可求地下水位降深:

S=H初始水位－ ha

計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 基坑底板抗突涌計(jì)算表

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，僅BDZ－DXCZ8鉆孔附近需要降低②1層粉質(zhì)粘土層以下水位，水位降深4.53 m，而根據(jù)圖6，DK38+378.10～553.7段基坑降水時(shí)，該處地下水位降深約7.00 m，滿足設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)時(shí)此段不單獨(dú)設(shè)置降壓井。

4．2．2 疏干井布置

本次降水設(shè)計(jì)取單井有效疏干面積為200 m2，此段基坑面積約13600 m2，共布置69口疏干井。理論上該段圍護(hù)結(jié)構(gòu)已隔斷了基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系，實(shí)際施工中，坑底以下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏以及坑底地層的垂向滲流補(bǔ)給，導(dǎo)致基坑底板施工完后還必須降水，直至結(jié)構(gòu)重力滿足抗浮設(shè)計(jì)要求。因此，疏干井設(shè)計(jì)時(shí)，一半疏干井采用全孔濾管，基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后即可封井;一半疏干井在基坑底板以下設(shè)計(jì)濾管，底板以上設(shè)置實(shí)管，便于后期的抽水運(yùn)行及封井。詳見圖9，2種結(jié)構(gòu)疏干井穿插布置。

圖9 DK38+553.70～883.90降水井結(jié)構(gòu)圖

4．3 坑外備用井布置

坑外備用井按間距20 m布置，共需59口坑外備用井，距離基坑外邊緣約6口，現(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4．4 降水井結(jié)構(gòu)

坑外備用井采用無(wú)砂混凝土管井(圖7、9)，坑內(nèi)疏干井分為2類，一類為全孔濾管的疏干井，管材采用無(wú)砂混凝土管，基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后即可在施工墊層時(shí)澆筑至墊層以下;另一類為鋼管疏干井，僅在開挖底板以下設(shè)置濾管，開挖面以上為實(shí)管，便于基坑底板施工完后繼續(xù)抽水，直至結(jié)構(gòu)重力滿足抗浮設(shè)計(jì)。

5 降水井施工技術(shù)

施工設(shè)備選用8QZJ－130型工程鉆機(jī)及其配套設(shè)備。成孔時(shí)采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泥漿護(hù)壁的成孔工藝。

5．1 鉆進(jìn)清孔

鉆進(jìn)中保持泥漿密度在1.10～1.15 g/cm3，盡量采用地層自然造漿，整個(gè)鉆進(jìn)過程中要求大鉤吊緊后徐徐給進(jìn)(始終處于減壓鉆進(jìn))，避免鉆具產(chǎn)生彎曲，特別是開孔時(shí)不能讓機(jī)上鉆桿和水接頭產(chǎn)生大幅擺動(dòng)。每鉆進(jìn)一根鉆桿應(yīng)重復(fù)掃孔一次，并清理孔內(nèi)泥塊后再接新鉆桿，終孔后應(yīng)徹底清孔，直到返回泥漿內(nèi)不含泥塊，返出的泥漿含砂量＜12%后提鉆。

5．2 下井管及濾管

按設(shè)計(jì)井深事先將井管排列、組合，下管時(shí)所有深井的底部按標(biāo)高嚴(yán)格控制，并且保持井口標(biāo)高一致。井管應(yīng)平穩(wěn)入孔，每節(jié)井管的兩端口要找平，其下端有45°坡角，焊接時(shí)二節(jié)井管應(yīng)用經(jīng)緯儀從成90°的兩個(gè)方向找直，并有二人對(duì)稱焊接，確保焊接垂直，完整無(wú)隙，保證焊接強(qiáng)度，以免脫落。為了保證井管不靠在井壁上和保證填砂厚度，在濾水管上下部各加一組扶正器4塊，保證環(huán)狀填砂間隙厚度＞150 mm，過濾器應(yīng)刷洗干凈，過濾器縫隙(約1 mm)均勻，外包一層40目濾網(wǎng)。下管要準(zhǔn)確到位。自然落下，稍轉(zhuǎn)動(dòng)落到位，不可強(qiáng)力壓下，以免損壞過濾結(jié)構(gòu)。井管到位后下鉆桿泥漿密度稀釋到1.05 g/cm3左右，在稀釋泥漿時(shí)井管管口應(yīng)密封，使泥漿從過濾器經(jīng)井管與孔壁的環(huán)狀間隙返回地面，稀釋泥漿應(yīng)逐步緩慢進(jìn)行。

5．3 填砂

稀釋泥漿密度在1.05 g/cm3后關(guān)小泵量，將填砂徐徐填入，并隨填隨測(cè)填砂頂面的高度，不得超高。填砂采用級(jí)配良好的中粗砂，粒徑為地層砂粒徑的8～12倍。水平向填砂厚度≮150 mm，垂向填砂高度嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行(見圖7、圖9)。

5．4 聯(lián)合洗井

洗井要求采用活塞空壓機(jī)聯(lián)合洗井方法，先用空壓機(jī)洗井，待出水后改用活塞洗井，活塞洗井一定要將水拉出井口，形成井噴狀，要求洗井到清水，然后再用空壓機(jī)洗井并清除井底存砂。成井后水的含砂量達(dá)到鑿井驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，確保洗井質(zhì)量。

5．5 下泵抽水

安裝泵體要穩(wěn)，泵軸垂直，連接好排水管及電源線路進(jìn)行試抽水，測(cè)定井內(nèi)水位及觀測(cè)孔水位變化及流量。

6 降水效果

7 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目從開挖開始降水工作進(jìn)行的十分順利，整個(gè)基坑開挖過程中干燥無(wú)水，亦無(wú)管涌、流砂、突涌等危險(xiǎn)事件的發(fā)生，降水工程的成功取決于對(duì)本地區(qū)復(fù)雜地層的充分理解、正確的降水設(shè)計(jì)方案以及嚴(yán)格的質(zhì)量控制，開挖過程中，地下水位始終位于開挖面以下1～2 m，降水井抽水含砂率＜1/20萬(wàn)。通過本工程的實(shí)踐，可得出以下體會(huì):

(1)在復(fù)雜地層的基坑降水設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用坑內(nèi)外結(jié)合降水的方案，并針對(duì)水文地質(zhì)特征進(jìn)行分段設(shè)計(jì);

(2)坑外水位降低，側(cè)壓力減小，增加了圍護(hù)體系的穩(wěn)定性，同時(shí)避免了樁間滲水、流砂、管涌的發(fā)生;

(3)降水效果較好，使渣土車可以直接開至坑底，采用裝載機(jī)推土裝車，大大提高了工作效率，縮短工期;

(4)開挖前確保水位能降至設(shè)計(jì)要求，開挖過程中嚴(yán)密監(jiān)測(cè)地下水位變化，根據(jù)分段設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，做到按需降水，保證基坑安全的同時(shí)，最大限度的減少降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

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