長春地鐵某區(qū)間降水方案設(shè)計與優(yōu)化

張要雷，吳銀柱

(長春工程學(xué)院勘查與測繪工程學(xué)院，長春 130021)

主要研究巖土工程。

摘要：以長春地鐵某區(qū)間降水工程為例，介紹了基坑涌水量、單井出水量及降水井井深、數(shù)量和間距的計算，并用有限元軟件Midas GTS NX 對不同的降水井井間距進(jìn)行模擬分析，得到了適宜的降水井井間距和井水位降深值，達(dá)到了既能滿足現(xiàn)場施工的要求又能節(jié)約降水工程造價的目的。

關(guān)鍵詞：地鐵；降水；井間距；水位降深

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.004

收稿日期：2015-07-02

基金項(xiàng)目：吉林省科技發(fā)展計劃項(xiàng)目(20140204033SF)

作者簡介：張要雷(1988-)，男(漢)，河南漯河，在讀碩士

中圖分類號：TU943.1獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1工程概況

本區(qū)間西起平陽街，東至大經(jīng)路，沿解放大路呈東西走向。本區(qū)間長約834.32 m，里程為K22+806.054～K23+640.374，擬采用礦山法施工，左右線中心距離13.50～16.00 m，隧道底板由西向東逐漸降低，底板標(biāo)高約為180.60～192.50 m，埋深約16.50～22.10 m。

1.1　場區(qū)地層分布

主要地層特征自上而下分述如下：雜填土①層：主要由黏性土和建筑垃圾組成，揭露厚度0.80～7.10 m；粉質(zhì)黏土②1層：黃褐色，可塑，揭露厚度0.70～6.50 m；粉質(zhì)黏土②2層：黃褐色，可塑偏軟，揭露厚度0.90～7.10 m；中粗砂②6層：褐黃色，飽和狀態(tài)，揭露厚度0.30～1.80 m；全風(fēng)化泥巖③1層：紫紅色泥巖，揭露厚度3.50～9.40 m；強(qiáng)風(fēng)化泥巖③2層：紫紅色泥巖，揭露厚度9.00～18.00 m；中風(fēng)化泥巖③3層：紫紅色泥巖，揭露厚度9.00～31.20 m。

1.2　場區(qū)地下水分布

勘察報告最大揭露深度為45.0 m，場區(qū)內(nèi)賦存3層地下水：第1層為表層孔隙性潛水，含水層為②1和②2層；2二層為淺層微承壓水，含水層為②6層，第1層和第2層地下水均屬于第四系松散巖類孔隙水；第3層為巖石裂隙水，含水層為全、強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖，屬于碎屑巖類裂隙水。

2降水工程初步設(shè)計

地鐵降水工程的復(fù)雜程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過一般基坑降水工程，因此，除滿足一般降水規(guī)范要求外，還必須考慮降水井布置時對交通、周邊環(huán)境的影響，避開地下管線、地下構(gòu)筑物，控制距建筑物基礎(chǔ)的距離等等。本區(qū)間地下水主要賦存于第四系黏性土和砂土層中，其中黏性土具弱透水性，砂土層屬強(qiáng)透水層。區(qū)間位于地下水位以下，應(yīng)做好防滲設(shè)計，施工時做好排水工作。根據(jù)長春地區(qū)常用基坑降水方法和本區(qū)間地下水對隧道施工影響的分析，采用管井降水方案，疏干結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的地下水。

2.1　基坑涌水量計算

該區(qū)間降水疏干范圍為835 m×22 m，周長1 714 m，長寬比>5，根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》計算基坑涌水量。

2.1.1潛水完整井基坑涌水量計算

(1)

式中：Q為基坑降水涌水量(m3/d)；k為含水層滲透系數(shù)(m/d)；H為潛水含水層厚度(m)；s為基坑地下水位的降深值(m)；R為 影響半徑(m)；r0為基坑等效半徑(m)。

參數(shù)選?。簁=0.8 m/d，H=16.5 m，s=16.5 m，R=141.7 m，r0=76 m，經(jīng)計算得Q=650.08 m3/d。

2.1.2承壓水完整井基坑涌水量計算

(2)

式中M為承壓水含水層厚度(m)。

參數(shù)選?。簁=50 m/d，M=2.35 m，s=16.5 m，R=707.1 m，r0=76 m，經(jīng)計算Q=5 203 .14 m3/d。

基坑總涌水量Q總=Q潛+Q承=650.08+5 203.14=5 853.22 m3/d。

2.2　管井單井出水量計算

管井單井出水量可按下式計算：

(3)

式中：q0為單井出水能力(m3/d)；γs為過濾器半徑(m)；l為過濾器進(jìn)水部分的長度(m)；k為含水層滲透系數(shù)(m/d)。

參數(shù)選取：k=0.8 m/d，γs=0.2 m，l=0.5 m，經(jīng)計算得q0=34.98 m3/d。

2.3　降水井井深、數(shù)量和井間距計算

根據(jù)JGJ/T 111—98《建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，降水井深度按下式計算：

HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6，

(4)

式中：HW為降水井的深度(m)；HW1為隧道底埋深(m)，取16.50/22.10 m；HW2為降水水位距隧道底部的要求深度(m)，取1.0 m；HW3=ir0，i為水力坡度，取1/10，r0為降水井分布范圍半徑(m)，取15 m；HW4為降水期間的地下水位變幅(m)，取1 m；HW5為降水井過濾器工作長度(m)，取1 m；HW6為降水井沉砂管長度(m)，取1 m。

經(jīng)計算，HW=22/27.6 m，取23/28 m。

降水井?dāng)?shù)量n=1.1×Q/q=184口，最大降水井間距=2×835÷n=9 m。降水井半徑0.3 m，沿開挖邊線外3 m布置。如果按6 m井間距布置需要278口井。

3降水方案優(yōu)化

方案優(yōu)化遵循既能保證區(qū)間隧道正常開挖的要求，又能最大限度地節(jié)省降水工程造價的原則，對降水井井間距和井水位降深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)長春市工程降水施工經(jīng)驗(yàn)，管井降水井間距一般取6 m，而理論計算得到的最大井間距為9 m，因此，該區(qū)間降水工程降水井間距按6～9 m的范圍劃分為7個梯段進(jìn)行優(yōu)化，7個梯段依次是6 m、6.5 m、7 m、7.5 m、8 m、8.5 m、9 m。井水位降深最小值=隧道底板標(biāo)高+1.0 m +水力坡度較小值(取1/15)×降水井分布范圍半徑+地下水位變幅-初始水位。井水位降深最大值=隧道底板標(biāo)高+1.0 m+水力坡度較大值(取1/10)×降水井分布范圍半徑+地下水位變幅-初始水位。為了簡便起見，建立模型時選取該區(qū)間一段進(jìn)行模擬。該小段隧道底板埋深為17.4 m，地下水位埋深在3.5 m左右，所以，井水位降深最小值為16.9 m，最大值為17.4 m。

3.1　模型建立

巖土與隧道結(jié)構(gòu)有限元分析軟件Midas GTS NX擁有簡潔的界面、前后處理功能強(qiáng)大的巖土材料模型庫，能滿足大部分巖土體的破壞形式。該軟件的應(yīng)力—滲流耦合分析功能能夠很好地模擬降水井抽水后引起的周邊水位降低的變化，因此，用此軟件對基坑工程建立三維數(shù)值模型比較接近真實(shí)情況，且計算結(jié)果相對安全。

按照井間距的不同，分別建立7個模型，每一個模型分別按照井水位降深值16.9 m、17.4 m進(jìn)行計算。模型大小100 m×100 m×25 m。設(shè)置10口降水井，區(qū)間兩側(cè)各布置5口降水井。

3.2　結(jié)果分析

軟件的后處理功能可以提供降水后的三維自由水位面，如圖1～2所示。

圖1　降水后的沿區(qū)間走向水位面

圖2　降水后的垂直區(qū)間走向水位面

7個模型模擬降水后的區(qū)間基坑自由水位面最高點(diǎn)見表1。

表1　降水后的基坑自由水位面

根據(jù)基坑降水水位距隧道底板1 m的要求，降水后的區(qū)間基坑自由水位面最高點(diǎn)應(yīng)該是18.4 m。從表1中得知8 m井間距、17.4 m井水位降深是最佳的。8 m井間距需要209口井，比原定方案278口井少69口井，而且滿足了現(xiàn)場施工開挖的干燥條件。

4結(jié)語

降水的過程在現(xiàn)實(shí)中是以三維滲流的形式存在的。本文通過有限元軟件Midas GTS NX 對長春地鐵某區(qū)間降水方案設(shè)計建立三維數(shù)值模型分析，根據(jù)降水后的區(qū)間基坑自由水位面最高點(diǎn)是否滿足要求來選擇合適的降水井井間距和井水位降深值。經(jīng)過降水方案優(yōu)化， 達(dá)到了既能滿足現(xiàn)場施工的要求又節(jié)約降水工程造價的目的。

參考文獻(xiàn)

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The dewatering plan design and optimization of a section in Changchun metro

ZHANG Yao-lei，et al.

(SchoolofProspectingandSurveyEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130021,China)

Abstract：Taking Changchun metro dewatering engineering as an example, this article introduces the pit content, single well water yield and precipitation well deep, the calculation of number and spacing, and by using the finite element software MIDAS GTS NX it makes simulation analysis to different precipitations in well spacings, obtains the suitable precipitation well spacing and well water level drawdown value, with the purpose of not only meeting the requirements of construction site and saving precipitation engineering cost.

Key words：subway; dewatering; well spacing; drawdown