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        深基坑粉質黏土隔水層降水施工

        2016-08-11 11:03:52賀利鋒
        大科技 2016年16期
        關鍵詞:坑壁隔水層砂層

        賀利鋒

        (西安市地下鐵道有限責任公司陜西 西安 710016)

        深基坑粉質黏土隔水層降水施工

        賀利鋒

        (西安市地下鐵道有限責任公司陜西 西安 710016)

        以西安地鐵四號線出入場線盾構始發(fā)井端深基坑為例,簡要介紹了基坑支護、降水設計及基坑開挖過程中降水運行過程?;拥撞看嬖诜圪|黏土隔水層,降水運行過程中僅用坑外管井降水無法將隔水層上層滯水排出,采用增加坑內(nèi)疏干井、基底排水溝及坑壁插板,土工布、沙袋阻擋流砂等疏堵結合處治措施,解決了基坑降水難題。通過本案例,對基底含有隔水層特殊地質情況的降水工程設計及施工積累了寶貴經(jīng)驗。

        降水工程;粉質黏土隔水層;層間滯水;止水

        1 引言

        隨著城市、地鐵建設的大規(guī)模發(fā)展,如何快速、有效控制地下水成為深基坑工程中首要環(huán)節(jié)。針對復雜的地質水文條件和城市環(huán)境,采取合理有效的降水方案及止水方法,才能保證基坑工程安全開挖、主體結構干燥施工、圍護結構穩(wěn)定及周邊環(huán)境安全。本基坑工程因基底下存在粉質黏土相對隔水層,采用常規(guī)的坑外深井降水施工無法將隔水層上層滯水疏干,本文結合工程實例,施工過程中不斷試驗優(yōu)化和探討總結此特殊地質情況下的降水設計及止水方法,以供類似工程參考。

        2 工程概況

        2.1 工程簡介及特點

        西安地鐵四號線出入場線盾構始發(fā)井端明挖區(qū)間位于西安市明光路道路西側,基坑長約467.6m,寬21.2m,最大深度14.5m(圖1)?;又ёo結構采用A1000@1300(盾構始發(fā)井)/A800@1100(結構標準段)鉆孔灌注樁,加三道鋼管內(nèi)支撐。主體為矩形框架結構,采用明挖法施工。

        圖1 結構平面布置圖

        工程特點為基坑工程規(guī)模大,環(huán)境條件要求高。開挖面積9900m2,挖土方量約10萬m3;基坑位于明光路道路西側,雙向四車道,擬建場地內(nèi)地下管線復雜,主要有沿尚稷路東西方向的DN3000雨水管、DN1000污水管、DN400熱力管、DN400給水管等,沿明光路南北方向的DN200燃氣管、DN300污水管等;本基坑樁+內(nèi)支撐支護結構安全等級為一級,監(jiān)測等級為一級,基坑周圍地表沉降最大限值為22mm,樁頂水平、豎向位移為29mm、22mm,對基坑圍護結構安全度和變形要求極高。

        2.2 工程地質概況

        場地地貌單元屬渭河高漫灘。根據(jù)工程地質調查及鉆探揭露,擬建場地地層自上而下地層巖性為:

        1-1人工雜填土層:地表起伏變化較大,厚度不均,成分以工程棄土、建筑垃圾等,結構松散,厚度約1.1m。

        2-4-1粉細砂層:位于水位以上,稍濕,稍密,砂質均勻,厚度約2.1m。

        2-5-1中砂層:位于水位以上,稍濕,中密,分布穩(wěn)定、連續(xù),厚度約2.85m。

        2-5-2中砂層:位于水位以下,飽和,土質較均勻,分不穩(wěn)定、連續(xù),厚度約7.4m。

        2-2-2粉質黏土層:位于水位以下,飽和,可塑,土質較均勻,分布不連續(xù),厚度約2.2m。

        2.3 水文地質概況

        地面高程為370.5~371.6m,地下水位高程362.54~364.14m,埋深約為現(xiàn)狀場平地面下8m左右。渭河漫灘區(qū)地下水位年內(nèi)變幅為0.62~2.3m,平均變幅為1.35m。地下水主要賦存于砂類土中,屬孔隙性潛水,含水層厚度>50m,無明顯承壓性,地下水補給主要來自大氣降水、側向徑流及農(nóng)田灌溉等,以及渭河季節(jié)性補給。

        3 降水方案設計

        3.1 方案設計

        針對基坑開挖范圍內(nèi)土層上部為1-1雜填土層、2-4粉細砂層,下部為2-5-2中砂層,場地內(nèi)地下水屬孔隙性潛水,結合地鐵施工及周邊地區(qū)的降水經(jīng)驗,該出入場線停車場端降水計算時采用的綜合滲透系數(shù)取25m/d,降水設計采用坑外管井降水+觀測井(見圖2)的綜合措施進行,設計采用完整井抽取砂層中潛水,使地下水位降至基底下1m。

        圖2 坑外管井降水示意圖

        3.2 降水計算

        本基坑需要降水范圍長274mm,寬18m,為不規(guī)則條狀基坑,降水基本參數(shù)如表1。

        表1 出入場線明挖段降水范圍基坑基本參數(shù)

        根據(jù)《建筑基坑支護技術規(guī)程》(JGJ120-2012)潛水完整井,基坑遠離邊界時,涌水量按公式E.0.1計算需要降水井的數(shù)量=27。

        3.3 管井位置布置

        根據(jù)本區(qū)間的地質情況,周邊水文地質情況及地下水位埋深,結合水位降深要求,布置井徑A800mm降水井27口,降水井深度25~30m,平均井間距約15~30m;設置觀測井6口,結構同降水井,深度25~30m;水井中心距結構外邊緣不小于3.0m。具體布井詳見布井詳圖3。

        圖3 出入場線停車場端明挖段降水井井位平面布置圖

        4 降水方案運行與降水效果

        4.1 降水施工方法及防涌砂措施

        4.1.1 降水施工方法

        依據(jù)本工程特點及西安地區(qū)富水砂層降水工程施工經(jīng)驗,采用清水反循環(huán)鉆進成井,大口徑井管降水施工方案,降水效果好且工程成本低,為比較經(jīng)濟可行的方案。

        清水反循環(huán)鉆孔成井結束后,下入井徑A800mm井管、填料,用排污泵及時洗井,洗井結束后含砂量不得大于1/萬,采用功率為3.5kW QJ30-35潛水泵抽取地下水,并將抽出的地下水排放至基坑上附近市政雨、污水管網(wǎng)中排出。

        4.1.2 防涌砂措施

        本基坑開挖范圍內(nèi)為粉細砂及中砂,若發(fā)生涌砂,產(chǎn)生的次生災害將極為嚴重,可能會引起大規(guī)模地面沉降、塌陷等。為保證基坑穩(wěn)定及周邊環(huán)境環(huán)境安全,研究采取了以下防涌砂措施:

        (1)采取合適的成井工藝。采取無泥漿清水反循環(huán)鉆進成井工藝、濾料厚度10cm、濾料采用磨圓度好的粒徑3~5mm天然圓礫;

        (2)加強包封處理。濾水管外采用2層60目的紗網(wǎng)進行包封,鐵絲綁扎固定防止脫落,管間接頭0.2m范圍采用土工布包扎;

        (3)加強封井措施。成井后井底填入1m厚磨圓度好的3~5mm礫石封底(如圖4)。

        4.2 基坑開挖及降水運行

        為減少降水對周圍環(huán)境的影響,保證地下管線及鄰近建構筑物的位移、變形可控,根據(jù)基坑分段、分層開挖工況,實施按需降水。

        基坑開挖提前15d進行降水,并對圍護結構位移、周邊環(huán)境沉降、變形及抽水含砂率進行監(jiān)測。1~3層土方開挖,均能保證干燥作業(yè);當開挖至第4層基底土時,地下水位降至距基底標高上1.5m無法繼續(xù)下降,樁間開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象,基坑內(nèi)滯水無法排出。

        初步認定原因為降水井單井出水量不夠,采取了集水坑明排及更換大功率泵措施。

        在基坑東西兩側開挖兩個2×2×1m(深)集水坑,用功率兩臺3.5kW水泵抽排。由于基底砂層松散,集水坑附近砂礫隨水流被大量帶入坑內(nèi),多次造成堵泵,抽水中斷。

        增大單井出水量,啟用4口觀測井進行降水,并將盾構始發(fā)井段全部更換為7.5kW大功率泵。當測量降水井內(nèi)動水位降至基底下4~5m時,基坑內(nèi)水位下降僅約0.2m,持續(xù)4d降水,坑內(nèi)水位仍無明顯下降跡象。

        圖4 降水井構造圖

        5 原因分析

        按原設計降水方案,基坑內(nèi)基底上仍有1.5m深潛水無法排出,即“軟槽底”現(xiàn)象,不能滿足基坑開挖及主體結構施工要求。盾構始發(fā)節(jié)點工期迫在眉睫,為有效解決水患,邀請專家召開降水專題會議,從地質原因、降水設計和非完整性降落漏斗進行了分析。

        5.1 地質原因分析

        仔細核對地質詳勘報告,盾構始發(fā)井開挖范圍內(nèi)土層上部為2-4粉細砂和2-5中砂,開挖基底下1~2m存在厚度約2~2.5m粉質黏土相對隔水層,其成因為原始渭河河漫灘沖積層。其各項特性參數(shù)如表2所示。

        表2 土層特性一覽表

        從表2中看出基底粉質黏土層滲透系數(shù)為0.5m/d,此相對隔水層阻礙了基坑內(nèi)潛水垂直滲流,坑外上層滯水通過樁間間隙水平滲流補給到基坑內(nèi),形成“軟槽底”現(xiàn)象。基底下存粉質黏土相對隔水層這一特殊地質情況,是造成坑內(nèi)水位無法下降的主要原因。

        5.2 降水設計分析

        降水模型的選擇應為潛水非完整井降水。原降水設計根據(jù)區(qū)間開挖深度范圍內(nèi)為富水砂層,涌水量計算采用模型為潛水完整井。設計降水井需穿過基底2~2.5m厚相對隔水層,其滲透系數(shù)為0.5m/d,遠小于富水砂層,其降水影響半徑也遠小于富水層。粉質黏土相對隔水層幾乎無水平及垂直滲流,在濾管附近為三維空間流,考慮含水層各向異性,采用潛水非完整井公式,非穩(wěn)定流理論進行計算,并進行抽水試驗獲取水文地質參數(shù)。

        5.3 非完整性降落漏斗分析

        在均勻粉細砂、中砂富水砂層中,水流連續(xù)想通,呈二維流態(tài),為無界基坑平面滲流,基坑內(nèi)1~3土方開挖降水過程中,不受基底下隔水層影響,降水井為完整井,形成完整降落漏斗,坑內(nèi)上層潛水通過樁間間隙繞流進入坑外降水井內(nèi),因此取得較好降水效果。

        基底第4層土方降水,由于基底下2~3m處粉質黏土相對隔水層對垂直滲流的阻滯作用,濾管附近為三維空間流,造成原降水設計約1/3井損,同時改變地下水降落漏斗的曲線形式,形成非完整降落漏斗,因而降水運行過程中會出現(xiàn)井內(nèi)動水位與基坑地面靜水位相差較大的現(xiàn)象(見圖5)。

        6 應對措施及實施效果

        6.1 疏、止、排結合措施

        坑外降水井內(nèi)動水位均已降至隔水層以下,基坑開挖范圍內(nèi)基底上存在1.2m深上層滯水層,為確保對上層滯水層中砂層的疏干效果,采取了增加坑內(nèi)疏干井、坑壁插板噴混凝土止水坑底盲溝排水等疏、止、排措施(圖6)。

        圖5 相對隔水層影響下非完整井抽水

        圖6 疏干井及基底排水溝平面圖

        (1)坑內(nèi)疏干井疏干坑內(nèi)上層滯水。在基坑內(nèi)增加2口直徑800mm,深12m疏干井,其構造同降水井。基坑內(nèi)采用沖擊鉆鍋錐打井過程中井深打至3~6m時,成井進尺異常緩慢,并且樁泥中含有大塊黃褐色黏土快,與地質勘查報告所揭示地層一致。

        (2)坑壁插板噴混凝土止水。基底地層為粉細砂及中砂,樁間滲流層涌水量大,防止樁間涌砂是保證基坑安全的重、難點?;娱_挖中部拉槽,坑壁兩側堆土反壓;樁間空隙用沙袋堵實,背后埋設包網(wǎng)引水管,并垂直基底打入C20鋼筋固定;坑壁兩側土體分約30~40cm兩層插入18mm厚膠合板,邊開挖邊掛網(wǎng)噴錨,鋼筋網(wǎng)片背后綁扎土工布,網(wǎng)片同樁體掛網(wǎng)鋼筋焊接,膠合板壁后埋設直徑A50mm包網(wǎng)引水管。

        (3)基底設置排水溝。在基底坑壁四周,及基坑中央設置100mm×100mm縱橫排水溝,將坑壁引水管引出水流,及坑底滲水集中匯入坑內(nèi)疏干井中排出。

        圖7 坑壁止水剖面圖

        6.2 實施效果

        基坑內(nèi)增設疏干井,有效的疏干了基坑內(nèi)粉質黏土相對隔水層上砂層中滯水,為基底無水開挖創(chuàng)造了條件(見圖8)。

        基坑側壁約1m高滲流層通過樁間插板、填碼砂袋、土工布掛網(wǎng)噴射混凝土封閉坑壁,及壁后埋設引水管等排水、止水結合措施,解決了樁間滲水量大的難題,并有效防止了涌砂。

        坑壁四周及基坑底設置排水盲溝,用以將樁間引水管排出水流、噴射混凝土接縫、基底未封閉處等局部滲水,引入疏干井內(nèi)集中排出。盲溝布置為縱橫向貫通、環(huán)形排水,有效防止了其中一條溝道堵塞后,水流仍可從另一方向排出。

        基底頂澆筑150mmC15混凝土墊層,后續(xù)防水卷材鋪設、主體結構鋼筋綁扎完全實現(xiàn)了干燥作業(yè)。6.3降水對環(huán)境的影響

        圖8 疏干井及坑壁止水剖面圖

        圍護結構變形、地表沉降、周邊建筑物及管線沉降位移、地下水位和抽水含砂量是本工程監(jiān)測重點。在基坑降水前完成各監(jiān)測點布置,并采取初始值?;咏邓\行過程中,各項監(jiān)測頻率均為1次/d,樁頂水平、豎向位移累計最大值分別為14mm、8mm,基坑周邊26m范圍內(nèi)地表沉降累計最大值為15mm,抽水含沙量未超過1/20000,管線窖井沉降累計最大值為DN400給水管8mm,所有管線均未發(fā)生不均勻沉降。

        7 結語

        本基坑降水工程因基底下存在粉質黏土相對隔水層,采用坑外深井降水無法將坑內(nèi)隔水層上層滯水排出,樁間坑壁滲流層涌水量大,在施工過程中不斷試驗及探討,采取增設坑內(nèi)疏干井,坑壁插板噴錨止水及坑底排水盲溝,“疏、止、排”綜合處理方案,及時解決了降水難題。通過此深基坑降水、開挖過程中實踐,有效的疏干了坑內(nèi)滯水,防止了坑壁滲流層涌水、涌砂,并保證了基坑圍護結構穩(wěn)定安全,將降水對周邊環(huán)境影響降低到最小,證明此基坑降水施工及運行是成功的,為類似類似降水工程設計及施工積累了寶貴經(jīng)驗。

        [1]龔曉南,郭紅仙.基坑工程實例2.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

        [2]吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論.北京:人民交通出版社,2003,6.

        [3]姚天強,石振華.《基坑降水手冊》.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006.

        [4]吳林高.基坑工程降水案例.北京:人民交通出版社,2009,2.

        TU753.8

        A

        1004-7344(2016)16-0115-03

        2016-5-25

        賀利鋒(1972-),女,工程師,本科,主要從事地鐵工程建設及施工管理工作。

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