深基坑降水技術(shù)的應(yīng)用及對周圍

PAGE深基坑降水技術(shù)的應(yīng)用及對周圍環(huán)境影響的分析摘要：本文介紹了地鐵車站深基坑采用真空井點降水和深井降承壓水的施工工藝和技術(shù)特點，分析了深基坑降承壓水、降潛水對周圍環(huán)境影響及防范措施。關(guān)鍵詞：地鐵深基坑；真空降水；深井降承壓水；周圍環(huán)境影響；防范措施。1概況1.1工程概況上海市軌道交通楊浦線（M8線）黃興路車站位于靖宇南路以東的控江路下,設(shè)計為地下兩層島式丙級站。車站長166.6m,標(biāo)準(zhǔn)段寬17.2m，標(biāo)準(zhǔn)段為單柱雙跨鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，黃興路站設(shè)計3個出入口、二個風(fēng)井，采用明挖順作法施工黃興路車站主體采用地下連續(xù)墻作基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，墻深27～29m，標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度14.9m,端頭井開挖深度16.7m。車站東側(cè)Ⅱ級基坑范圍及兩端頭井內(nèi)采用深層水泥土攪拌樁加固。車站附近交通繁忙，基坑周圍有雨、污水管、電力管等共18條地下管線，分布復(fù)雜，南側(cè)距基坑11～16m有楊浦大劇院、華聯(lián)吉買盛等重要建筑物。1.2工程地質(zhì)黃興路車站基坑40m深度范圍內(nèi)的地基土屬第四系河口～濱海、淺海相沉積，主要以飽和淤泥質(zhì)粘性土為主。土層主要特征為含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、滲透性差，坑底第④層灰色淤泥質(zhì)粘土易產(chǎn)生流變和回彈隆起。場地處于古河道邊緣，地層分部極不均勻，最大特點是第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土層（硬土層）從車站標(biāo)準(zhǔn)段和西端頭井分界處北側(cè)開始往東全部缺失，而分布第⑤-2（弱層壓水層）和⑤-3層粘質(zhì)粉土層，甚至⑤-3層也局部缺失，第⑦層粉砂層（承壓水層）分布在第⑤-2層下。黃興路車站基坑地層分布如下表1：1.3水文地質(zhì)根據(jù)地質(zhì)勘察報告，按其水文地質(zhì)特性本場地的地下水類型分兩類：潛水型與承壓水型。⑴潛水含水層：由地表以下至31.40～33.80m的范圍內(nèi)第②-1層～⑥層的土(除第⑤-2層粘質(zhì)粉土的砂性較重外)均為飽和粘性土，根據(jù)其特性均為透水性很弱的地層。地層的平均滲透系數(shù)一般為10-6～10-7cm/s。地下水位主要受大氣降水、蒸發(fā)的影響的而變化，地下潛水位深度為1.25m左右，本場地的第②-1～⑤-1b層土是本工程基坑內(nèi)降水的主要目的層。⑵承壓含水層：根據(jù)勘探資料，本場地的承壓含水層主要由第⑤-2層粘質(zhì)粉土與第⑦層砂質(zhì)粉土與粉砂層構(gòu)成。第⑤-2層粘質(zhì)粉土稱為微承壓含水層，第⑦層砂質(zhì)粉土與粉砂層為第Ⅰ承壓含水層。該兩層土在本場地分布的深度約在地表以下22.00m～44.00m范圍內(nèi)，局部地段兩含水層連通。該兩層土是本工程降承壓水頭的目的層。第⑦層土的承壓水水頭高度為地表以下4.90m，相應(yīng)的絕對標(biāo)高為-2.10m，第⑤-2層的微承壓含水層的水頭高度為地表以下5.00m左右，相應(yīng)的絕對標(biāo)高為-2.20m。表1黃興路車站基坑地層分布表土層名稱狀態(tài)層厚(m)層底標(biāo)高(m)滲透系數(shù)(cm/s)土層描述①-1雜填土0.6～0.841.002.4～1.991.78土質(zhì)較雜①-2黃色素填土松散0.50～0.670．901.70～1.321．08土質(zhì)不均勻②-1褐黃色粉質(zhì)粘土土可塑～軟塑1.40～1.722.200.00～-0.40-0.802.00E－006土質(zhì)較均勻③灰色淤泥粉質(zhì)粘粘土軟塑～流塑6.00～6.256.90-6.00～-6.65-7.131.00E－005土質(zhì)不勻，夾少少量粘質(zhì)粉粉土④灰色淤泥質(zhì)粘土土流塑6.60～7.208.30-13.32～-13.85-14.723.00E－006土質(zhì)均勻，夾少少量砂質(zhì)粉粉土⑤-1a灰色粘土軟塑2.10～3.303.90-16.52～-17.15-17.302.00E－006土質(zhì)均勻⑤-1b灰色粉質(zhì)粘土軟塑1.20～3.736.20-18.40～-20.88-23.333.00E－006土質(zhì)不均勻⑤-2灰色粘質(zhì)粉土1.50～7.0012.00-22.27～-28.68-31.902.00E－004土質(zhì)不均勻⑤-3灰色粉質(zhì)粘土軟塑0～0.609.50-29.28～-35.80-36.302.00E－006土質(zhì)不均勻，局局部缺失⑥暗綠色粉質(zhì)粘土土硬塑0.00～2.606.00-26.82～-27.42-28.27土質(zhì)均勻，局部部缺失⑦-1a草黃色砂質(zhì)粉土土2.00～5.506.00-32.92～-34.77-35.08土質(zhì)均勻2降水目的根據(jù)本工程的基坑開挖及基坑底板結(jié)構(gòu)施工的要求，本次降水目的：⑴通過降水及時疏干開挖范圍內(nèi)土層的地下水，使其得以壓縮固結(jié)，以提高土層的水平抗力，防止開挖面的土體失穩(wěn)。⑵在基坑開挖施工時做到及時降低基坑內(nèi)的地下水位，保證基坑的干開挖施工的順利進(jìn)行。⑶及時降低基坑下部承壓含水層的承壓水水頭，防止基坑底部突涌的發(fā)生，以確保施工時基坑底板的穩(wěn)定。3降水方案3.1降水井參數(shù)計算及布置根據(jù)本場地水文地質(zhì)條件，按無壓非完整井進(jìn)行計算，并根據(jù)基坑內(nèi)單井有效抽水面積的經(jīng)驗值a井=200～250m2/口，并考慮到兩端頭井和Ⅱ級基坑范圍內(nèi)自地面至坑底下3m范圍內(nèi)采用水泥攪拌樁加固等因素，井位布置如下：⑴車站主體基坑內(nèi)共布置降水井16口，其中南、北端頭井坑內(nèi)各布置1口，標(biāo)準(zhǔn)段內(nèi)布置14口。⑵車站附屬結(jié)構(gòu)范圍：東端風(fēng)井及一號出入口布置5口；二號出入口布置2口；西端風(fēng)井布置2口；三號出入口布置3口。車站降水井井位平面布置見圖1。圖1黃興路站降水井、降壓井井位及部分監(jiān)測點平面布置圖3.2降壓井參數(shù)計算及布置3.2.1降壓井布置依據(jù)⑴基坑底板穩(wěn)定性驗算由于本場地分布第⑤-2層粘質(zhì)粉土微承壓含水層和第⑦層砂質(zhì)粉土與粉砂層，對基坑底板均有可能產(chǎn)生頂托作用，因此本次對該兩層承壓含水層均進(jìn)行驗算。①基坑底板的穩(wěn)定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力。即：H·γs≥Fs·γw·h式中：H—基坑底至承壓含水層頂板間距離（m）,圖2井位豎向布置圖γs—基坑底至承壓含水層頂板間的土的平均重度（kN/m3）；h—承壓水水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m），γw—水的重度（kN/m3），取10kN/m3；Fs—安全系數(shù)，一般為1.0～１.2,取1.1；根據(jù)不同的基坑開挖深度分別計算各基坑底至承壓含水層頂板間的土壓力和承壓含水層的頂托力。②基坑底板穩(wěn)定性分析根據(jù)上述理論經(jīng)計算結(jié)果說明：當(dāng)主體結(jié)構(gòu)的基坑開挖至設(shè)計標(biāo)高時，第⑤-2層微承壓含水層的頂托力均大于基坑底的下伏土壓力，即基坑會發(fā)生突涌現(xiàn)象，而第⑦層第Ⅰ承壓含水層的頂托力對東、西端頭井部位的基坑有發(fā)生突涌的可能性，經(jīng)驗算需降低的水頭值不大（只需降至地表以下7.60m）。因此，本次降承壓水是降第⑤-2層和第⑦層的混合承壓水頭，各部位應(yīng)將第⑤-2層與第⑦層混合承壓水水頭降低的值如下表2：表2基坑開挖至坑底時第⑤-2層與⑦層混合承壓水水頭降低值表部位承壓水位降低值值（m）承壓水位標(biāo)高（m）備注東端頭井8.05-10.25⑤-2與⑦層混合合承壓水西端頭井7.14-9.34⑤-2與⑦層混合合承壓水標(biāo)準(zhǔn)段5.27-7.47⑤-2與⑦層混合合承壓水3.2.2降壓井設(shè)計布置思路以往地鐵車站降壓井的井位一般布置在基坑的兩側(cè)（外側(cè)），但根據(jù)本場地施工平面布置，在基坑南側(cè)有一條僅4.00m寬左右的便道，且其地下埋有三根地下管線，無法布井；而基坑北側(cè)為本工程主要的施工便道，布井的空間較小。通過計算，確定在基坑內(nèi)布置5口降壓井。但是降壓井在坑內(nèi)，在降水施工結(jié)束后必須采取有效地封井措施防止?jié)B水以及在基坑開挖施工過程中井管不能截割與碰擊。降壓井井位平面布置見圖1。3.3降水井、降壓井結(jié)構(gòu)⑴井口：井口應(yīng)高于地面以上0.50m，以防止地表污水滲入井內(nèi)，采用優(yōu)質(zhì)粘土或水泥漿封閉，其深度不小于4.00m；保證管內(nèi)真空不漏氣。⑵井壁管：降水井成孔孔徑φ500㎜，降壓井成孔孔徑φ550㎜，降水井與降壓井的井壁管均采用直徑φ250mm的焊接鋼管。⑶濾水管：降水井與降壓井均采用橋式濾水管，濾水管外均包一層30目～40目的尼龍網(wǎng)，濾水管的直徑與井壁管的直徑相同。降水、降壓井的濾水管位置均根據(jù)各井位對應(yīng)的地質(zhì)剖面來設(shè)計:降水井設(shè)2段濾水管，長3m和4m,分別設(shè)于基坑底以上第④層土和基坑下第⑤-1a層土中；降壓井的濾水管布置在第⑤-2層（微承壓含水層）與⑦-1層（承壓含水層）中，因該兩層土在車站標(biāo)準(zhǔn)段局部范圍連通，而在車站東西兩端頭井分別被⑤-3層與⑥層粉質(zhì)粘土隔開，則降壓井的濾水管在車站標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)1段,長5m，設(shè)于第⑤-2層和⑦-1層土中，兩端頭井每根降壓井設(shè)2段濾水管，長3～6m,分別設(shè)于第⑤-2層和⑦-1層土中。⑷沉淀管：沉淀管主要起到過濾器不致因井內(nèi)沉砂堵塞而影響進(jìn)水的作用。沉淀管接在濾水管底部，直徑與濾水管相同，長1.00m，沉淀管底口用鐵板封死；根據(jù)本場地的地層情況，降水井的深度不宜超過⑤-2層的頂板深度，為了確保降水井底部濾水管的長度，主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的降水井均不設(shè)沉淀管。⑸填礫料：降水井:采用潔凈的粗砂從井底向上至地表以下4.00m，于井管與孔壁之間的空隙均勻圍填。降壓井：采用顆粒磨圓度較好的粗砂，從井底向上至濾水管頂部以上2.00～4.00m圍填。⑹封孔：在降水（壓）井粗砂的圍填面以上采用優(yōu)質(zhì)粘土圍填至地表并夯實，降水井管口密封保證不漏氣。3.4降水井與降壓井運行3.4.1降水井運行⑴黃興路站降水井選用2S-185型水環(huán)式真空泵抽氣集水和QX12.5-55型潛水電泵排水。單口井點配用一臺潛水泵，3口井點配用一臺真空泵?；油练介_挖前20天開始降水。根據(jù)降水資料分析，降水開始30天內(nèi)降水效率最高，日出水量均在1噸以上，以后所抽出的水量逐漸減少，日出水量平均僅0.3噸左右，降水井工作的時間效應(yīng)明顯。⑵降水注意事項①嚴(yán)格密封降水井井管，保證真空管路系統(tǒng)在土方開挖前真空度達(dá)到－0.06Mpa以上，土方開挖過程中，真空度會有所下降，但須控制在－0.03Mpa左右。②降水井隨著基坑開挖，暴露井管隨時割除封堵。為方便挖掘機(jī)在基坑內(nèi)作業(yè)，井管隨著土方開挖而分段割除，并用粘土回填密實，保證有足夠抽水能力的真空度。⑶降水效果黃興路車站基坑降水后，坑內(nèi)土體的含水率w有所降低?；油练介_挖后，坑內(nèi)基本無積水，土體腳踩不易下陷，當(dāng)開挖成陡坡時土體均能自穩(wěn)，達(dá)到了提高基坑施工安全度、加快土方開挖進(jìn)度的目的。降水前后土體的含水率w對照見表3。表3降水前后土體含水率變化表土層取樣日期深度(m)含水率（％）降水前降水后②-1層2003.5..10-1.5～-33.532.627.4③層2003.5..12-8.0～-99.239.834.53.4.2降壓井運行⑴基坑開挖階段：根據(jù)基坑不同部位在不同開挖深度分別計算需降低承壓含水層的承壓水水頭高度。由基坑底板的穩(wěn)定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力，即公式H·γS≥FS·γW·h,計算得基坑開挖階段承壓水位需降低值，如下表4表4基坑開挖階段承壓水位降低數(shù)值表單位（m）基坑部位基坑開挖深度承壓水水頭降至至地表以下下深度備注東端頭井11.004.54開始降水14.009.1016.61813.05坑底西端頭井11.004.18開始降水14.008.7416.23812.14坑底標(biāo)準(zhǔn)段11.004.65開始降水13.007.6914.7010.27坑底說明：根據(jù)計算，在基坑的不同部位開挖到危險深度時，應(yīng)開啟相應(yīng)部位的降壓井進(jìn)行抽水，并及時觀測相鄰部位停抽井的實測水位深度（即需降承壓水的水頭高度）來調(diào)整是否需增開相鄰部位的降壓井。⑵主體結(jié)構(gòu)施工階段：主體結(jié)構(gòu)底板混凝土澆筑完成并達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后，底板與地下墻連成整體共同作用，其抗剪強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度經(jīng)驗算能夠滿足大于下伏承壓水頂托力的要求，故主體底板澆筑完成并達(dá)到相應(yīng)強(qiáng)度后可停止降承壓水。⑶降壓井降水效果由于本場地地質(zhì)情況復(fù)雜，局部地段潛水層與承壓水層連通，為加快降低潛水水位，決定提前降承壓水。降壓井自4月29日當(dāng)基坑開挖到地面下7m深后正式抽水，至2003年7月20日降承壓水基本結(jié)束，共歷時84天，5口降壓井抽承壓水共計6850噸，平均單井日抽水量16.3噸。期間基坑土方于2003年7月2日全部挖完，并于2003年7月12日主體結(jié)構(gòu)的底板全部澆筑完畢。通過降壓井及時抽取基坑下部承壓水，有效降低含水層的承壓水水頭，防止坑底突涌隆起，經(jīng)量測坑底最大隆起量僅3.0㎝，確保了基坑底板的穩(wěn)定。4深井降水對周圍環(huán)境影響的分析及其防范措施4.1降壓井抽水對周圍環(huán)境的影響2003年4月29日至5月21日黃興路站東端頭井基坑開挖至坑底期間，采取坑內(nèi)Y1和Y2號降壓井同時持續(xù)抽承壓水的措施，單井日均抽水量達(dá)30噸,水頭控制在地面以下13.5m左右。但發(fā)現(xiàn)對基坑周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響，具體如下：⑴南側(cè)距Y1、Y2降壓井較近的吉賣盛超市及周圍地表自5月9日～5月20日急劇沉降，甚至連距Y1、Y2降壓井較遠(yuǎn)的北側(cè)污水管的沉降觀測點在該期間也急劇沉降。吉賣盛商場建筑物累計沉降量見圖3；地表土體累計沉降變形曲線見圖4；北側(cè)污水管的沉降曲線見圖5從以上3圖可以看出：自5月9日～5月20日基坑周圍建筑物、地表及地下管線均發(fā)生急劇沉降：吉賣盛超市沉降觀測點F2點10天內(nèi)沉降22.17㎜，平均沉降速率2.22㎜/d；地表沉降點JS2-5點10內(nèi)沉降26.34㎜，平均沉降速率2.63㎜/d；北側(cè)污水管沉降觀測點W2點10天內(nèi)沉降18.5㎜，平均沉降速率1.85㎜/d。6月1日底板澆筑完后僅少量抽水，建筑物沉降曲線漸趨平緩。降壓井自4月29日開始大量不間斷的抽取承壓水，10后天基坑周圍建筑物、地表及地下管線開始發(fā)生急劇沉降，說明了大量不間斷的抽取承壓水,使承壓水頭大大降低，從而減小承壓水層的孔隙水壓力，土體被壓縮固結(jié)下沉。⑵距Y1、Y2降壓井不同距離點在抽承壓水期間不同時間段沉降情況分析。距基坑不同距離處沉降分析見表5表5距基坑不同距離處沉降分析表沉降點距基坑邊距離（m）5月6日～10日沉降情況5月11日～15日沉降情況5月16日～20日沉降情況沉降量沉降速率沉降量沉降速率沉降量沉降速率JS2-142.510.50213.112.62212.412.482W06351.120.22410.942.1888.341.668從表5及圖4～6中可以看出：降壓井自4月29日開始正式抽承壓水后，至5月10日以前地表和地下管線的沉降量和沉降速率均較小，表現(xiàn)在沉降曲線較平緩，自5月11日開始各點沉降明顯加快，從5月11日至5月15日5天時間內(nèi)地表沉降觀測點JS2-1沉降量比前5天大10.6㎜，沉降速率大5.2倍。即在抽承壓水滯后13天左右時間后，地表及地下管線等持續(xù)約10天時間發(fā)生急劇沉降。而距離降壓井越遠(yuǎn)的點沉降量越小。降壓井抽水時，由于井管濾網(wǎng)和砂濾層結(jié)構(gòu)不良，把土層中的粘土、粉土顆粒甚至細(xì)砂連同承壓水一同抽出地面，造成距離降壓井越近的點沉降量越大。本工程施工中井管濾網(wǎng)和砂濾層施工質(zhì)量較好，前期降壓井在抽水時，在排水溝中偶見少量降壓井抽上來沉淀的泥砂，從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析該因素對沉降影響較小。⑶基坑?xùn)|端外側(cè)水位觀測管SW1和SW2水位下降明顯加大。第5-2層微承壓水和第7-1層承壓水被不斷抽走后，會在井管周圍形成一較陡的降水漏斗，降水漏斗范圍內(nèi)的承壓水位下降后，微承壓水層(第⑤-2層)與潛水層間距離小，且土層間夾雜部分粉砂性粘土，承壓水層上部土層中的地下水被吸引向其下伏的承壓水層滲透，引起漏斗范圍內(nèi)地下水位下降，SW1和SW2觀測井水位短期急劇下降就是這個原因。基坑開挖階段地下水位累計變化量歷史曲線見圖6。從圖6中顯示：5月12日至5月21日黃興路站東端頭井基坑開挖至坑底期間，因坑內(nèi)Y1和Y2號降壓井持續(xù)大量抽承壓水，基坑?xùn)|端頭外側(cè)水位觀測管SW1和SW2水位下降明顯加大：SW1一天最大水位下降725mm，SW2最大水位下降497mm；SW1水位累計下降1873mm，SW2水位累計下降1597mm，均達(dá)到水位累計變化報警值。降壓井持續(xù)大量的抽取地下承壓水，對基坑周圍建筑物、地表和地下潛水位等均會產(chǎn)生不利影響。同時，由于在降壓井和降水井運行期間基坑進(jìn)行開挖，也對周圍地表和建筑物造成較大沉降，二者的影響量難以區(qū)分，但我們主要從5月9日～21日期間的監(jiān)測資料分析，由于該期間的工況與其他時間并無大的區(qū)別。因此，降水特別是降承壓水是導(dǎo)致周圍建筑物和地表、地下管線等發(fā)生較大沉降的一個不可忽略的因素。4