王繼東

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100000)

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蘭州臨近黃河邊地鐵風(fēng)井降水施工技術(shù)

王繼東

(中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100000)

摘要：蘭州地鐵臨近黃河段地層以卵石層為主，地層滲透系數(shù)大，降水難度大。在借鑒蘭州地鐵其他工段降水經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬，建立與水文、地質(zhì)等工況相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型，以為施工提供可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)；通過(guò)采用坑內(nèi)外聯(lián)合降水與基底注漿相結(jié)合的形式完成降水施工。實(shí)現(xiàn)了黃河邊深基坑降水目的，達(dá)到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：地鐵；注漿加固；降水；數(shù)值模擬；滲透系數(shù)

蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)迎門(mén)灘站～馬灘站區(qū)間風(fēng)井兼聯(lián)絡(luò)通道采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)工期安排，區(qū)間盾構(gòu)在基坑不開(kāi)挖的前提下及在風(fēng)井無(wú)水狀態(tài)下進(jìn)行停機(jī)檢查，掘進(jìn)通過(guò)后再進(jìn)行基坑土方開(kāi)挖。由于基坑內(nèi)盾構(gòu)區(qū)間范圍無(wú)法設(shè)置降水井，導(dǎo)致降水井設(shè)置區(qū)域有限，且基坑臨近黃河邊，所處地層含水量大，滲透系數(shù)高。因此，合理確定降水技術(shù)是滿(mǎn)足施工要求及保證施工安全的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

1 工程概況

蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)迎門(mén)灘站～馬灘站區(qū)間風(fēng)井位于七里河斷陷盆地巨厚狀強(qiáng)透水砂卵石地層中，中心里程為YDK13+749 (ZDK13+745.190)，其平面尺寸31.4 m×20.4 m(含圍護(hù)結(jié)構(gòu)厚度，長(zhǎng)×寬)，井深約34.49 m，河岸距基坑中心距離約為92 m。風(fēng)井圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻(地連墻深45 m)。風(fēng)井位的鉆探結(jié)果表明，地質(zhì)構(gòu)造由上至下主要為雜填土(0～6.4 m)、2-10卵石層(6.4～14 m)及3-11卵石層(14～45 m)，主要含水層為砂卵礫石層。地下水主要賦存于2-10和3-11卵石層，2-10卵石層平均厚度7.6 m，卵石含量約為50%～55%，滲透系數(shù)為55～64 m/d；3-11卵石層平均厚度34.54 m，卵石含量約為55%～60%，滲透系數(shù)為50～55 m/d。通過(guò)后期項(xiàng)目進(jìn)行的抽水試驗(yàn)得出，2-10卵石土滲透系數(shù)取52 m/d，3-11卵石土滲透系數(shù)K取30 m/d。地下水潛水補(bǔ)給來(lái)源主要來(lái)自黃河水、上游地下水、大氣降水等補(bǔ)給。

2 工程難點(diǎn)及對(duì)策

針對(duì)本工程特點(diǎn)，充分利用我單位在蘭州地鐵1號(hào)線(xiàn)馬灘站(河岸距基坑中心距離約為1 080 m)已完成的降水施工，與本工程水文地質(zhì)條件和圍護(hù)特征、開(kāi)挖工況等較為類(lèi)似的專(zhuān)業(yè)降水設(shè)計(jì)及地下水控制經(jīng)驗(yàn)，采用以下措施解決本基坑降水工程中的難點(diǎn)：

(1)由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)未隔斷3-11卵石層，且本工程基坑面積小，降水幅度巨大，擬采用坑內(nèi)+坑外聯(lián)合降水形式進(jìn)行處理，并盡可能減短坑外抽水時(shí)間。

(2)對(duì)于坑內(nèi)降水井，井深不宜超過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)深，故設(shè)置43 m降水井；對(duì)于坑外降水井井深需超過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)10 m以上，設(shè)置56 m降水井。

(3)在基坑開(kāi)挖25 m以?xún)?nèi)采用坑內(nèi)降水井進(jìn)行降水，開(kāi)挖25～34.49 m采用坑內(nèi)外降水井聯(lián)合抽水。

(4)為確?？觾?nèi)降水井的不間斷工作，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)有雙電源保證措施，應(yīng)配置備用發(fā)電機(jī)組。

(5)坑內(nèi)降水井在底板澆筑完畢之后首先封井，然后封閉坑外降水井。

(6)通過(guò)對(duì)基坑底部土體注漿加固處理，降低土層滲透系數(shù)，減少降水井?dāng)?shù)量，以滿(mǎn)足整體施工需要。

3 施工措施

3.1 基底注漿加固

基底地層加固采用地面袖閥管注漿方式，基坑開(kāi)挖至離坑底約3 m，開(kāi)始注漿加固。加固采用“先封底，后檢測(cè)，再注漿固結(jié)“的工序。注漿后的加固體形成類(lèi)似封閉體，然后再降水至封閉體頂，盡量降低地下水對(duì)工程的影響。加固區(qū)域?yàn)榭觾?nèi)全斷面，深度為自結(jié)構(gòu)底板向下8 m范圍(加固地層主要位于3-11卵石層)，雙液漿配比為水泥漿水灰比為1∶0.75，水玻璃水泥漿體積比為1∶1。通過(guò)鉆芯取樣得出，加固地層(3-11卵石層)的滲透系數(shù)為1.3 m/d。

3.2 降水方案選型

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水帷幕采用1.2 m厚地下連續(xù)墻，墻深45 m，整個(gè)墻底基本位于3-11卵石層中，僅部分地插入降水目的含水層中，形成了一個(gè)人為的側(cè)向不透水邊界，未隔斷基坑內(nèi)外含水層之間聯(lián)系。由于插入深度不同，降水井不同的布置方式在降水井群抽水的影響下，地下水滲流場(chǎng)發(fā)生不同的變化，地下水運(yùn)動(dòng)不再是平面流或以平面流為主的運(yùn)動(dòng)，而是形成三維流或以垂直流為主的繞流形式，地下水計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮含水層的各向異性，有些情況下用解析解無(wú)法求解，必須借助三維數(shù)值模型[1]。

3.3 降水設(shè)計(jì)方案

據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，卵石層厚度大于200 m?？紤]到濾水管無(wú)法達(dá)到含水層底部，故模型采用潛水(無(wú)壓)非完整井。根據(jù)實(shí)際情況，擬將含水層考慮為均質(zhì)潛水含水層，由于含水層較厚，且基坑靠近河岸，故采用以下公式進(jìn)行涌水量計(jì)算[1-2]。

本次降水設(shè)計(jì)中，降水目的層為2-10、3-11層卵石含水層?？紤]到降水過(guò)程中，基坑內(nèi)外含水層之間將發(fā)生一定的水力聯(lián)系，因此，將坑外含水層一起納入模型參與計(jì)算，并將其簡(jiǎn)化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。

為了克服由于邊界的不確定而給計(jì)算結(jié)果帶來(lái)的隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源匯項(xiàng)。通過(guò)試算，本次計(jì)算以整個(gè)基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展約300 m，即實(shí)際計(jì)算平面尺寸為631.4×620.4 m2，四周均按定水頭邊界處理。

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型:

式中：S為儲(chǔ)水系數(shù)；Sy為給水度，即飽和介質(zhì)在重力排水作用下可以給出的水體積與多孔介質(zhì)體積之比；M為承壓含水層單元體厚度(m)；B為潛水含水層的地下水飽和厚度(m)；kxx，kyy，kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)(m/d)；h為點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭值(m)；W為源匯項(xiàng)(1/d)；h0為計(jì)算域初始水頭值(m)；h1為第一類(lèi)邊界的水頭值(m)；q為當(dāng)時(shí)間為t時(shí)刻的水流量值(m3)；t為時(shí)間(d)；Ω為計(jì)算域；Γ1為第一類(lèi)邊界；Γ2為第二類(lèi)邊界。

對(duì)整個(gè)滲流區(qū)進(jìn)行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，就可得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序，計(jì)算、預(yù)測(cè)降水引起的地下水位的時(shí)空分布。

3.4 基坑降水設(shè)計(jì)

根據(jù)不同階段開(kāi)挖深度，本工程坑內(nèi)結(jié)合坑外分別進(jìn)行降水，分別考慮不同開(kāi)啟時(shí)間。

坑內(nèi)降水井設(shè)置以43 m為主，過(guò)濾器長(zhǎng)6 m；坑外降水井設(shè)置以56 m為主，過(guò)濾器長(zhǎng)15 m。降水深井孔徑600 mm，井管及過(guò)濾器外徑273 mm。

坑內(nèi)設(shè)置8口降水井(含1口備用觀(guān)測(cè)井)，坑外設(shè)置30口降水井(含4口備用觀(guān)測(cè)井)(圖1)，分不同階段能夠滿(mǎn)足將水位控制在開(kāi)挖面以下1 m左右的要求。在減壓降水運(yùn)行過(guò)程中，及時(shí)準(zhǔn)確掌握含水層水位變化情況，控制降水深井開(kāi)啟的時(shí)間以及抽降承壓水的幅度，在確保水位控制滿(mǎn)足基坑安全需要的同時(shí)，減少降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

圖1 迎門(mén)灘站～馬灘站區(qū)間風(fēng)井降水井平面布置圖

3.4.1 開(kāi)挖深度25 m以?xún)?nèi)時(shí)

為減小坑外井開(kāi)啟時(shí)間，在基坑前期開(kāi)挖深度25 m以?xún)?nèi)，以坑內(nèi)降水井抽水為主，根據(jù)不同的開(kāi)挖深度依次增開(kāi)坑內(nèi)的降水深井。在同時(shí)開(kāi)啟8口降水井抽水運(yùn)行后基坑水位埋深和水位降深等值線(xiàn)圖分別見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 坑內(nèi)降水后水位埋深等值線(xiàn)圖

圖3 坑內(nèi)降水后基坑水位降深等值線(xiàn)圖

3.4.2 開(kāi)挖深度25～35 m時(shí)

在開(kāi)挖深度超過(guò)25 m后，以坑內(nèi)降水深井抽水為主的同時(shí)，逐步增加坑外降水深井的開(kāi)啟數(shù)量，直至開(kāi)挖至坑底，坑外降水深井全部開(kāi)啟。在同時(shí)開(kāi)啟坑內(nèi)8口和坑外30口降水深井抽水運(yùn)行后，坑內(nèi)和坑外聯(lián)合降水運(yùn)行后基坑水位埋深和水位降深等值線(xiàn)圖見(jiàn)圖4和圖5。

圖4 坑內(nèi)外聯(lián)合降水水位埋深等值線(xiàn)圖

4 降水結(jié)果分析

由本基坑降水結(jié)果得出，臨近黃河邊基坑內(nèi)降水采用袖閥管注漿加固可有效減少砂卵石層滲透系數(shù)?；釉?5 m以上時(shí)地下水補(bǔ)給方式為以大氣降水、灌溉水、污水為主，在25 m以下時(shí)補(bǔ)給方式為以黃河激發(fā)補(bǔ)給為主，出水量為9 200 m3/d，8眼降水井能夠滿(mǎn)足坑內(nèi)降水施工要求。坑外降水主要作用是降低周邊地下水與基坑內(nèi)的水力聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)基坑內(nèi)降水目的。本基坑降水過(guò)程中降水初期井內(nèi)水位下降較快，自地表以下25 m范圍內(nèi)降水在3～4 d內(nèi)完成，25 m至降水目的層需要10 d完成，降水量極大，需做好充足的排水準(zhǔn)備。

圖5 坑內(nèi)外聯(lián)合降水后水位降深等值線(xiàn)圖

5 結(jié)束語(yǔ)

在臨近黃河邊高透水性砂卵石地層中施工深基坑，應(yīng)對(duì)地下水補(bǔ)給的形式及水文地質(zhì)做合理的分析，采用基底注漿的方法改變部分地層的水文參數(shù)，選擇適用的降水參數(shù)計(jì)算及建立與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型能夠?yàn)槭┕ぬ峁┛煽康脑O(shè)計(jì)參數(shù)，可以為降水施工提高施工效率，實(shí)現(xiàn)工程完工安全、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]繆俊發(fā)，婁榮祥，方兆昌.上海地區(qū)的承壓含水層降水設(shè)計(jì)方法[J].地下空間與工程學(xué)報(bào)，2010(1)：167-173，218

[2]夏明耀，曾進(jìn)倫.地下工程設(shè)計(jì)施工手冊(cè)[M].2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2014：1032-1035

On the Water-Reducing Construction Techniques for the Ventilation Shaft of the Lanzhou Subway near the Yellow River

Wang Jidong

(The 16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China )

Abstract:As the Lanzhou Subway is located near the Yellow River,where the stratum consists mostly of cobblestone,and the permeation coefficient is great,there is great difficulty in water-reducing.Upon the basis of learning the water-reducing experience from projects of other sections of the Lanzhou Subway,a 3-dimensional numerical simulation model for the unsteady flows of the underground water movement in agreement with the hydrologic and geological engineering conditions is established to provide reliable design parameters for the condition.Combined with slip-casting in the base,the water-reducing construction is accomplished by means of the united water-reducing measures both inside and outside the foundation pit, with the aim of reducing underground water in the deep foundation pit by the Yellow River realized and the satisfactory result obtained.

Key words:subway;slip-cast to consolidate;water-reducing;numerical simulation;permeation coefficient

收稿日期：2015-12-24

作者簡(jiǎn)介：王繼東(1983—)，男，工程師，主要從事土木工程施工技術(shù)管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.004

中圖分類(lèi)號(hào)：U455.49

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-3953(2016)03-0017-03