复杂环境条件下的上海人工挖方基坑降水设计

复杂环境条件下的上海人工挖方基坑降水设计

1基坑开挖和围护体上海钓鱼码头（一期）工程主要包括1座35层塔、1座7层鱼形建筑、1座4层商店街和纯地下室。本工程总建筑面积193468m2,基坑面积约为33986m2,基坑边缘总延长米约为1038m。基坑地下3层裙楼区域(B、D区)开挖深度13.80m,底板落深区(C区)开挖深度14.75m;塔楼区(A区)开挖深度15.60m,局部落深区开挖深达17.30m、20m、21m。地下2层区域开挖深度10.0m。基坑采用钻孔灌注桩结合外侧Φ850mm@600mm三轴水泥土搅拌桩作为围护体,钻孔灌注桩深度为27.3~31.25m,三轴水泥土搅拌桩深度为19.8~20.75m,SMW工法桩深度为23~30.25m;在地铁穿越区域及与邻近南侧保留建筑物区域采用Φ1000mm@750mm的SMW工法内插850mm×300mm×16mm×24mmH型钢作为围护体,地下3层与地下2层高低差区域采用重力式水泥土搅拌桩坝体作为围护体。本工程周边环境较为复杂。规划中的轨道交通18号线从本地块下穿过,周边有众多1~7层居民住宅楼,场地东侧丹东路下管线密集,丹东路尽头为丹东路轮渡站;南侧紧邻水产公司商务楼等4层建筑,距离约为2.3m;要求较高。4层保留建筑南侧即为黄浦江码头,与本工程地下室外墙的距离约为34.8m。2地下水成层分布特点本场地自地表以下115.37m深度范围内为属第四系河口、滨海、浅海、沼泽、溺谷、湖泽相沉积层,主要由饱和黏性土、粉性土以及砂土组成,具有成层分布特点。根据本工程《岩土工程勘察报告》,拟建场区地下水根据埋藏条件可划分为浅层潜水、微承压水及承压水。本场地浅部第(5)2层属微承压含水层,深部第(7)层是上海地区的第一承压含水层。据上海地区已有工程的长期水位观测资料,第(5)2层微承压含水层和第(7)层承压含水层水位均呈年周期性变化,水位埋深的变化幅度一般在3.0~11.0m,本场地勘察期间测得承压水水位埋深约为7.50m。3物流方案3.1上海宏观含水层的相互作用整个场区内水文地质条件复杂,(5)2-1层、(5)2-2层分布不均匀;整个场区内上海第一承压含水层第(7)层和第二承压含水层第(9)层均有分布,且相互连通;成层分布的承压/微承压含水层可能具有一定的水力联系,降水方案设计策划时需重点考虑;基坑周边构筑物及管线众多,基坑降水会否引起坑外沉降的环境保护问题是本工程降水需要重点考虑的问题。3.2降压井的设置在评价承压水对基坑工程的影响时,宜根据其动态规律,按最不利原则考虑。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安全系数下承压水的顶托力。故采用安全系数法:式中:Fs——安全系数,取1.10;Pcz——坑底开挖面以下至承压含水层顶板间覆盖土的自重压力(kPa),地下水位以下按饱和重度计算;Pwy——承压水压力(kPa);γs——承压含水层顶板以上至开挖面间的土层的平均重度(kN/m3),取18kN/m3;hs——基坑最终开挖面至下部承压含水层顶板间的距离(m);rw——水的重度(kN/m3),取10kN/m3;hw——承压含水层从顶板算起的承压水头高度(m)。根据本场区岩土工程勘察报告,本工程承压水埋深按最不利原则考虑,第(5)2层微承压含水层顶板取最浅埋深19.20m,绝对标高为-14.50m,水头埋深按7.50m计算。根据以上公式计算,若要满足Fs≥1.1,则土层开挖至深度12.05m时,即需要对(5)2层微承压含水层进行降压。本工程有(5)2层分布的区域,如商业街、塔楼、地下3层的开挖深度均大于12.05m,因此,对有(5)2层分布的区域均需要对该层进行卸压计算。另外,塔楼落深区开挖深度较深,在-15.30~-16.30m,开挖面均位于(5)2层中上部,但在该开挖面下有5.60~11.00m的高压旋喷加固,加固的厚度已基本覆盖(5)2层,故针对塔楼落深区(5)2层降压可不做考虑。但由于(5)2层的层厚变化幅度较大,6.00~16.00m,因此,将(5)2层的降压井暂定为27.00m,在(5)2层抽水试验结束后,应根据试验结果再做调整。第(7)层承压含水层顶板取最浅埋深28.90m,标高为-24.20m,局部与(5)2层沟通,水位按不利原则考虑,取水头埋深7.50m。根据以上公式计算,若要满足Fs≥1.1,则土方开挖至深度15.82m时,即需要对(7)层承压含水层进行降压,否则基坑即有突涌的风险。塔楼区的开挖深度为17.30~21.00m,商业区的落深区开挖深度为16.25~16.50m,均大于临界开挖深度15.82m,需要对(7)层降压计算。由公式验算可知,本工程商业街及塔楼的落深区均需要对(7)层承压含水层降压,但由于(7)层承压含水层的初始水位尚未确定,本次初步方案设计仅针对塔楼(7)层降压幅度较大的区域布置降压井。塔楼区(7)层承压含水层的层顶埋深标高为-24.76m~-26.67m,该区域第一承压含水层(7)层与第二承压含水层(9)层相互连通,该区域水平向及垂直向渗透性较好。因此,根据该区域的地层特性及降压幅度,在塔楼落深区共布置(7)层降压井5口(其中包含1口降压备用兼观测井),井号为TJ1~TJ4、TJG1,井深为40.00m,滤管长度为8.00m。3.3井位设计确定潜水疏干降水井的布置,原则上按上海地区单井有效降水面积的经验值同时结合拟建工程场区土层特征、基坑平面形状、尺寸确定,根据上海市工程施工经验,本工程单井有效降水面积取210m2左右。经计算,本工程布井数量100口(其中包括因基坑面积较大、(2)0层江滩土的厚度较厚而增加的8口疏干备用兼观测井)。井深确定:考虑到基坑普遍开挖深度为14.75m(局部塔楼16.10m),降水深度应达底板下1.0m,井深3.0~4.0m,最终设计疏干井深度为20.0m。地铁通道处因开挖深度为10.7m,故设置了13m深的疏干井。3.4群井设计结果抽水试验井主要布置在位于C区的受承压含水层影响较大的位置,试验结束后留作降水井用。根据基坑降水设计方案布井平面位置,共设置4组抽水试验,试验1~试验3为单井抽水试验,主要确定(5)2层微承压水、(7)2层的水文地质参数、抽水效果以及检验2层的水力联系;承压水试验4为群井抽水试验,目的是检验两井抽水效果、验证(5)2层与(7)2层的水力联系、检验(4)层的隔水效果,并结合观测地表沉降。抽水试验结果:(5)2层与(7)1层间存在一定的水力联系;(5)2层与(7)1层测得的平均水位埋深为8.0m;以水文地质参数求解中采用基于直线图解法的水位恢复法计算并取平均值,算得(5)2层的T=8.942m2/d,K=7.81×10-4cm/s,S=3.4×10-3,B=312.671/d;(7)层的T=172.25m2/d,K=5.58×10-3cm/s,S=0.12,B=149.851/d。3.5承受压层减压降水设计3.5.1层间配合率设计根据抽水试验结果,并结合工程实际,采用非完整井非稳定流公式进行设计计算,参数利用抽水试验所获得的数据,计算结果为:(5)2层共布置降压井36口,其中基坑Ⅰ区布置QJ1~QJ7为(5)2层降压井,QJG1和QJG2为观测兼备用井;基坑Ⅱ区布置QJ23~QJ26为(5)2层降压井,QJG5为观测兼备用井;基坑Ⅲ区布置QJ8~QJ22、QJ27为(5)2层降压井,QJG3~QJG4、QJG6为观测兼备用井。(7)层承压水降水井布置在塔楼落深区,共6口,其中降压抽水井TJ1~TJ5,TJG1为观测兼备用井,原布置在Ⅱ区商业街用作抽水试验的2口较深的(7)层承压水降水井用以应对该区落深区应急减压降水,见图2。据方案在正常运营条件下,(5)2层减压井开启后可将Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区该层微承压含水层顶面的水位降至满足开挖要求的安全线下;(7)1层减压井开启后可将Ⅰ、Ⅲ区该层承压含水层顶面的水位降至满足开挖要求的安全线下。3.5.2群井降水效果采用抽水试验校正过的三维数值模型进行群井降水的正预测分析,群井降水正分析预测表明:在Ⅰ区、Ⅱ区、Ⅲ区(加井及修改井位后)群井降水中,坑内降深能够满足设计要求。Ⅰ区在基坑外5m处修正后沉降最大达到53.7mm,Ⅱ区在基坑外5m处修正后沉降最大达到44.4mm,Ⅲ区在基坑外5m处修正后沉降最大达到75.0mm,均对周边环境产生显著影响。各区群井降水120h后,最大沉降量为的等水位线如图3~图6所示。4降压井开始运行时间疏干井在基坑开挖前20d进行基坑疏干降水,土方开挖前坑内潜水疏干完毕。降压井开始运行时间:为保证基坑安全,降压井开始运行时间的判断,即当Fs=1.1时的开挖深度为临界点进行控制。根据上述计算数据,各降压井降压根据该井所在区域的开挖进度依次运行降压井,(5)2层降压井在挖深略小于12.35m时开始运行,(7)层降压井在挖深略小于16.12m时开始运行。4.1理想的效果分析根据基坑开挖的工况,结合抽水试验的结果,针对本场地不同的基坑部位,分别制定了不同的降压运行方案,取得了理想的效果。降压井结束运行时间:基础底板施工完成后,包括养护阶段和地下室及上部结构施工阶段,由设计单位提供基础及上部结构的抗浮力,在确保承压水水头压力不大于抗浮力的情况下,逐步减少降压井的开启数量,直至静止水位情况下水头压力不大于抗浮力,最后由总包单位确定签发降水停止令,降水全部结束。4.2降水措施及影响(a)潜水疏干降水井运行可在基坑开挖20d前或更早开始;(b)抽水运行过程中应随时检查设备运行状况,发现故障及时排除;(c)潜水疏干降水井抽水时,潜水泵抽水间隔时间由短至长,降水井抽干后应立即停泵,以免烧坏电机;(d)抽水过程中应做好记录:内容包括井涌水量(Q)、水位降深(S),并绘制流量(Q)、观测孔水位、各监测点观测资料与时间的关系曲线,以掌握动态,指导降水运行,不断优化降水运行方案;(e)降水工作现场应备有双电源,确保降水的连续运行;(f)随着基坑开挖的不断加深,潜水疏干降水井应根据开挖面的变化及时跟进井点的构造调整,及时做好割管和接管工作,保证降水井的真空度;(g)降压启动时间(基坑开挖深度)应根据承压水头的具体埋深确定,保证按需降水,避免长时间大量抽取承压水;(h)降水结束后,应及时将井孔注浆封闭,补好盖板;(i)井口、井管设置醒目标志,做好标识工作;(j)协同总包单位与挖机施工人员做好井管保护工作;(k)降水配合基坑开挖及基础底板结构施工。5基础降水井点从实际土方开挖情况来看,疏干井降水较好地达到了基坑开挖施工的要求,针对局部因存在第(4)层灰色淤泥质黏土造成部分疏干降水效果不理想的情况,开挖时有针对性地采用了轻型井点予以补充疏干降水,最终完全达到开挖施工的要求。减压井运行效果比较理想,但在土方开挖施工过程中1口(7)层减压井遭到破坏,随之启动了备用井,最终基坑顺利浇筑大底板,未出现基坑突涌险情。6控制降水条件为使深层降水对地面沉降的影响降到最小,基坑降水过程中针对性地制定了一些沉降控制措施:临近建筑物和地下管线的减压井的抽水时间尽量缩短;在降水运行过程中随开挖深度逐步降低承压水头,没有抽水的井作为观测井,控制承压水头与上覆土压力足以满足开挖基坑稳定性的要求,使降水对环境的影响进一步降低,尤其是临近保护区域的减压井需待基坑开挖接近底板时才开始运行;采用信息化施工,对周围环境进行监测,发现问题及时处理,及时调整抽水井及抽水流量,指导降水运行和开挖施工。7做好降水施工(a)施工结果证明:本工程降水设计的降水井类型、数量和井的结构以及平面布置都是符合实际的,降水达到了预期目的。本工程的顺利实施对在临江复杂地质条件下的深基坑降水设计与施工具有重要的借鉴意义。(b)在进行基坑降水设计和施工时,要对勘察报告提出的地下水水位进行仔细分析,因施工时基坑围护已做好,地下水