高地震烈度地区超深基坑降水设计

高地震烈度地区超深基坑降水设计

1n线工区基本情况三河路南岸的工作井和明代开挖段位于下关区扬子大道两侧，南师附件中心附近。南岸N线工作井及明挖段位于下关区扬子江大道两侧,ND线起讫桩号NDK7+132.4—NDK7+950.0,长817.6m;NU线为NUK7+132.4—NUK7+760.0,长627.6m;NA匝道NAK0+0—NAK0+275.345,长275.345m。N线工区包含工作井及明挖段57节段,明挖段—工作井基坑基本性质见表1,其中工作井、ND-JD01—NDJD09为地连墙支护:工作井打入砂岩1.8m,墙深61m;NDJD01—NDJD03段打入砂岩3.5m,墙深62.7m;NDJD04—NDJD09段持力层为粉质黏土夹粉砂,墙深44.2~36.2m不等。2地下水分布情况场区主要为长江漫滩沉积地貌单元(Ⅰ区),地面高程7.5~12m,水系发育,地面表现基本为扬子江大道路面。高漫滩的地层岩性以全新统灰色、灰褐色粉质黏土、粉土及淤泥质土为主。场区地层上部为第四纪松散沉积物,下伏为白垩系沉积岩,根据土层的成因时代、埋深及岩石风化程度划分为7大层,层号及地层性状描述见表2。场地所在区域气候湿润,雨量充沛,降水时间长,对区域地下水的补给起了重要的作用。据区域资料以及本次勘察成果,本场地地下水可分为松散岩类孔隙水和碎屑岩类孔隙水。具体分布情况如下:(1)松散岩类孔隙潜水:第四纪松散岩类孔隙潜水主要赋存于长江漫滩区上部地层,含水介质为(2),(3)层黏土、淤泥质粉质黏土及粉质黏土夹粉砂,其渗透性差,含水量贫乏。(2)松散岩类孔隙承压水:松散岩类孔隙承压水场地内均有分布,含水介质主要为(6)层卵砾石,其渗透性及富水性好。(3)碎屑岩类孔隙-裂隙水:该含水岩组为白垩系裂隙孔隙-裂隙含水岩组。分布于场地第四纪松散层下面。含水层的主要岩性为(8)层粉砂岩、(9)层含砾凝灰质粉砂岩。3物流设计3.1有限元分析结果本方案设计中,渗透系数取K=20m/d,影响半径取400m。在正式降水施工前,地下连续墙及基底加固完后,应该对该工程进行单井及群井抽水试验,分析在地连墙作用下的地下水流特征,必要时调整方案,做到科学降水。基坑抗突涌稳定性计算公式为式中:Ha为基坑开挖底板高程(m);Hb为含水层顶板高程(m);γs为土的饱和重度(kN/m3);ha为承压水头安全水位高程(m);γw为水的重度(kN/m3),取1.0kN/m3;Fs为安全系数,一般为1.0~1.2,本工程取1.1。安全水位为水位降深为S=H初始水位-ha。(3)由表3计算结果分析得出:纬三路过江通道江南部分只有明挖段NDJD01—NDJD09段至工作井段需要进行减压降水。其中NDJD01—NDJD03段和工作井段承压水被围护结构完全隔断,只需按单井疏干面积布置降水井降水。NDJD04—NDJD09段未被围护结构隔断,在坑外布置降压井降水。3.2稀疏干井设计3.2.1单井疏干设计开挖范围内主要为(2)1层得淤泥质粉质黏土且被围护结构隔断与外侧的水力联系,为方便开挖需要对该层进行疏干。疏干采用真空管井。疏干井布置一般根据单井降水面积计算,单井疏干面积一般在150~250m2之间,本次选取单井疏干面积180m2,共布置84口疏干井。疏干井主要布置在开挖深度6m以上的位置,开挖6m以下的位置在基坑外侧布置2排轻型井点,每套轻型井点总长度为20m,井点管间距0.8m。根据附近工程的降水经验,淤泥质黏土层在开挖前20d左右进行降水,可以满足开挖要求。另外,本工程淤泥质黏土层的降水具备以下有利条件:(1)基坑采用隔水的围护结构,潜水含水层坑内外失去了水力联系;(2)基坑底采用了裙边+抽条加固。3.2.2钢管套管固定真空疏干井根据基坑开挖深度不同而不同,在开挖面以下6m,井深从12~35m不等。开挖面以上2m至以下1m采用钢管套管固定,以便于后期封井。疏干井简要结构如下。(1)泥孔径600mm(成孔孔径);(2)滤管:直径273mm,壁厚≥3mm的钢管滤管,外包一层80目的尼龙网;(3)填砾:井底—地面下2m采用中粗砂滤料;(4)黏土封填:0~2m采用优质黏土封堵。(5)管井上口封闭,接上真空泵,使井内形成负压,加快土体疏干。3.3单井有效降水面积由于工作井及明挖段NDJD01—NDJD03围护结构四面围护深入基岩,属于疏干区,承压含水层被围护结构完全隔断,因此采用单井有效降水面积在坑内布置降压井,作为降水备用井。本次单井有效降水面积选取300m2,本段基坑总面积约1580m2,共布置降压井6口。经计算:基坑开挖至高程-14.9m时需要开启降压井进行减压降水。3.4ndjd4-ndjd9提升线设计3.4.1基坑涌水量计算明挖段从NDJD04—NDJD09节承压含水层未被围护结构隔断。由于该工程周边没有建筑物,降水对周边环境的影响可以不考虑,由于承压水影响半径较大,所以将降水井布置在NDJD04—NDJD05段,基坑涌水量计算采取大井法非完整井,含水层厚度M取9m,影响半径约为200m,水位最大水位降深为NDJD04段2.51m,承压水涌水量计算公式为式中:Q为基坑总涌水量(m3/d);k为渗透系数(20m/d);M为含水层的厚度(9m);S为降深(2.51m);l为有效过滤器长度(4m);r0为引用半径(19.9m);R0为引用影响半径(173.89m)。3.4.2设计前降水试验降水井数量通常是根据单井出水能力和基坑涌水量计算,计算公式为式中:n为降水井数量(口);q为单井出水能力(m3/d)。理论单井出水能力q可按下式进行计算:式中r为滤管半径(0.1365m)。在群井抽水干扰情况下,单井涌水量要远小于理论出水能力,而且地下连续墙对地下水的渗流具有阻碍作用。借鉴于南京地区类似工程经验去计算所得单井出水量的0.6~0.8倍,本次计算取单井出水量q为400m3/d。根据式(5),本基坑共需布置4口降水井,其中1口备用兼观测井。本次设计所采取的部分参数为经验值,正式施工前应该进行抽水试验,检验降水方案的科学合理性,必要时调整降水井的数量和结构。抽水试验包括单井抽水试验及群井抽水试验。(1)单井抽水试验:确定地层参数,如渗透系数k,影响半径R等;(2)群井抽水试验:在降水井完全施工完成后,做一次实际降水模拟试验,验证降水井数量能否满足降水要求,并且保证有一定数量的备用兼观测井。3.4.3井壁管及滤管降水井深度均为60m,井口高出地面0.2m。井壁管及滤管均为直径273mm、壁厚6mm的钢管;泥孔径为600mm;滤管为外包80目锦纶滤网的圆孔式滤管;全孔下中粗砂滤料。4模拟验证验证根据上述降水设计方案,采用数值模型软件对承压含水层降水效果进行模拟验证。明挖段基坑在NDK7+435处被三轴水泥搅拌桩隔断,且隔断外明挖段部分及匝道部分无需进行减压降水,因此模型建立区域主要为工作井和明挖段NDJD01—NDJD09。4.1降水效果模拟地连墙—井地下水采用非稳定三维渗流模型对整个渗流区进行离散后,采用向后差分法将上述数学模型进行离散,就可得到数值模型,根据场地地质、水文地质条件等一系列资料,采用地下水三维非稳定流有限差分法对降水效果进行模拟研究。4.2基坑及网格划分为了克服边界的不确定性给计算结果带来的随意性,本着定水头边界远离源汇项的原则,通过试算,取基坑为中心,东西、南北各扩展500m的范围作为本次模拟计算区域,共计1328m×1054m,四周均按定水头边界处理。平面上将模型划分为411×202个单元格,在基坑范围处对网格进行加密,最小单位为0.6m×0.6m。在垂向上,根据地层情况进行剖分,总共划分为2层。整个数值模型见图1。4.3cr、i,j-1/2,k用向后差分法对上述渗流方程建立有限差分方程,且加入已知条件和边界条件,并将已知项移到方程的右端,未知项移到方程的左端,就得到了单元(i,j,k)的水量方程有限差分格式,可近似写成:式中:i,j,k分别为计算单元的行号、列号及层号;CR(i,j-1/2,k)为位于k层i行中计算单元(i,j-1/2,k)和(i,j,k)之间的水力传导系数(m2/d),CR(i,j+1/2,k),CC(i-1/2,j,k),CC(i+1/2,j,k),CV(i,j,k-1/2),CV(i,j,k+1/2)的含义类似;HCOFi,j,k为与贮水率(L/m)和相应计算单元(i,j,k)的体积及外部源汇项(该源汇项与水头有关)相关的常数(m2/d),h(mi,j,k)为当前时刻tm时计算单元(i,j,k)的水位,RHSi,j,k为与贮水率(L/m)和相应计算单元(i,j,k)的体积及外部源汇项(该源汇项与水头无关)相关的常数(m3/d)。其他解释与此类似。4.4工作井及区内段依据上述方案,将相关数据输入数值模型并进行适当调整,取承压含水层总涌水量约为1000m3/d时,模拟结果如图2所示。模拟结果图2工作井及各区段降水水位标高等值线值与表3中基坑稳定性分析得出的工作井及各区段的h安全相比较均满足安全水位高程要求;图3降水水位降深等值线值也满足表3中的水位降深S值。模拟结果表明:承压含水层水位可降至设计要求。5降水参数优化和数值模型建立(1)在结合场区工程地质及水文地质条件,借鉴南京地区类似工程经验的基础上,过江通道南岸工作井和明挖段的降水工程基本达到了设计要求,取得了明显的效果。(2)正确的选取计算参数是降水成功和降低成本的关键,它直接影响着涌水量的估