張 昀, 謝 濤, 楊海華

(1.中交第二公路工程局有限公司, 陜西西安 710065;2.中交二公局鐵路建設(shè)有限公司, 陜西西安 710065)

0 引言

降水工程是基坑工程的重要組成部分,基坑開挖前一般都要進(jìn)行降排水,以控制地下水位,為基坑開挖創(chuàng)造安全有利的施工環(huán)境。工程中,由于對水文地質(zhì)條件與工程地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)不足、地下水控制措施不到位引起的深基故事故時(shí)有發(fā)生[1-2],造成重大損失。

星月站為30號(hào)線第三座車站,位于大件路與西航港大道交叉路口東北處,車站呈偏東西向布置。車站為地下3層島式車站,為普通站。車站主體結(jié)構(gòu)總長為159 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬20.3 m,頂板覆土厚度為3.50～3.95 m。車站總建筑面積15 002 m2。本站主體與A口附屬部分的基坑同時(shí)開挖,開挖邊長為168.4 m,深度約11.4～26.47 m。車站主體基坑共設(shè)置4道支撐,其中第一道為混凝土支撐,第二道～第四道支撐為鋼支撐,樁間采取網(wǎng)噴支護(hù)。采用坑外管井降水與坑內(nèi)集水明排相結(jié)合的形式降排水,本基坑共設(shè)置21口降水井,其中17.5 m深降水井11口,22.5 m深降水井10口,其中JSJ-2、JSJ-6和JSJ-13同時(shí)兼作觀測井。實(shí)際施工表明,星月站降水措施設(shè)計(jì)合理,施工方法應(yīng)用得當(dāng),取得了良好的降水效果,為基坑工程的安全順利進(jìn)行提供了有力支撐。本文詳細(xì)闡述了星月站的水文地質(zhì)條件、降水井設(shè)計(jì)、降水井施工技術(shù)及降水效果模擬分析與實(shí)測值對比情況,可供類似工程參考。

1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

1.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)勘察報(bào)告提供的有關(guān)資料,成都軌道交通30號(hào)線一期星月站主要地層自上而下分別為:<1-2>雜填土(Q4ml)、<3-2-3>粉質(zhì)黏土(硬塑)(Q3fgl+al)、<3-8-1>卵石土(稍密)(Q3fgl+al)和<5-1-3>中等風(fēng)化泥巖(K2g)。其中,<3-8-1>卵石土是主要賦水層。

1.2 水文地質(zhì)條件

1.2.1 地表水

場地范圍內(nèi),地表水不發(fā)育。其次為道路兩側(cè)排水、排污管溝,水量較小。

1.2.2 地下水的類型及賦存

場地內(nèi)的地下水主要有2種類型:一是粉質(zhì)黏土、黏土層及人工填土層中的上層滯水;二是第四系松散地層中的孔隙水;三是基巖中的裂隙水。

1.2.2.1 上層滯水

本場地中的上層滯水主要存儲(chǔ)于地表人工填土層、粉質(zhì)黏土層中,大氣降水、雨水溝、污水溝內(nèi)的暫時(shí)性流水滲漏為其主要補(bǔ)給源。水量小,對車站影響較小。

1.2.2.2 第四系孔隙水

場地內(nèi)該層地下水主要存儲(chǔ)于第四系上更新統(tǒng)的砂、卵石土中,水量較豐富,為孔隙潛水,受地形和上覆土層控制,具微承壓性,地下水埋深一般為5.30～6.70 m,地下水平均埋深在5.89 m左右。孔隙水主要受大氣降水補(bǔ)給,少量接受上覆地層下滲補(bǔ)給,局部接受側(cè)向補(bǔ)給。該層地下水對車站工程影響較大。

1.2.2.3 基巖裂隙水

場地區(qū)內(nèi)基巖裂隙水的含水量較小,對車站工程影響小。但不能排除局部裂隙發(fā)育地段存儲(chǔ)藏一定的裂隙水,對基坑開挖造成影響。

1.2.3 地下水補(bǔ)給、徑流、排泄及動(dòng)態(tài)特征

本場內(nèi)地下水的主要通過大氣降雨和地表水滲入補(bǔ)給。

地下水位特別是上層潛水水位動(dòng)態(tài)與大氣降雨關(guān)系最為密切,水位峰谷值出現(xiàn)時(shí)間與降雨量峰谷值出現(xiàn)的時(shí)間基本一致。根據(jù)區(qū)域水文資料,水位隨降雨季節(jié)開始而回升,隨旱季到來而下降,年平均水位變幅1.2～3.5 m。本次勘察期間,場區(qū)地下水埋深較深,地下水埋深5.30～6.70 m,標(biāo)高490.24～491.32 m,水位起伏大。

2 降水相關(guān)參數(shù)及設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 降水相關(guān)參數(shù)確定

2.1.1 滲透系數(shù)K選取

根據(jù)詳細(xì)勘察報(bào)告及成都地鐵降水經(jīng)驗(yàn),場地內(nèi)各巖土層的透水性及滲透系數(shù)按表1取值。

表1 各巖土層透水性及滲透系數(shù)取值

2.1.2 含水層厚度(H)確定

本場地勘察期間地下水埋深一般為5.30～6.70 m,考慮成都地區(qū)雨季降水充沛,對地下水的補(bǔ)給較強(qiáng),地下水位埋深按原地面下2 m考慮,取494.00 m。根據(jù)詳勘報(bào)告描述場區(qū)地下水主要為賦存在砂卵石土中的孔隙水,結(jié)合詳勘圖紙含水層底標(biāo)高取值477.00 m。故含水層厚度取值H=17 m。

2.1.3 水位降深(SW)確定

由于車站結(jié)構(gòu)底板位于微透水層的泥巖中,且該層地下水主要通過集水明排方式疏干,管井降水不明顯,所以水位降深按強(qiáng)透水的卵石土與微透水層泥巖交界面考慮。水位降深取值SW=17 m。

2.2 降水設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)降水影響半徑計(jì)算。本場區(qū)降水主要為降低地下潛水,降水影響半徑參照潛水含水層影響半徑計(jì)算見式(1)。

(1)

(2)基坑計(jì)算半徑計(jì)算。區(qū)降水區(qū)域近似為矩形,基坑計(jì)算半徑r0參照矩形式(2)計(jì)算。

(2)

式中:a為基坑寬度,取值25.25 m;b為基坑長度,取值168.4 m;η為系數(shù),取值1.0。

(3)基坑總涌水量計(jì)算。 基坑涌水量時(shí),將基坑簡化為大井,采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。

(3)

(4)單井出水量計(jì)算。井單井設(shè)計(jì)出水量q按式(4)確定:

(4)

式中:r為過濾器半徑,取值0.15 m;l為過濾器進(jìn)水部分長度,取值2.5 m。

(5)降水井?dāng)?shù)量計(jì)算。井?dāng)?shù)量按式(5)計(jì)算。

(5)

(6)降水井深計(jì)算。降水井深度按式(6)計(jì)算。

h=HW1+HW2+HW3+HW4

(6)

式中:HW1為原地面到降水位點(diǎn)的深度,結(jié)合降水?dāng)嗝娴撞康膶?shí)際地層層分布取值13.6 m和17 m;HW2為ir1,i為水力梯度,r1為降水井排間距的一半(m);HW3為過濾器工作長度(m);HW4為沉沙管長度(m)。

由于井管標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長度為2.5 m,考慮井口位置做成埋深1 m的磚砌圓井,基坑兩端分布降水井深度取值h1=17.5 m,基坑中間分布降水井深度取值h2=22.5 m。

3 施工工藝技術(shù)

3.1 技術(shù)參數(shù)

3.1.1 降排水系統(tǒng)布置

本站設(shè)有降水井21口,均沿基坑開挖邊單排布置,整體呈環(huán)形封閉狀,與圍護(hù)樁凈距1.0 m。降水分兩段,1～11號(hào)井為一段,12～21號(hào)井為一段,分別通過集水總管匯總接入圍擋內(nèi)側(cè)排水溝中。具體井位布置如圖1所示。

圖1 星月站降水進(jìn)井平面布置(單位:m)

3.1.2 降水井結(jié)構(gòu)參數(shù)

降水井結(jié)構(gòu)采用無砂濾水水泥管和鋼筋混凝土實(shí)心管結(jié)合,井管直徑300 mm,壁厚30 mm,井深17.5 m和22.5 m,從下到上井管結(jié)構(gòu)依次為5或7根濾水管+2根實(shí)心管,每根管長2.5 m。為了防止降水過程中土體顆粒的流失,濾水管外包裹一層50目和100目濾網(wǎng)。井管與井壁間用粒料填充,地面2 m以下范圍采用圓礫填充,地面下2 m范圍內(nèi)采用黏土填充。

3.1.3 水泵及管道參數(shù)

根據(jù)涌水量、單井出水量的計(jì)算結(jié)果及設(shè)計(jì)出水深度,選用QS25-38型潛水泵,流量25 m3/h,揚(yáng)程38 m,電機(jī)功率4 kW,日抽水量為25×24=600 m3/d,水泵管為φ50 mm鋼管,集水總管為φ180 mm鋼管。

3.2 降水井施工工藝

3.2.1 管線探挖

降水井施工必須先探后鉆,井孔施工前需結(jié)合施工現(xiàn)場已進(jìn)行的探挖工作,來對管井施工范圍采取有針對性的探挖工作,探挖方式根據(jù)管線探挖具體操作要求進(jìn)行。

3.2.2 成孔

本工程降水井采用沖擊鉆成孔、泥漿護(hù)壁的施工工藝。

(1)測放井位。根據(jù)降水井具體位置進(jìn)行井位放樣,并用鋼筋做好井位十字護(hù)樁。

(2)埋設(shè)護(hù)筒。為保護(hù)孔口,鉆孔前需埋設(shè)鋼護(hù)筒。鋼護(hù)筒內(nèi)徑應(yīng)大于井徑20 cm,深度不小于2.0 m。護(hù)筒頂面宜高出地面30 cm,并在護(hù)筒上口設(shè)置進(jìn)漿口。中心與降水井中心應(yīng)重合,周邊用黏土夯實(shí)。

(3)鉆機(jī)就位、調(diào)整。鉆機(jī)就位前對主要機(jī)具設(shè)備進(jìn)行檢查驗(yàn)收。鉆機(jī)搭設(shè)地面應(yīng)平整堅(jiān)實(shí),鉆機(jī)支架、底座要堅(jiān)固平穩(wěn),不得產(chǎn)生位移和沉降。為了保證鉆機(jī)的穩(wěn)定,必要時(shí)采取拉設(shè)纜風(fēng)繩等措施進(jìn)行固定。

(4)鉆進(jìn)施工。降水井成孔φ600 mm,采用沖擊鉆或旋挖鉆鉆進(jìn),泥漿護(hù)壁。鉆進(jìn)過程中需保持泥漿稠度和漿液高度,嚴(yán)防井孔坍塌。在流砂層或泥漿滲漏嚴(yán)重的地層中,應(yīng)增大泥漿比重。當(dāng)遇不透水的黏土層時(shí),為防止在孔壁形成薄泥皮層,影響降水井出水量,成孔后應(yīng)進(jìn)行二次擴(kuò)孔,擴(kuò)孔直徑應(yīng)比原設(shè)計(jì)井徑大50～100 mm。

3.2.3 井管安裝

井管采用混凝土管,管外徑φ300 mm,壁厚30 mm,每根長2.5 m,采用管道系繩法人工下管。井管安裝需按照井壁設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),5或7根濾水管+2根鋼筋混凝土實(shí)心管的順序依次編號(hào)安裝。下管前,應(yīng)清孔換漿,清除井底的沉渣,并測量孔深,確保滿足設(shè)計(jì)孔深要求;對井管逐根進(jìn)行檢查、丈量、記錄,并封堵沉淀管底部。為保證井管下放垂直度和壁間填砂層厚度,應(yīng)在濾管上下各加一組扶正器。管節(jié)接頭處豎向采用4～8條扁竹條搭接固定,竹條一般長2～3 m、寬30 mm,并包裹一層50目和100目濾網(wǎng)。管節(jié)應(yīng)垂直下放,且保持在井孔中心,自然落下,不能強(qiáng)力下壓,以免毀壞過濾結(jié)構(gòu)。

3.2.4 井壁填礫與管外封閉

(1)井管下放到位后,及時(shí)用圓礫回填井管和井壁間空隙,回填時(shí)確保井壁四周填層密實(shí)均勻。濾料上方用粘土封堵,黏土封堵厚度為2 m。

(2)井內(nèi)含水層段的濾料應(yīng)具有良好的磨圓度,含泥量(含石粉)應(yīng)小于3%,粒徑控制在5～15 mm。含水層以上礫料的磨圓度和粒徑方面的要求可適當(dāng)降低,但嚴(yán)禁采用片狀或針狀的石屑。

(3)井內(nèi)填料應(yīng)均勻、填料速度不可過快,以免造成濾管偏斜,洗井后若出現(xiàn)濾料下沉現(xiàn)象,應(yīng)及時(shí)補(bǔ)充濾料。

3.2.5 洗井

井管四周充填圓礫后立即洗井,以清除殘留在孔內(nèi)與孔壁周圍的泥漿。采用活塞與壓縮空氣聯(lián)合洗井。

4 降水效果分析

以上采用大井法分析了降水井單井流量、總流量等降水指標(biāo),對于基坑降水有重要指導(dǎo)意義,但仍無法分析預(yù)測降水效果。Seep/W軟件是基于非飽和土理論的滲流數(shù)值模擬軟件,主要用于多孔介質(zhì)中地下水的滲流模擬研究,分析結(jié)果受到業(yè)內(nèi)一致認(rèn)可,已在巖土工程[3-4]、水利工程及災(zāi)害防治工程[5-8]領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

為了預(yù)測分析本降水工程的降水效果,進(jìn)一步指導(dǎo)降水工程實(shí)踐,本文采用Seep/W進(jìn)行了降水滲流分析,主要研究降水期間滲流場分布及降水井降水情況。

4.1 Seep/W非飽和土滲流控制的控制方程

Seep/W中用于非飽和土滲流的控制方程是Richards方程[1]。1931年,Richard將Darcy定律應(yīng)用于非飽和流,推導(dǎo)得出非飽和滲流的基本微分方程[10]見式(7)。

(7)

式中:k(θ)x為x軸方向的水力傳導(dǎo)率;k(θ)y為y軸方向的水力傳導(dǎo)率;k(θ)z為z軸方向的水力傳導(dǎo)率;H為總水頭;Q為流量邊界;θ為土壤體積含水率;t為時(shí)間。采用該公式,依據(jù)相應(yīng)邊界條件,Seep/W可對模型中每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行求解,從而獲得每個(gè)節(jié)點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)值解。

4.2 有限元模型

模型長度設(shè)置為223 m(基坑兩側(cè)各100 m),模型高度取50 m。模型網(wǎng)格均設(shè)置為矩形網(wǎng)格,邊長1.5～2 m。整個(gè)有限元模型包含3 078個(gè)單元,3 220個(gè)節(jié)點(diǎn),如圖2所示。

圖2 降水有限元模型

4.3 材料與邊界條件

分析時(shí)對模型進(jìn)行了一定簡化,主要考慮了場地內(nèi)<3-2-3>粉質(zhì)黏土、<3-8-1>卵石土和<5-1-3>中等風(fēng)化泥巖。各層均采用摩爾庫侖本構(gòu)進(jìn)行模擬,滲透參數(shù)如表1所示,土水特征曲線和水力傳導(dǎo)曲線選用了Seep/W內(nèi)置的相似土層的相關(guān)參數(shù)。滲流分析邊界主要有水頭邊界和流量邊界,根據(jù)降水工程的實(shí)際水力邊界情況,本次分析模型的左右邊界設(shè)為總水頭邊界,總水頭44 m,降水井設(shè)為壓力水頭邊界,壓力水頭為0。

4.4 模擬結(jié)果分析

利用軟件Seep/W建模進(jìn)行瞬態(tài)分析,模擬降水井運(yùn)行90天內(nèi)的降水效果,主要分析降水期間的地水下滲流場分布情況和單井出水量。模擬時(shí)共設(shè)置了9個(gè)分析時(shí)步,由于降水初期流場變化較大,分析時(shí)指定分析時(shí)步按指數(shù)方式增加。

圖3為分析所得的初始滲場壓力水頭分布情況,由圖可知,場地內(nèi)初始?jí)毫λ^隨深度呈線性增長,與理論分析一致。

圖3 初始滲流場分布

圖4給出了單井出水量隨時(shí)間變化曲線,從圖中可以看出,降水開始時(shí)單井出水量約為0.006 m3/s,與采用經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)的單井最大出水量較接近。但隨著降水的持續(xù),單井出水量迅速減小,至第30天減小至約0.001 m3/s,而且趨于穩(wěn)定。

圖4 單井出水量隨時(shí)間變化曲線

分析表明,降水至第10天時(shí),基坑范圍內(nèi)主要地下水含水層<3-8-1>卵石土中的水已被疏干,基坑內(nèi)地下水位降至卵石土與中等風(fēng)化泥巖接觸面以下約2 m。隨著降水時(shí)間的延長,地下水位不再下降,趨于穩(wěn)定。圖5為降水至90天時(shí)的地下水滲流場分布圖,從圖中可以看出,降水至90天時(shí)仍無法有效降排中等風(fēng)化中的地下水。造成這一現(xiàn)象的原因是,卵石層是本場地的主要含水層,水量豐富,滲透系數(shù)較大,隨著降水的進(jìn)行,場地外圍該層中的地下水會(huì)不斷地涌入場地,持續(xù)補(bǔ)給。而<5-1-3>中等風(fēng)化泥巖中含水量較小,且滲透系數(shù)很小,因此很難被疏干。

圖5 降水90天時(shí)的滲流場分布

圖6給出了模擬分析與實(shí)測降水井降深與時(shí)間關(guān)系曲線,從中可以看出,SEEP/W模擬分析所得的累計(jì)降深較實(shí)測值大約2.0 m,但與實(shí)測的累計(jì)降深與時(shí)間的關(guān)系趨勢非常接近。采用SEEP/W準(zhǔn)確預(yù)測了降水過程中地下滲流場的分布情況,為本工程的安全施工提供了有力支撐。

圖6 降水井累計(jì)降深與時(shí)間關(guān)系曲線

5 結(jié)束語

基坑降水工程的成敗事關(guān)基坑工程的順利進(jìn)行,成都軌道交通30號(hào)線星月站基坑工程深達(dá)26.47 m,場地內(nèi)主要地層為粉質(zhì)黏土、卵石土和中等風(fēng)化泥巖。卵石層較厚,富含地下水,滲透系數(shù)較大,與基坑周邊地層水力聯(lián)系緊密,補(bǔ)給源豐富,基坑降排水難度大。本文采用SEEP/W準(zhǔn)確模擬了降水過程中地下水滲流場分布情況,分析結(jié)果表明,由于中等風(fēng)化泥巖滲透系數(shù)小,很難疏干其中的地下水,因此本工程施工時(shí)采用了坑外管井降水和坑內(nèi)集水明排的形式。由于降水措施得當(dāng),本工程的降水效果得到有效保證。現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)亦表明,降水過程中僅疏干了卵石層的地下水,中等風(fēng)化泥巖中的地下水始終無法得到有效降排。