基坑降水施工基坑降水深化设计

4.1. 基坑突涌稳定性分析 14.2. 基坑降水对策 24.3. 真空疏干深井 34.4. 基坑降水三维渗流模拟分析 44.4.1. 基坑降水水文地质概念模型 44.4.2. 基坑降水数值模拟 54.4.3. 基坑降水设计计算 84.4.4. 坑内备用井及水位观测井布设 94.5. 基坑降水对周边环境的影响 104.5.1. 地面沉降计算原理 104.5.2. 减压降水引起的地面沉降预测 154.5.3. 减压降水引起的地面沉降控制措施 154.6. 坑外水位观测井分析 164.7. 降水设计工作量 174.1. 基坑突涌稳定性分析基坑底面设计标高以下存在承压含水层，开挖过程中，必须有效控制承压水水头埋深，防止基坑发生突涌事故，因此，必须进行基坑突涌稳定性分析。基坑底板抗突涌稳定条件：在基坑底板至承压含水层顶板之间，土的自重压力应大于承压水含水层顶板处的承压水顶托力，可按下式进行承压水位控制：式中：F安全系数（本工程取1.10）hs基坑开挖深度（m）D安全承压水头埋深值（m）H承压含水层顶板埋深值（m）γs基坑底板至承压含水层顶板间的土层重度的层厚加权平均值（本工程取19.00kN/m3）γw地下水的重度（10.00kN/m3）参考本工程勘察资料及抽水试验报告，考虑季节变化因素：取本工程基坑下伏第⑦层承压水初始水头取历史最高水位埋深为5.90m，水头标高为-2.70m（85国家高程基准）；第⑦层层顶分布最浅埋深30.36m（钻孔C96）；根据上式计算，开挖深度hs对应的承压水安全水位埋深D，第⑦层抗突涌稳定性计算结果统计详见下表4.1-1：基坑开挖深度hs与第⑦层安全水头埋深D对应关系表表4.1-1序号区域开挖深度hs(m)安全水位埋深(m)水位降深（m）安全系数1临界状态16.845.90不需降压1.052普挖区18.558.993.090.92319.2510.264.360.864局部落深坑22.8516.7710.870.58524.5519.8513.950.45综上基坑开挖区域分布有第⑦层承压含水层，安全系数取1.05时，基坑开挖不满足承压水抗突涌验算，基坑开挖深度超过临界挖深时16.84m，需对第⑦层承压水进行处理；本工程中，基坑普挖区，需要对第⑦层降水，最大降压幅度为4.36m，基坑开挖局部深坑位置时，第⑦层降压幅度最大为13.95m。坑内减压降水幅度非常大，降水运行过程中，需严格遵循“按需降水”原则，加强对坑外地下水水位的监测。4.2. 基坑降水对策针对本工程特点，充分利用我公司在苏州、南京、上海等地的已完成或在建的、与本工程水文地质条件或围护特征、开挖工况等较为类似的专业降水设计及地下水控制经验，采用以下措施解决本基坑降水工程中的难点问题。 分层降水：（1）对于浅部开挖深度范围内的潜水以及逐渐第（3-2）粉土夹粉砂、（4-2）粉砂夹粉土层微承压水，考虑围护结构已对其有一定的隔水效果，且其与下伏的第7层承压水并无水力联系，对其采用真空管井进行疏干处理，控制地下水水位在基坑开挖面以下1.0m，为基坑开挖作业提供良好的环境。（2）对第⑦层承压水，考虑地层埋置深度较大，围护结构对其已有一定的隔水效果故在坑内单独布置第⑦层的减压降水井进行“按需降水”，保证基坑安全及施工顺利进行。 水位监测：（1）在基坑内布置适量第⑦层坑内备用井兼水位观测井，根据地下水位监测结果指导降水运行。（2）基坑外侧利用第三方水位监测孔进行水位观测，监测内部抽水后坑外水位变化情况。 按需降水：降水运行过程中，对第⑦层承压水的控制必须遵循“按需降水”原则，控制承压水的水位满足开挖时的安全要求，不得超降。在运行过程中，科学管理，根据水位变化严格控制开启减压降水井的数量以及开启时间、流量等，减少降水对周边环境的影响。 生产性抽水试验：在基坑正式开挖施工之前，需进行生产性抽水试验，可根据坑内外水位变化情况，初步检验止水帷幕对浅层潜水、微承压含水层以及第⑦层承压含水层的隔水效果，必要时候结合专门的地墙渗漏监测技术，及时排查渗漏点，采取相应补强措施。4.3. 真空疏干深井为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量，本工程需要疏干的层位包括①、②、③、④、⑤层。坑内疏干深井数量按下式确定：n=A/a井式中：n—井数(口)；A—基坑需疏干面积(m²)；a井—单井有效疏干面积(m²)；以粘性土、粉性土为主的含水层中，本次单井有效疏干面积a井取250～300m²。疏干及真空疏干深井布置原则：1、 坑内采用土体加固时，疏干及真空疏干深井需对其进行避让。2、 真空疏干深井抽水采用超级压吸联合抽水系统，1台真空泵带3～6口真空疏干深井。确保真空度不超过-0.065MPa。降水井详细分析如下：C基坑总面积约24900m²，扣除加固面积后，整个基坑共布置真空疏干深井89口，井深26/29m。真空疏干深井平面布置图详见附图01，井结构剖面图详见附图02。施工时井位根据现场实际情况可进行适当的调整。真空疏干深井及真空疏干深井，必须给予充分的预抽水时间（15-20天），根据土方开挖进度，将水位控制在基坑开挖面以下1.0m。4.4. 基坑降水三维渗流模拟分析根据前述基坑突涌稳定性安全验算结果，必须对第⑦层承压含水层采取有效的减压降水措施，才能防止产生基坑突涌破坏。为了有效降低和控制承压含水层的水头，确保基坑开挖施工顺利进行，必须进行专门的水文地质渗流计算与分析。根据拟建场地的工程地质与水文地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，本次设计采用了三维渗流数值法进行计算，为减压降水设计与施工提供理论依据。该计算方法已成功应用于上海、天津、南京、苏州、珠海等多地的深大基坑工程的降水工程。4.4.1. 基坑降水水文地质概念模型本次承压水减压降水设计中，减压降水目的层为第⑨层、第⑩t层、第⑪层承压含水层。考虑到降水过程中，上覆潜水含水层将与下伏承压含水层组之间将发生一定的水力联系，因此，将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。为了克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源、汇项。通过试算，本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约500m，即实际计算平面尺寸为1500×1500m²，四周均按定水头边界处理。4.4.2. 基坑降水数值模拟地下水运动数学模型根据上述水文地质概念模型，建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型:式中：；；；为储水系数；为给水度；为承压含水层单元体厚度；为潜水含水层单元体地下水饱和厚度。 分别为各向异性主方向渗透系数；为点在时刻的水头值；为源汇项；为计算域初始水头值；为第一类边界的水头值；为储水率；为时间；为计算域；为第一类边界。对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，就可得到数值模型，以此为基础编制计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。渗流数值模型建立根据已有的岩土工程勘察报告、水文地质条件、钻孔资料，模拟区平面范围按下述原则确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外。图4.4-1物理模型地质剖分示意图1、含水层的结构特征根据研究区的几何形状以及实际地层结构条件，对研究区进行三维剖分。根据研究区工程地质及水文地质特性等信息，水平方向将水文地质概念模型剖分为242行、194列。网格立体剖分图见图4.4-2。图4.4-2离散模型网络三维图2、模型参数特征根据本工程的勘察资料、邻近工程抽水试验报告及相关工程资料，对模型进行赋值。3、水力特征地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流；地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。综上所述，模拟区可概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。模拟区水文地质渗流系统通过概化、单元剖分，即可形成为地下水三维非稳定渗流模型。4、源汇项处理方式1)减压井处理在《VisualModflow》中，减压降水井可以设置过滤器长度、出水量等参数。2)边界条件处理在本次基坑降水模拟中，模型边界在降水井影响边界以外。故可将模型边界定义为定水头边界，水位不变。5、本次减压降水三维渗流模型建立假设条件：1）第⑦层承压含水层的初始水头埋深5.90m；2）地下连续墙深度按40.90m考虑，中隔墙35.00m考虑；3)降水井运行时，考虑地连墙隔水效果及群井效应因素，随着降水井运行时间加长，第⑦层单井涌水量平均2～5m3/h。图4.4-3定水头边界4.4.3. 基坑降水设计计算基坑第⑦层减压降水井井深设置为37m，降水井孔径650mm，井管及过滤器外径273mm。根据本基坑工程围护结构资料、勘察资料等，建立三维渗流数值模型。在基坑内布置第⑦层降压井14口，经过计算，水位可以满足安全水位要求。图4.4-4～4.4-5为基坑开挖过程中，执行“按需降水”，第⑦层承压含水层水位埋深等值线图及水位降深等值线图。图4.4-4第⑦层降水运行后预测基坑水位埋深等值线图（单位：m）图4.4-5第⑦层降水运行后预测基坑水位降深等值线图（单位：m）4.4.4. 坑内备用井及水位观测井布设在基坑施工过程中，由于施工现场工序工种繁多，常常出现对降水井保护不力而致其破坏，无法按预期完成降水目的，在满足“按需降水”计算的基础上，需设置坑内降水应急备用井，其数量约占正常运行降水井的10%左右。坑内减压井的运行依赖于实际的水位变化，水位的实时变化指导开挖施工过程中的降压井运行数量及时间等计划，因此需分别布置第⑦层的坑内水位观测井。在本基坑中，应急备用井及水位观测井适时共用，共布置2口第⑦层坑内观测兼应急备用井，井结构同所在区域的降水井。4.5. 基坑降水对周边环境的影响4.5.1. 地面沉降计算原理运用沉降计算理论与太沙基固结理论进行分析，得到降水引起地面沉降的变化规律。(1)沉降计算理论土中的有效应力：式中，——作用在土中任意面上的总应力（自重应力与附加应力）；——有效应力，作用于同一平面的土骨架上，也称粒间应力；——孔隙水压力，作用于同一平面的孔隙水上。上式即为饱和土有效应力原理的表达式。抽取地下水引起的土层压缩变形反映在土层孔隙的变化，因而，根据土力学原理，由土层孔隙的变化，可以求得土层的压缩变形量。依土的压缩系数定义式中，负号代表随着有效应力的增量，孔隙比e逐渐减少，下面推导孔隙比e与土层变形的关系。设土体初始高度为S0，变形后高度为S，土层压缩变形，上图表示了土层高度、孔隙比、土粒体积和孔隙体积之间的关系，由于固体颗粒的体积Vs变化很小，通常假定不变，故有：从上式得出：用代替，有，则(1)根据定义式中：—土体垂向总应力；—孔隙水压力；假定保持不变，则而依水头的定义假定水体重力密度γw保持不变，则或(2)即有效应力的增加量可用水头的减少量来表示。把（2）式代入（1）式有：(3)可见，当水位降深相等时，即不变，土层的压缩变形量与原始厚度、初始孔隙比和土层压缩系数有关。依定义土体的侧限压缩模量，所以土层的压缩变形量，与水位降深、压缩模量和土层的初始厚度有关。若共有N层土层，则总的沉降量为：式中：ξ——为经验系数。(2)太沙基固结理论1925年太沙基建立单项固结基本微分方程，并获得了一定初始条件和边界条件下的解析解。①单层土的太沙基固结解利用单元土体的体积压缩变化量和表面流量的关系可得：其中，体积应变，单位面积流量。并由达西定律得：其中，为渗透系数，水容重，孔隙水压力。又因为总应力不随时间变化，故弹性土体单向压缩时，有：其中，体积应变，压缩模量。从而得太沙基单项固结的基本方程：其中，为固结系数单项固结的初始条件和边界条件(单面排水)为：，用分离变量法得到太沙基固结方程的理论解为：其中，，为时间因素。若压缩层内孔隙水均匀分布则：对于弹性土体，反映孔隙水压力消散程度的指标为固结度应等于变形比：其中，为最终沉降量。②分层土体的太沙基解考虑多层土体，厚度H，含土层n层，土层i的厚度，竖向渗透系数，压缩模量均已知，包含单面排水和双面排水两种情况。并从理论上说，给定初始条件和边界条件就可以运用数学方法即可解出定解。SBhiffman在1970年曾就恒载作用下多层土体的一维固结问题进行了分析。考虑变荷载作用下分层土体的固结微分方程为：方程的求解条件：同时，与均质地基的求解不同，多层地基的求解条件要考虑各个土层层与层交界面的连续性条件：即在分界面上的一点的孔压相对于分界面上下两层土是相同的，流量也是相同的。满足方程一切求解条件的解为：进而，通过求解超越方程等形式将式中有关参数求解，可得变荷载作用下分层土体的固结微分方程的理论解。求得各个点的孔压值后，便可以继续求得各层土的平均固结度：相对于整个分层土体而言，按孔压定义的平均固结度：4.5.2. 减压降水引起的地面沉降预测由于基坑地下结构施工采用顺作法，根据建立的沉降预测模型，本基坑工程降水运行完成后，降水引起的坑外环境地面累积沉降等值线图见下图。图4.5-1降水井运行60天引起的累积地面沉降预测分布图从上图可以看出，在基坑减压降水运60天后，坑外沉降约1.1mm~3.1mm。后期降水运行中，建议对坑内外观测井水位进行实时跟踪监测，严格控制减压运行的时间与开启的数量，遵循“按需降水”原则，以减小减压降水对周边环境的不利影响。上述沉降值为降水引起的沉降理论预估值，实际环境变形由开挖后墙体变形、坑底隆起、降水、墙体渗漏等共同形成，应综合考虑这些因素。基坑暴露期间应密切监测周边环境变形，以实测值为准。4.5.3. 减压降水引起的地面沉降控制措施（1）临近建筑物和地下管线的减压井抽水时间应尽量缩短，按需降水。（2）采用信息化施工，建议对坑内外观测井水位进行实时跟踪监测，发现问题及时调整抽水井数量及抽水流量，进行按需降水。（3）环境监测资料应及时报送降水项目部，以绘制相关的图表、曲线，调控降水运行程序，确保基坑开挖安全和环境安全。（4）在降水井群施工完成后，应及时进行试运行，详细制定降压降水的运行方案。（5）在降水运行过程中随开挖深度逐步降低承压水头，根据试运行得到的结果，按开挖深度确定井群的运行。在控制承压水头足以满足基坑稳定性