地鐵車站深基坑落底式地連墻止水效應分析

范衛琴,張紅章,熊宗海,謝武軍,謝昭宇

(1.武昌理工學院 智能建造學院,湖北 武漢 430074;2.武漢豐達地質工程有限公司,湖北 武漢 430074;3.湖北道澤勘測設計院有限公司,湖北 武漢 430074;4.中國地質大學(武漢) 工程學院,湖北 武漢 430074)

基坑施工對周邊環境的影響主要來源于基坑開挖和降水兩方面,眾多文獻對地鐵車站深基坑降水引起的周邊環境的沉降特點進行了數值模擬[1-4]或縮尺模型試驗[5-6],認為落底式地連墻能減小基坑降水對周邊環境的影響,但前題是地連墻沒有滲漏。工程中盡管可以通過多種施工措施來控制地連墻接縫質量[7],但止水帷幕往往會因墻底基巖裂隙繞流而引起側向滲漏。為檢驗地連墻的止水效果,可以在深基坑中開展群井試驗[8-9]或連通試驗[10-12]來檢驗并大致確定滲漏點位置。此外,還可以采用抽灌一體化設計實現在保證順利降水的同時有效控制基坑周邊建筑的沉降速率[13-14]。

在落底式地連墻施工完成后,做多組抽水連通試驗以檢驗止水效果,同時通過大降深群井試驗,校檢降深結果能否滿足主體結構的施工及土方開挖要求。本文以武漢某地鐵車站深基坑降水工程為背景,開展了現場連通試驗和群井大降深試驗。通過現場抽水連通試驗,觀測坑內外的抽水井和觀測井的水位降深變化規律,檢驗止水帷幕的隔水效果,并計算出等效滲透系數和降水井影響半徑,進一步評估基坑降水引發地下水位降深及對地面沉降方面的影響,且為最終確定降水方案的優化提供合理的設計依據;通過群井大降深試驗得到的坑內外水位的變化規律,判別落底式地下連續墻的封閉性,同時檢驗排水管的抽排能力及降水井的降深效果能否滿足設計要求。

1 工程概況

1.1 基坑規模及支護結構

某項目為武漢軌道交通地下三層島式站臺車站基坑,基坑大致呈矩形,南北向長約176.8 m,東西向寬為25.90～31.40 m,開挖面積約4 748.8 m2。工程場地整平標高約21.85 m,站臺底板埋深不同:墊層底絕對標高標準段底板底為-4.555 m、兩側盾構井段底板底為-6.215 m、廢水池段基底為-6.615 m,開挖深度最深達28.465 m。

基坑圍護結構采用落底式地下連續墻+2道混凝土支撐+3道鋼管支撐+1道鋼管倒撐,地下連續墻墻厚1 200 mm,墻底嵌入中風化砂礫巖,墻底深度約為地面下45 m?；又ёo典型剖面如圖1所示。

圖1 基坑支護結構典型剖面

1.2 工程地質條件

項目位于城市主干道上,其周邊存在較多地下管線,東側為處于已運營的武漢軌道交通4號線園林路站。場區地處長江北岸(左岸)Ⅰ級階地,屬沖積平原區。場地表層分布人工填土(Qml),其下為第四系全新統沖積層(Q4al)、沖洪積層(Q4al+pl);下伏基巖主要為二疊系下統棲霞組(P1q)灰巖、硅質白云巖以及志留系中統墳頭組(S2f)泥巖。依據地基土巖性結構物理力學性質及差異性,整個場地自上而下可分為5個工程地質層。場地主要賦存有上層滯水和承壓水。上部上層滯水水位埋藏淺,下部承壓水水頭高。承壓水主要賦存于場區(3～5)粉質黏土、粉土、粉砂互層及(4)層砂土中,(3～5)層為弱承壓、弱透水含水層,(4)層為強透水層,主要接受側向地下水的補給及側向排泄。

本場地距離長江最近約3 km,孔隙承壓水與長江水力聯系密切,呈互補關系,地下水位季節性變化規律明顯,水量較為豐富?？辈炱陂g承壓水位埋深約5～6 m,即水位高程為16.80～17.80 m。

1.3 降水井布置

基坑降水設計主要考慮2個因素:一是(3～5)層基坑開挖時在地下水動力作用下會產生流砂;二是基坑底位于(4)層砂層中,基坑開挖過程中會產生基坑突涌。按照施工經驗,坑內降水井啟動后,滿負荷運行時應能使基坑內承壓水水位降低至基底以下不少于1.0 m[2-3,7]。

綜合考慮,項目采用“隔降結合”的方式對承壓水進行處理,即對承壓水采用周邊落底隔水帷幕+坑內中深井降水與坑外備用中深井降水相結合的處理方式。降水井深與場區地質剖面示意如圖2所示?；觾裙苍O置16口深井降水井,基坑外設置20口觀測井兼安全儲備井,坑外降水井水平距離基坑標準段約23 m,基坑兩端為17～22 m。井深為36 m和38 m,降水井平面布置如圖3所示。降水井孔徑500 mm,井徑250 mm,壁厚5 mm。

圖2 地下水降水設計示意

圖3 基坑降水井及試驗分組平面布置

2 連通試驗

2.1 試驗分組

地下連續墻施工完成后進行抽水連通試驗,3口試驗井(1口抽水井,2口觀測井)為一組,整個試驗共計6組。抽水井位于坑內,觀測井在坑內、外各1口,分別布設于落底式止水帷幕內外兩側,井位分布如圖3所示。相應試驗井參數見表1,表1中井距為觀測井至抽水井之間的距離。試驗分為2個階段:第一階段為洗井階段,持續5天;第二階段為連通抽水試驗階段,先抽水再進行群井恢復試驗。

表1 試驗分組井編號及位置參數表

2.2 試驗要求

深井泵:采用200QJ80-39、200QJ50-39兩種型號,流量不小于50 m3/h,轉速2 900轉/min,葉輪直徑114 mm,級數10級,水泵始終低于動水位不少于5 m。

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抽水穩定標準:水位和涌水量同時趨于穩定,抽水井水位波動值不超過水位降低值的1%;當降深值小于10 m時,水位波動值小于3～5 cm。觀測井水位波動值小于2～3 cm,出水量波動值最大值與最小值之差小于平均出水量的5%。

靜止水位的觀測:試驗前對自然水位進行觀測,每0.5 h觀測一次,2 h水位變幅不超過2 cm,且無連續上升或下降趨勢時即可確定為靜止水位。

動態水位及涌水量的觀測:動水位或涌水量同時觀測,主孔和觀測孔同時觀測,開泵后每5～10 min觀測一次,至動水位穩定后調整為15～30 min觀測一次。

恢復水位觀測:試驗結束后,按照規范要求的間隔時間對恢復水位進行觀測,直至水位完全恢復至靜止水位為止。

2.3 試驗結果

2.3.1 降深及流量隨時間變化曲線

第1組連通試驗于8月27日下午15∶05開始,22∶05停泵。各抽水井流量與時間關系曲線(Q-t)、各試驗井降深與時間關系曲線(S-t)分別如圖4、圖5所示。

圖4 W12抽水井單落程Q-t過程曲線

圖5 W12、W31、H17抽水井單落程S-t曲線

圖4表明出水量在水泵開啟1 h后逐漸穩定,從圖5中可以看出:在試驗過程中,抽水井與觀測井的水位變化趨勢基本一致。試驗初期在短時間內水位快速下降,然后隨著時間的延續,水位下降速度逐漸降低,直至趨于穩定,整個變化曲線類似“勺”形。觀測期間,抽水井W12在150 min時動水位基本達到最大降深20.10 m左右,隨后水位逐漸趨于穩定,變化幅度在1～2 cm/h?？觾扔^測井W13在抽水的前150 min內降深速率較快,在200 min降深緩慢變化,最大降深16.60 m,在其后階段降深變化幅度明顯減少?？油庥^測井H17在觀測時間內水位下降緩慢,最大降深達3 cm。

其余5組連通試驗所得Q-t及S-t曲線特征與第1組試驗類似,此處省略相應曲線圖,直接匯總以上6組試驗的最大降深,如表2所示。

表2 連通試驗實測降深及涌水量匯總

由表2可知:① 基坑端頭的連通試驗中,抽水井及坑內觀測井的降深均較大,中間標準段的降水井降深均較小?；游鱾榷祟^抽水井的降深在7.34～8.1 m之間,坑內觀測井的降深在3.57～4.46 m;東側端頭抽水井的降深為7.92 m,坑內觀測井的降深在4.03 m;中間標準段抽水井的降深在4.57～4.9 m之間,坑內觀測井的降深在1.14～1.31 m之間。② 6組試驗坑外降水井的最大降深均很小,在0.01～0.06 m之間,最大僅為0.06 m,說明地下連續墻施工效果較好。③ 由于第1組試驗結束后進行了群井大降深試驗,后續第2組至第6組試驗于群井試驗結束后再完成,所以其初始水位及降深均低于第1組試驗結果。

2.3.2 水文地質參數計算

本例降水井為承壓非完整井,利用坑內抽水井及坑內1個觀測井相關數據求滲透系數k值,根據經驗公式求影響半徑R,計算公式如式(1)[15]。

(1)

(2)

式中:k為滲透系數;Q為井的出水量;r1為觀測井至抽水井之距離;rw為抽水井半徑;m為含水層厚度,根據水文地質條件,本例取值34.5 m;Sw為抽水井內水位降深;S1為觀測孔內水位降深;ξ1、ξ0分別為觀測井和抽水井穩定流非完整井補充阻力系數,查表[15]后分別取值0.143、19.5。

根據表1和表2中已知條件,將值帶入公式(1)計算所得滲透系數和影響半徑列于表3,由表可以看出,場區等效滲透系數k在12.25 ～15.60 m/d之間,降水井影響半徑在172～719 m之間。而該項目勘察報告給出:承壓含水層的滲透系數為21.01 m/d,影響半徑295 m。

表3 通過連通實測數據計算所得實際水文地質參數

連通試驗所得等效滲透系數較勘察期間滲透系數小,說明落底式止水帷幕對坑內外承壓水起到了一定的隔水作用,坑外地下水向坑內的流動受到了阻礙,基坑地下連續墻隔水帷幕尺寸效應的影響比較大。所以該等效水文地質參數是以設置落底式帷幕狀態為前提的。

3 群井大降深試驗

抽水連通試驗后進行1組群井大降深試驗,群井大降深試驗開啟坑內W6、W7、W8、W9、W11、W12降水井,坑內預留W3、W13作為坑內觀測井,坑外井均為觀測井,抽水期間坑內、外水位變化如表4所示。

表4 群井大降深試驗水位變化

抽水前坑外承壓水靜水位為絕對標高15.8 m左右,受落底式止水帷幕影響,群井抽水后抽水井單井涌水量為26～35 m3/h,比成井時涌水量小。降水7 d后,觀測井W3水位已降至絕對高程-7.69 m,低于盾構井基底標高-6.615 m,能滿足盾構井及標準段土方開挖及結構施工需要。同時坑外觀測井的水位變幅在0.05～0.4 m之間,可以認為該觀測井內水位變化不大,表明該側落底式止水帷幕施工質量滿足設計要求。

4 結論

1) 各組連通試驗均呈現同樣的規律:即抽水井水位降深最大,變化速率最快,坑內觀測井次之,坑外觀測水位幾乎沒有變化,說明該側落底式地連墻隔水效果較好。

2) 距離抽水井越近,其水位降深越大,觀測井的水位降深呈現出明顯降水“漏斗效應”規律。

3) 通過連通試驗可測得降深、流量,根據相關公式計算出等效水文地質參數,對比勘察期間所測結果,分析隔水邊界形成前后滲流場的變化,可為后期降水優化設計及主體站點基坑開挖施工提供安全保障。

4) 群井大降深試驗中,坑內觀測井水位降深大,而坑外觀測井水位降深很小,證明落底式地連墻的封閉性良好,所有降水井的抽排能力、降深效果均滿足施工要求。