西安地铁黄土地层超深基坑施工降水技术

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  摘要:西安地铁黄土地层的超深基坑施工降水,需综合分析基坑尺寸、水文地质及各种降水方案的优缺点,优选降水方案。结合北池头地铁车站工程实例,在深基坑施工中合理布置坑内深管井,并规范施工、科学运行,取得了较好的降水效果,为黄土地层超深基坑降水施工提供了借鉴和参考。
   关键词:黄土 深基坑 降水技术
  中图分类号: TV551.4 文献标识码: A 文章编号:
  地铁施工中区间暗挖隧道和车站超深基坑底板常位于地下水位線以下, 必须采取止水和降水措施,才能保证地铁施工正常进行。降水方法决定了降水效果,选择不当会使降水达不到预期效果,导致下步无法施工;降水运行方式影响周围建(构)筑物的结构安全,稍有不当会引起地表或建筑物沉降,造成安全事故。地铁事故调查分析显示,因设计和施工原因而导致的事故所占比例分别为46%和41%,而这些事故中70%以上是由水害引发的。地下水会导致土体的物理力学参数发生很大改变,增大设计的不确定性。地铁施工若不能很好地解决地下水问题,将直接影响项目的经济和社会效益。
  一、降水设计运行原理
  1 地下水控制方法
  地下水包括上层滞水、潜水、承压水。地铁施工控制地下水的方法分为降低地下水位、隔离地下水两种。施工中通常两种方法结合使用,采用地连墙、钻孔灌注桩加止水帷幕等隔水措施降低周边地下水渗透,同时配合深基坑降水,减少工作区底部地下水渗入,确保施工安全。其中降低地下水位的方法有: 集水明沟排水及降水井集中降水。降水井又包括轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、深井井点、渗井等。根据隧道或基坑断面尺寸、深度,场地及周边水文、地质条件,降水深度,周围环境状况,支护结构类型,工期以及技术经济等综合分析、优化,合理选用降水方案,也可一种或多种方式结合使用。
  井点降水降低地下潜水已成为一种常用的工程措施。井点降水在避免流砂、管涌和底鼓,保持干燥的施工环境,提高土体强度与基坑边坡稳定性方面都有显著的效果。一般当土质情况良好,土的降水深度不大,可采用单层轻型井点; 当降水深度超过6 m,且土层垂直渗透系数较小时或土层分部不同,特别是出现砂土结合层,宜用二级轻型井点或多层轻型井点,或在坑中另布井点,以分别降低上层、下层土的水位。当土的渗透系数小于0.1 时,可在一侧增加钢筋电极,改用电渗井点降水。对土质较差,降水深度8m以上的潜水、承压水层,采用多层轻型井点设备增多,土方量增大,不经济时,宜采用喷射井点降水。如果降水深度较大,土的渗透系数大,涌水量大,降水时间长,可选用管井井点; 如果降水很深>15m,涌水量大,土层复杂多变,降水时间很长,宜选用深井井点或简易的钢筋笼深井井点降水。当各种井点降水方法影响邻近建筑物产生不均匀沉降和使用安全时,应采用回灌井点或采用隔离地下水措施。隔离地下水是利用止水帷幕切断基坑外的地下水,再用降水井抽排基坑内部潜水、承压水以达到降低地下水位的措施。止水帷幕一般常用水泥注浆、高压喷射注浆( 旋喷桩) 或深层水泥土搅拌挡墙等。
  2 降水运行
  为使基坑降水引起的沉降最小,减小对周边环境、周边建筑附加沉降的影响,基坑降水应采用分阶段降水运行方案,以拉长降水时间,减缓降水速度,确保水位平稳下降。根据以往类似工程经验,结合项目降水特征,基坑降水起始时间为围护结构施工前两周,降水运行执行三阶段降水方案:
  第一阶段提前两周开始降水,水位降至1/3总降深,待周边建筑物沉降稳定;
  第二阶段水位降至2/3总降深,待周边建筑物沉降稳定;
  第三阶段水位降至设计要求水位。
  降水期间应严密监测周边建筑物变形情况,第二、三阶段降水起始时间由相关单位根据周边建筑沉降监测资料确定。
  随着施工的进行,结构逐渐成形,此时降水井仍需处于运行阶段,待防渗结构施工完成并形成强度后方可停止降水。
  二、西安地铁北池头车站降水方法
  1工程概况   北池头车站位于西安市西影路北池头十字东侧,结构形式为地下二层,主体宽约21m,底板埋深约18.7m,采用明挖法施工。
  本车站地形总体平坦,地面高程在425.17~428.70m之间,地貌单元属黄土洼。据《西安城市工程地质图集》,西安地区地层覆土主要为黄土状土、粉质黏土、砂卵石土。土质呈硬塑状,黄土状土具有湿陷性,地下水多为土体裂隙潜水,透水性差。
  本车站位于西安市东西主干道,交通发达,地下管线纵横交织,通讯光缆、地下电缆、城市给排水管线、雨水及污水管道密布。而车站范围内及附近建筑物较多,车站出入口及风亭位于已有建筑物范围内。据工程地质调查,基坑范围及周边的商业、民用建筑及人行天桥等,地基处理及结构形式多样。周围地下水丰富,芙蓉湖、南湖位于车站南部,其中芙蓉湖距车站约890m,南湖距车站为2.1km,两湖面积约710亩,水深约3~4m。施工难度很大。
  2 降水方案选择
  北池头车站基坑较宽,埋深较大。据工程地质、水文地质、施工方法及基坑周边建筑物环境条件,综合分析车站围护结构及止水帷幕,并结合相邻建筑物降水资料,车站降水采用坑内管井降水。布井原则如下:
  (1)为避免降水干扰结构施工,尽量避免降水井置于结构内。但当基坑宽度大于20米时,在采取可靠措施,有效避免坑底管涌的前提下,为增强降水效果,可采用坑内布井方式。本车站降水井设于基坑内,中心距离结构内边缘1.5m。
  (2)现场布设降水井位置时可局部移动,原则不超过降水井平均间距的20%,同时保证相邻降水井间距。
  (2)基坑降水涉及因素较多。为保证基坑降水顺利进行,也为极早发现并解决后期施工降水可能出现的,诸如局部水位下降太慢或降水不符合设计要求等问题,在设置降水井、备用井的基础上,设置观测井以观测水位变化。
  3降水设计计算原理
  (1)确定井深
  降水井深度按《工程地质手册》(第四版)公式(9-5-3)确定
   其中:
  H/—轨道底埋深;
  i—降水漏斗的水力坡降,计算中取0.1;
  h—其值= i*r0。r0取降水井间距的一半;
  sw—要求降水水位距离基坑底的深度,工程中取1.5m;
  hw—降水期间地下水位变幅,取2m;
  h´—沉砂管长度,取3m;
  L—降水井过滤器工作长度;
  经计算并结合实际工程经验,井深取35m。
  (2)降水计算
  根据《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB50307-1999),条型基坑出水量计算公式:
  
   r0=0.25η(L+B); 降水井个数n=1.1Q/q0;式中:
  Q—涌水量(m3/d);
  R—影响半径(m);
  H—含水层厚度(m);
  η—系数,计算方法参见《工程地质手册》(第三版)第955页表9-5-3,线性插入;
  r0 —降水等效半径(m);
  B—条形基坑宽度m;
  S—基坑(降水井壁外侧)水位降深(m);
  L—条型基坑长度(m);
  q0—单井出水量(m3/d);
  n—降水井数量(个)。
  4 降水计算成果
  (1)管井设计参数
  综合管井降水计算结果,确定基坑管井降水参数见《基坑降水计算表》。
  基坑降水计算表
  
  
  (2)管井材质及施工参数
  管井静水位以下采用砼滤水管,滤水管外均包一层铁丝网,然后再包一层40目~60目的尼龙网。滤水管孔隙率在30%以上,采用砼托盘下管,下管采用四支竹条固定管身,管间接头部位0.20m范围采用土工布包封。管井成孔据施工经验及现场实际施工条件综合确定。成井后井中填入0.30m厚砾石封底,滤料采用磨圆度较好的砾石(直径5~10mm),從井底填至井口下2m左右,上部用粘土封闭。管径、管接头部位用棕绳垫起,以形成井管间的柔性连接。井管安装后必须洗井。
  5、降水运行管理
  (1)为减少对周围地面及建筑物的影响,降水分三个阶段进行,减缓降水速度,确保水位平稳下降,使降水引起的沉降最小。
  (2)由于降深影响范围内有2-9层卵石层,为防止降水引起土层内粗颗粒的移动,引起涌砂和地面沉降,在成井施工时,严格控制降水井的滤料粒径(3~5mm砾石),提高滤料的过滤作用。为防止涌砂,成孔时做好地层描述,抽水时,注意观测水中的含泥砂量,大于1/10000时应停止抽水,查找原因。
  (3)施工过程中加强管理,设置专职人员重点对降水井的运行情况、地面及建筑物变形情况进行定期巡视监测,并形成文件记录,以便及时发现不安全因素。
  (4)深井抽排水在地面管网集中排放,出水口远离基坑边缘位置,防止产生循环水。
  6、降水引起地面沉降分析
  (1)沉降估算计算条件
  降水过程中当地下水被疏干时,处于地下水之下的土体浮力消失,所消失浮力转化为自重应力,自重应力增加值相当于浮力消失值,并可视等同于原始状态下土体附加应力增加值。土体在附加应力作用下产生压缩变形。
  根据车站勘察报告提供的地层剖面,降深要求范围内主要为4-4层粉质粘土层和2-9层卵石层,降水过程中产生固结沉降影响的主要为4-4层。以距离基坑最近的建筑物为主要研究对象,取降水过程中最不利的情况作为计算条件,模拟降水过程,预测降水达到设计要求时,建筑物周边范围内的地表沉降。计算影响范围取建筑物轮廓线尺寸,模型简图见图1,
  
  
  图1 沉降分析计算模型
  (2)沉降估算计算结果
  降水实施过程中引起周围土层的固结压缩,根据上述计算模型,采用《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)中关于沉降计算的方法,考虑应力随深度衰减的因素进行沉降预测。预测结果表明,降水区域内周边地面最大沉降量为53mm。但根据西安当地经验,类似地层条件下,实际压缩量约为计算压缩量的1/3~1/2,即约为20mm~30mm,对周边地面及管线不会造成较大的影响。
  为增加结构物沉降安全系数,根据我单位在西安市地铁类似基坑降水工程沉降监测资料,设定本项目降水沉降控制指标为:地面沉降10~20mm;建(构)筑物沉降10~30mm;建筑物、地下管线差异沉降小于2‰。
  根据降水运行期间沉降观测资料,当沉降变形超出限制时,应停止降水,查明原因,采取相应措施后,方可继续降水,确定结构物安全。
  7、降水沉降监测
  为了掌握降水情况,避免或降低降水引起的建筑物、构筑物及地下管线等附加沉降,沿降水影响范围布设沉降观测点,并对监测成果资料及时进行统计分析,据以指导施工。
  (1)布点原则及观测方法
  基坑四角埋设4个永久性的沉降观测点,此4个点布设于远离变形区的稳定区内,采用混凝土标,用混凝土灌注100cm左右的钢标,并保证水准基点在沉降观测期间稳定可靠。在相邻建筑物角点及各边中点布置沉降监测点。
  沉降观测按照《国家一、二等水准测量规范》、《建筑物变形测量规范》等相应内容进行。
  (2)观测周期
  抽水期间每天观测一次,如观测期间数据变化不大,趋于稳定状态,可每周测一次,如观测期间数据变化较大,再随时加测。因故停工,复工前加测一次,期间仍按常规(每周一次)监测。
  10 结束语
  黄土地层降水工程有着很大的特殊性,难度很大。
  (1)在选择降水方案时,必须充分掌握工程地质、水文地质特征,结合基坑结构形式和几何尺寸,参照本地区类似施工经验,经过经济技术比选后合理选择降水方案。
  (2)降水工程专业性强,地域性非常明显,类似工程经验非常重要。如前所述,黄土本身的物理学性质非常特殊,建议选择本地区经验丰富的设计单位进行方案设计,选择专业降水队伍降水施工,规避降水工程本身以及降水不到位给地铁施工带来的风险。
  (3)加强降水效果监测,及时分析优化方案,采取改进措施,对保证地铁施工安全尤为重要。
  (4)在黄土地区,基坑深度不大、基坑宽度﹤20m时,采用基坑外深井管降水即可满足降水要求。但当基坑较深、基坑宽度≧20m时,应采用内外结合的深井管井降水。
  
  
  参考文献
  1、孙社强.深井井点降水技术在西安某基坑工程的应用[J].山西建筑,34(33),105-106;
  2、《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》(GB 50307-1999)
  3、湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程(JGJ167-2009)
  4、《建筑与市政降水工程技术规范》(JGJ/T111-98)
  5、《市政公用工程管理与实务(全国一级建造师执业资格考试用书第三版)》
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