深基坑降水技术的应用及对周围

PAGE深基坑降水技术的应用及对周围环境影响的分析摘要：本文介绍了地铁车站深基坑采用真空井点降水和深井降承压水的施工工艺和技术特点，分析了深基坑降承压水、降潜水对周围环境影响及防范措施。关键词：地铁深基坑；真空降水；深井降承压水；周围环境影响；防范措施。1概况1.1工程概况上海市轨道交通杨浦线（M8线）黄兴路车站位于靖宇南路以东的控江路下,设计为地下两层岛式丙级站。车站长166.6m,标准段宽17.2m，标准段为单柱双跨钢筋混凝土箱型框架结构，黄兴路站设计3个出入口、二个风井，采用明挖顺作法施工黄兴路车站主体采用地下连续墙作基坑的围护结构，墙深27～29m，标准段开挖深度14.9m,端头井开挖深度16.7m。车站东侧Ⅱ级基坑范围及两端头井内采用深层水泥土搅拌桩加固。车站附近交通繁忙，基坑周围有雨、污水管、电力管等共18条地下管线，分布复杂，南侧距基坑11～16m有杨浦大剧院、华联吉买盛等重要建筑物。1.2工程地质黄兴路车站基坑40m深度范围内的地基土属第四系河口～滨海、浅海相沉积，主要以饱和淤泥质粘性土为主。土层主要特征为含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、渗透性差，坑底第④层灰色淤泥质粘土易产生流变和回弹隆起。场地处于古河道边缘，地层分部极不均匀，最大特点是第⑥层暗绿色粉质粘土层（硬土层）从车站标准段和西端头井分界处北侧开始往东全部缺失，而分布第⑤-2（弱层压水层）和⑤-3层粘质粉土层，甚至⑤-3层也局部缺失，第⑦层粉砂层（承压水层）分布在第⑤-2层下。黄兴路车站基坑地层分布如下表1：1.3水文地质根据地质勘察报告，按其水文地质特性本场地的地下水类型分两类：潜水型与承压水型。⑴潜水含水层：由地表以下至31.40～33.80m的范围内第②-1层～⑥层的土(除第⑤-2层粘质粉土的砂性较重外)均为饱和粘性土，根据其特性均为透水性很弱的地层。地层的平均渗透系数一般为10-6～10-7cm/s。地下水位主要受大气降水、蒸发的影响的而变化，地下潜水位深度为1.25m左右，本场地的第②-1～⑤-1b层土是本工程基坑内降水的主要目的层。⑵承压含水层：根据勘探资料，本场地的承压含水层主要由第⑤-2层粘质粉土与第⑦层砂质粉土与粉砂层构成。第⑤-2层粘质粉土称为微承压含水层，第⑦层砂质粉土与粉砂层为第Ⅰ承压含水层。该两层土在本场地分布的深度约在地表以下22.00m～44.00m范围内，局部地段两含水层连通。该两层土是本工程降承压水头的目的层。第⑦层土的承压水水头高度为地表以下4.90m，相应的绝对标高为-2.10m，第⑤-2层的微承压含水层的水头高度为地表以下5.00m左右，相应的绝对标高为-2.20m。表1黄兴路车站基坑地层分布表土层名称状态层厚(m)层底标高(m)渗透系数(cm/s)土层描述①-1杂填土0.6～0.841.002.4～1.991.78土质较杂①-2黄色素填土松散0.50～0.670．901.70～1.321．08土质不均匀②-1褐黄色粉质粘土土可塑～软塑1.40～1.722.200.00～-0.40-0.802.00E－006土质较均匀③灰色淤泥粉质粘粘土软塑～流塑6.00～6.256.90-6.00～-6.65-7.131.00E－005土质不匀，夹少少量粘质粉粉土④灰色淤泥质粘土土流塑6.60～7.208.30-13.32～-13.85-14.723.00E－006土质均匀，夹少少量砂质粉粉土⑤-1a灰色粘土软塑2.10～3.303.90-16.52～-17.15-17.302.00E－006土质均匀⑤-1b灰色粉质粘土软塑1.20～3.736.20-18.40～-20.88-23.333.00E－006土质不均匀⑤-2灰色粘质粉土1.50～7.0012.00-22.27～-28.68-31.902.00E－004土质不均匀⑤-3灰色粉质粘土软塑0～0.609.50-29.28～-35.80-36.302.00E－006土质不均匀，局局部缺失⑥暗绿色粉质粘土土硬塑0.00～2.606.00-26.82～-27.42-28.27土质均匀，局部部缺失⑦-1a草黄色砂质粉土土2.00～5.506.00-32.92～-34.77-35.08土质均匀2降水目的根据本工程的基坑开挖及基坑底板结构施工的要求，本次降水目的：⑴通过降水及时疏干开挖范围内土层的地下水，使其得以压缩固结，以提高土层的水平抗力，防止开挖面的土体失稳。⑵在基坑开挖施工时做到及时降低基坑内的地下水位，保证基坑的干开挖施工的顺利进行。⑶及时降低基坑下部承压含水层的承压水水头，防止基坑底部突涌的发生，以确保施工时基坑底板的稳定。3降水方案3.1降水井参数计算及布置根据本场地水文地质条件，按无压非完整井进行计算，并根据基坑内单井有效抽水面积的经验值a井=200～250m2/口，并考虑到两端头井和Ⅱ级基坑范围内自地面至坑底下3m范围内采用水泥搅拌桩加固等因素，井位布置如下：⑴车站主体基坑内共布置降水井16口，其中南、北端头井坑内各布置1口，标准段内布置14口。⑵车站附属结构范围：东端风井及一号出入口布置5口；二号出入口布置2口；西端风井布置2口；三号出入口布置3口。车站降水井井位平面布置见图1。图1黄兴路站降水井、降压井井位及部分监测点平面布置图3.2降压井参数计算及布置3.2.1降压井布置依据⑴基坑底板稳定性验算由于本场地分布第⑤-2层粘质粉土微承压含水层和第⑦层砂质粉土与粉砂层，对基坑底板均有可能产生顶托作用，因此本次对该两层承压含水层均进行验算。①基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力。即：H·γs≥Fs·γw·h式中：H—基坑底至承压含水层顶板间距离（m）,图2井位竖向布置图γs—基坑底至承压含水层顶板间的土的平均重度（kN/m3）；h—承压水水头高度至承压含水层顶板的距离（m），γw—水的重度（kN/m3），取10kN/m3；Fs—安全系数，一般为1.0～１.2,取1.1；根据不同的基坑开挖深度分别计算各基坑底至承压含水层顶板间的土压力和承压含水层的顶托力。②基坑底板稳定性分析根据上述理论经计算结果说明：当主体结构的基坑开挖至设计标高时，第⑤-2层微承压含水层的顶托力均大于基坑底的下伏土压力，即基坑会发生突涌现象，而第⑦层第Ⅰ承压含水层的顶托力对东、西端头井部位的基坑有发生突涌的可能性，经验算需降低的水头值不大（只需降至地表以下7.60m）。因此，本次降承压水是降第⑤-2层和第⑦层的混合承压水头，各部位应将第⑤-2层与第⑦层混合承压水水头降低的值如下表2：表2基坑开挖至坑底时第⑤-2层与⑦层混合承压水水头降低值表部位承压水位降低值值（m）承压水位标高（m）备注东端头井8.05-10.25⑤-2与⑦层混合合承压水西端头井7.14-9.34⑤-2与⑦层混合合承压水标准段5.27-7.47⑤-2与⑦层混合合承压水3.2.2降压井设计布置思路以往地铁车站降压井的井位一般布置在基坑的两侧（外侧），但根据本场地施工平面布置，在基坑南侧有一条仅4.00m宽左右的便道，且其地下埋有三根地下管线，无法布井；而基坑北侧为本工程主要的施工便道，布井的空间较小。通过计算，确定在基坑内布置5口降压井。但是降压井在坑内，在降水施工结束后必须采取有效地封井措施防止渗水以及在基坑开挖施工过程中井管不能截割与碰击。降压井井位平面布置见图1。3.3降水井、降压井结构⑴井口：井口应高于地面以上0.50m，以防止地表污水渗入井内，采用优质粘土或水泥浆封闭，其深度不小于4.00m；保证管内真空不漏气。⑵井壁管：降水井成孔孔径φ500㎜，降压井成孔孔径φ550㎜，降水井与降压井的井壁管均采用直径φ250mm的焊接钢管。⑶滤水管：降水井与降压井均采用桥式滤水管，滤水管外均包一层30目～40目的尼龙网，滤水管的直径与井壁管的直径相同。降水、降压井的滤水管位置均根据各井位对应的地质剖面来设计:降水井设2段滤水管，长3m和4m,分别设于基坑底以上第④层土和基坑下第⑤-1a层土中；降压井的滤水管布置在第⑤-2层（微承压含水层）与⑦-1层（承压含水层）中，因该两层土在车站标准段局部范围连通，而在车站东西两端头井分别被⑤-3层与⑥层粉质粘土隔开，则降压井的滤水管在车站标准段设1段,长5m，设于第⑤-2层和⑦-1层土中，两端头井每根降压井设2段滤水管，长3～6m,分别设于第⑤-2层和⑦-1层土中。⑷沉淀管：沉淀管主要起到过滤器不致因井内沉砂堵塞而影响进水的作用。沉淀管接在滤水管底部，直径与滤水管相同，长1.00m，沉淀管底口用铁板封死；根据本场地的地层情况，降水井的深度不宜超过⑤-2层的顶板深度，为了确保降水井底部滤水管的长度，主体结构内的降水井均不设沉淀管。⑸填砾料：降水井:采用洁净的粗砂从井底向上至地表以下4.00m，于井管与孔壁之间的空隙均匀围填。降压井：采用颗粒磨圆度较好的粗砂，从井底向上至滤水管顶部以上2.00～4.00m围填。⑹封孔：在降水（压）井粗砂的围填面以上采用优质粘土围填至地表并夯实，降水井管口密封保证不漏气。3.4降水井与降压井运行3.4.1降水井运行⑴黄兴路站降水井选用2S-185型水环式真空泵抽气集水和QX12.5-55型潜水电泵排水。单口井点配用一台潜水泵，3口井点配用一台真空泵。基坑土方开挖前20天开始降水。根据降水资料分析，降水开始30天内降水效率最高，日出水量均在1吨以上，以后所抽出的水量逐渐减少，日出水量平均仅0.3吨左右，降水井工作的时间效应明显。⑵降水注意事项①严格密封降水井井管，保证真空管路系统在土方开挖前真空度达到－0.06Mpa以上，土方开挖过程中，真空度会有所下降，但须控制在－0.03Mpa左右。②降水井随着基坑开挖，暴露井管随时割除封堵。为方便挖掘机在基坑内作业，井管随着土方开挖而分段割除，并用粘土回填密实，保证有足够抽水能力的真空度。⑶降水效果黄兴路车站基坑降水后，坑内土体的含水率w有所降低。基坑土方开挖后，坑内基本无积水，土体脚踩不易下陷，当开挖成陡坡时土体均能自稳，达到了提高基坑施工安全度、加快土方开挖进度的目的。降水前后土体的含水率w对照见表3。表3降水前后土体含水率变化表土层取样日期深度(m)含水率（％）降水前降水后②-1层2003.5..10-1.5～-33.532.627.4③层2003.5..12-8.0～-99.239.834.53.4.2降压井运行⑴基坑开挖阶段：根据基坑不同部位在不同开挖深度分别计算需降低承压含水层的承压水水头高度。由基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力，即公式H·γS≥FS·γW·h,计算得基坑开挖阶段承压水位需降低值，如下表4表4基坑开挖阶段承压水位降低数值表单位（m）基坑部位基坑开挖深度承压水水头降至至地表以下下深度备注东端头井11.004.54开始降水14.009.1016.61813.05坑底西端头井11.004.18开始降水14.008.7416.23812.14坑底标准段11.004.65开始降水13.007.6914.7010.27坑底说明：根据计算，在基坑的不同部位开挖到危险深度时，应开启相应部位的降压井进行抽水，并及时观测相邻部位停抽井的实测水位深度（即需降承压水的水头高度）来调整是否需增开相邻部位的降压井。⑵主体结构施工阶段：主体结构底板混凝土浇筑完成并达到相应强度后，底板与地下墙连成整体共同作用，其抗剪强度和抗弯强度经验算能够满足大于下伏承压水顶托力的要求，故主体底板浇筑完成并达到相应强度后可停止降承压水。⑶降压井降水效果由于本场地地质情况复杂，局部地段潜水层与承压水层连通，为加快降低潜水水位，决定提前降承压水。降压井自4月29日当基坑开挖到地面下7m深后正式抽水，至2003年7月20日降承压水基本结束，共历时84天，5口降压井抽承压水共计6850吨，平均单井日抽水量16.3吨。期间基坑土方于2003年7月2日全部挖完，并于2003年7月12日主体结构的底板全部浇筑完毕。通过降压井及时抽取基坑下部承压水，有效降低含水层的承压水水头，防止坑底突涌隆起，经量测坑底最大隆起量仅3.0㎝，确保了基坑底板的稳定。4深井降水对周围环境影响的分析及其防范措施4.1降压井抽水对周围环境的影响2003年4月29日至5月21日黄兴路站东端头井基坑开挖至坑底期间，采取坑内Y1和Y2号降压井同时持续抽承压水的措施，单井日均抽水量达30吨,水头控制在地面以下13.5m左右。但发现对基坑周围环境产生不利影响，具体如下：⑴南侧距Y1、Y2降压井较近的吉卖盛超市及周围地表自5月9日～5月20日急剧沉降，甚至连距Y1、Y2降压井较远的北侧污水管的沉降观测点在该期间也急剧沉降。吉卖盛商场建筑物累计沉降量见图3；地表土体累计沉降变形曲线见图4；北侧污水管的沉降曲线见图5从以上3图可以看出：自5月9日～5月20日基坑周围建筑物、地表及地下管线均发生急剧沉降：吉卖盛超市沉降观测点F2点10天内沉降22.17㎜，平均沉降速率2.22㎜/d；地表沉降点JS2-5点10内沉降26.34㎜，平均沉降速率2.63㎜/d；北侧污水管沉降观测点W2点10天内沉降18.5㎜，平均沉降速率1.85㎜/d。6月1日底板浇筑完后仅少量抽水，建筑物沉降曲线渐趋平缓。降压井自4月29日开始大量不间断的抽取承压水，10后天基坑周围建筑物、地表及地下管线开始发生急剧沉降，说明了大量不间断的抽取承压水,使承压水头大大降低，从而减小承压水层的孔隙水压力，土体被压缩固结下沉。⑵距Y1、Y2降压井不同距离点在抽承压水期间不同时间段沉降情况分析。距基坑不同距离处沉降分析见表5表5距基坑不同距离处沉降分析表沉降点距基坑边距离（m）5月6日～10日沉降情况5月11日～15日沉降情况5月16日～20日沉降情况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从表5及图4～6中可以看出：降压井自4月29日开始正式抽承压水后，至5月10日以前地表和地下管线的沉降量和沉降速率均较小，表现在沉降曲线较平缓，自5月11日开始各点沉降明显加快，从5月11日至5月15日5天时间内地表沉降观测点JS2-1沉降量比前5天大10.6㎜，沉降速率大5.2倍。即在抽承压水滞后13天左右时间后，地表及地下管线等持续约10天时间发生急剧沉降。而距离降压井越远的点沉降量越小。降压井抽水时，由于井管滤网和砂滤层结构不良，把土层中的粘土、粉土颗粒甚至细砂连同承压水一同抽出地面，造成距离降压井越近的点沉降量越大。本工程施工中井管滤网和砂滤层施工质量较好，前期降压井在抽水时，在排水沟中偶见少量降压井抽上来沉淀的泥砂，从监测数据分析该因素对沉降影响较小。⑶基坑东端外侧水位观测管SW1和SW2水位下降明显加大。第5-2层微承压水和第7-1层承压水被不断抽走后，会在井管周围形成一较陡的降水漏斗，降水漏斗范围内的承压水位下降后，微承压水层(第⑤-2层)与潜水层间距离小，且土层间夹杂部分粉砂性粘土，承压水层上部土层中的地下水被吸引向其下伏的承压水层渗透，引起漏斗范围内地下水位下降，SW1和SW2观测井水位短期急剧下降就是这个原因。基坑开挖阶段地下水位累计变化量历史曲线见图6。从图6中显示：5月12日至5月21日黄兴路站东端头井基坑开挖至坑底期间，因坑内Y1和Y2号降压井持续大量抽承压水，基坑东端头外侧水位观测管SW1和SW2水位下降明显加大：SW1一天最大水位下降725mm，SW2最大水位下降497mm；SW1水位累计下降1873mm，SW2水位累计下降1597mm，均达到水位累计变化报警值。降压井持续大量的抽取地下承压水，对基坑周围建筑物、地表和地下潜水位等均会产生不利影响。同时，由于在降压井和降水井运行期间基坑进行开挖，也对周围地表和建筑物造成较大沉降，二者的影响量难以区分，但我们主要从5月9日～21日期间的监测资料分析，由于该期间的工况与其他时间并无大的区别。因此，降水特别是降承压水是导致周围建筑物和地表、地下管线等发生较大沉降的一个不可忽略的因素。4