深基坑降水加固法施工技術(shù)[1]

1、深基坑降水加固法施工技術(shù)摘 要：復(fù)雜地層中深基坑開挖工程涉及到基坑底部和開挖土體的穩(wěn)定性，以及防范流沙和管涌現(xiàn)象，本文從復(fù)興東路隧道工程地質(zhì)和施工環(huán)境出發(fā)，提出了深基坑降水加固方案，通過抽水試驗(yàn)和施工過程中對(duì)地層變形、管線變形和周圍房屋沉降的跟蹤監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，在復(fù)興東路隧道工程中，采用深基坑降水加固法施工技術(shù)是有效的。 關(guān)鍵詞：深基坑、降水加固法、施工環(huán)境保護(hù)、復(fù)興東路隧道工程1 引言 上海復(fù)興東路越江隧道工程是上海市城市規(guī)劃“三隧一橋”基礎(chǔ)建設(shè)的重要組成部分，屬上海市政府重大工程之一。工程設(shè)計(jì)為雙管雙層六車道， 自浦西光啟路至浦東嶗山東路，總長度2780m。江中段長約1215m，采用直徑1

2、1.22m的大型泥水盾構(gòu)施工。浦西浦東工作井和暗埋段采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)深基坑開挖施工。其中浦西工作井設(shè)計(jì)最深達(dá)24m，浦西暗埋段設(shè)計(jì)深達(dá)20m，道路縱坡坡度最大為4.75，是工程施工的重點(diǎn)， 由于地質(zhì)情況復(fù)雜，周圍市政管線和房屋建筑環(huán)境保護(hù)要求較高，在深基坑開挖過程中，擬采用深基坑降水加固法施工。 2 工程和水文地質(zhì)條件 根據(jù)地質(zhì)勘察資料，本工程基坑開挖涉及的土層為雜填土、l褐黃色粉質(zhì)粘土；3砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粘土、12灰色粉質(zhì)粘土；暗綠色粉質(zhì)粘土、1褐黃色黃色砂質(zhì)粉土。其中3層灰色砂質(zhì)粉土層分布范圍廣，土力學(xué)性質(zhì)差異大，是開挖施工中的主要土層，試驗(yàn)結(jié)果表明該層土層易出現(xiàn)流沙、管涌和振動(dòng)液化

3、，對(duì)施工影響大。另外，基坑底部離含水層1層頂部較近，在地表以下59.6m，可擊穿該層土，其承壓含水層的厚度為29.5m，其滲透系數(shù)為10-3-10-2cm/s，按其地質(zhì)特性屬透水性較好的含水層，承壓水水頭高度一般在地表以下8.8m，相應(yīng)的絕對(duì)標(biāo)高為-4.8m。施工中需要考慮承壓含水層的作用。各層土力學(xué)指標(biāo)見表1。3 深基坑降水加固原理 軟土深基坑加固主要用于增加開挖土坡和坑底的穩(wěn)定、防范流沙現(xiàn)象和增加地基土體的抗剪強(qiáng)度。首先，在基坑開挖期間，坑內(nèi)地下水位必然低于四周，周圍地下水向坑內(nèi)滲流，產(chǎn)生滲流力： 其中：F表示滲流力； Y(d表示水容重；dh/dl表示水頭差；J表示水力坡降。 滲流力的作用

4、將降低周圍邊坡土體安全系數(shù)，從而出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象。采用降水加固措施后，周圍土層中的地下水位可以降到開挖面高程之下，既保持了基坑底部干燥，又便于施工，而且消除了滲流力的影響，從而增加了邊坡和坑底的穩(wěn)定。表1 其次，基坑開挖時(shí)，地面下的土層受到向上的滲透力作用，使砂性土層的滲透水力坡降增大，當(dāng)達(dá)到一定程度，砂性土形成流沙涌出坡面，產(chǎn)生流沙時(shí)的滲透水力坡降。按Terzaghi公式：其中：表示水力坡降；n：表示土體孔隙率；G：表示土粒比重(均勻砂土0.81.2；不均勻粉砂土1/3)。 再次，基坑開挖過程中，坑底存在著1層承壓含水層的頂托力作用，因此，采用深井降水，降低承壓水的水頭差，可以減少承壓水對(duì)基坑坑

5、底的頂托力，增加基坑，底部的穩(wěn)定性?？拥椎姆€(wěn)定條件是：其中：M 坑底以下不透水粘土層厚度(m)：坑底以下不透水粘土層容重(KN/m3)；水容重(KN/m3)； H 降低承壓水位后，坑底粘土層下面尚受到的承壓水頭(m)。 另外，對(duì)基坑開挖土層采用大口徑井點(diǎn)降水之后，地下水位將下降，設(shè)水位下降值為：H=H1一H2，相當(dāng)于下臥地層增加H的垂直附加力，在該附加應(yīng)力作用下，孔隙水逐漸排除，根據(jù)Terzaghi理論有： 其中：、為有效應(yīng)力；為總應(yīng)力；u為孔隙水壓力。從(3)可以看出，下臥土層的有效應(yīng)力隨著孔隙壓力的消散而增長。對(duì)降水深度H范圍內(nèi)的土層，其含水量因降水而顯著減小，其重度提高，土層在增加的自重

6、作用下，土層進(jìn)一步固結(jié)，相應(yīng)的土體抗剪強(qiáng)度將逐漸增加，從而提高開挖土體邊坡和基坑坑底的穩(wěn)定性。 4 降水加固施工方案設(shè)計(jì) 4.1 大口徑降水加固設(shè)計(jì) 根據(jù)水文地質(zhì)資料，本工程降水加固范圍主要涉及到3砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)粘土層。降水深度達(dá)到基坑底以下4米，降水井?dāng)?shù)按下列公式計(jì)算： 這里：n是設(shè)計(jì)降水井?dāng)?shù)量，A是基坑開挖土體平面面積(m2)，本工程工作井為630 m2，按埋段3364m2，a是單井有效抽水面積(m2)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，按每口取150-200 m2面積。計(jì)算結(jié)果為工作井降水井?dāng)?shù)3口，暗埋段降水井?dāng)?shù)17口，如圖1分布。圖1 復(fù)興東路隧道浦西工作井及暗埋段降水加固設(shè)計(jì)平面

7、圖 4.2 含水層承壓水降壓井的設(shè)計(jì) 根據(jù)地質(zhì)資料計(jì)算，承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離為21.3m，由公式(3)得出基坑底部穩(wěn)定性系數(shù)： 按上式計(jì)算得出工作井和暗埋段PXl5、PXl6、PXl7、PXl8、PXl9、PX20段基坑底部粘土層的穩(wěn)定性系數(shù)值如表2。取工程穩(wěn)定系數(shù)大于1.1，由計(jì)算表明PXl 8、PXl 9、PX20和工作井基坑底部粘土層處于承壓水頂托力作用的不穩(wěn)定狀態(tài)，需要降壓處理。經(jīng)試算在工作井東側(cè)兩隧道之間布置一口抽水井(Y 0)，在北線布置一口抽水井(Y1)，在暗埋段南線布置觀測(cè)井(Y2)，在南北線之間布置一口觀測(cè)井(Y3)，根據(jù)實(shí)際情況再調(diào)整如圖。表2 5 降水試驗(yàn)分

8、析 為了驗(yàn)證降水加固方案的可行性，選擇Y1井作為抽水井，Y2、Y3作為觀測(cè)井(如圖1)，進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算。然后將Y1、Y4作為抽水井，對(duì)工作井A、B、C預(yù)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)算，將Y3作為抽水井對(duì)Y1、Y2預(yù)測(cè)井進(jìn)行測(cè)算，參數(shù)計(jì)算采用非完整井非穩(wěn)定流的方法進(jìn)行擬合，即： 其中：Br為越流因子(無量綱)； Kz、Kh 分別為含水層垂直向和水平向滲透系數(shù)(m/d)： Q為抽水井出水量(m3/d)： S干撓抽水水位(m)； M含水層厚度(m) T導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)； r觀測(cè)孔至抽水井距離(m)； L、L1分別為抽水井及觀測(cè)井的過濾器底部至含水層頂板距離(m)； D、d1分別為抽水井及觀測(cè)井的過濾器頂部

9、至含水層距離(m)； W(Ur)井函數(shù)； Ur井函數(shù)自變量，Ur=r2/4 t；導(dǎo)壓系數(shù)(m2/d)；抽水延續(xù)時(shí)間(d)。 通過現(xiàn)場(chǎng)歷時(shí)3 8小時(shí)的試驗(yàn)，得出各水文地質(zhì)參數(shù)如表。再用公式(5)對(duì)設(shè)計(jì)井群抽水預(yù)測(cè)點(diǎn)A、 B、C干撓水位下降進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下：表3 a在工作井部位，當(dāng)兩口井(Y1、Y4)同時(shí)抽水(單井抽水量1200m3/d)時(shí)，對(duì)預(yù)測(cè)點(diǎn)A、B、C的水位下降預(yù)測(cè)為： b在暗埋段部位開啟Y3井抽水(單井抽水量600m2/d)時(shí)，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)Y1、Y2的水位下降預(yù)測(cè)值。表4 計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)工作井進(jìn)行基坑開挖時(shí)，同時(shí)開啟降壓井Y1、Y4抽水(單井抽水量為1200m3/d)，7天以后預(yù)測(cè)點(diǎn)A的

10、水位下降值為12.72m，預(yù)測(cè)點(diǎn)B的水位下降值為11.86m，預(yù)測(cè)點(diǎn)C的水位下降值為11.68m，此時(shí)可以滿足工作井處需要降低含水層水頭的要求及基坑穩(wěn)定性的要求。當(dāng)暗埋段進(jìn)行基坑開挖時(shí)，開啟降壓井Y3(抽水量為600m3/d)，3天后井的水位下降值為3.27m，說明在暗埋段施工時(shí)，抽水井抽水72小時(shí)就能滿足暗埋段處需要降低承壓含水層水頭的要求及基坑底部穩(wěn)定性的要求。表5 6 降水加固效果分析 本段基坑施工采用分段分層開挖，開挖順序?yàn)椋汗ぷ骶籔X20一PXl9PXl 8PXl7PXl6PXl5，每個(gè)分段分層土方開挖在16小時(shí)內(nèi)完成，并及時(shí)安裝支撐。每段開挖放坡1:2.5，每層深度控制在1.5m

11、左右，從基坑開挖效果看，未出現(xiàn)大量滲水和邊坡失穩(wěn)現(xiàn)象，基坑底部施工也比較順利。為了保護(hù)基坑兩側(cè)的管線設(shè)施和周圍房屋建筑，控制地面沉降，對(duì)降水加固施工過程中的地面沉降、管線沉降和房屋變化進(jìn)行了全過程監(jiān)控。 6.1 地面沉降變化分析 降水加固施工最直接的反映是在地面沉降的變化上。為了控制基坑降水加固引起的周圍地面變形，在工作井、暗埋段的南北兩側(cè)，距離連續(xù)墻約12m范圍內(nèi)布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按開挖深度1臨計(jì)算，工作井周圍地面沉降的最大允許值為2.4 cm，暗埋段周圍周圍地面沉降的最大允許值為1.7cm。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在深基坑降水加固施工的第60天，工作井周圍地面最大沉降值為1.597cm(如圖)，空間分布上

12、靠近連續(xù)墻外6.0 m左右地面沉降值最大，為1.638cm(如圖)。由此可以看出，采用深基坑降水加固后，地面沉降控制在允許值范圍內(nèi)。 6.2 管線沉降分析圖2 浦西工作井周邊地表沉降曲線圈圖3 浦西暗埋段兩側(cè)地表沉降曲線圖 根據(jù)工程周圍管線的分布情況，對(duì)深基坑周圍管線的沉降采取一級(jí)基坑施工保護(hù)措施，500天然氣管的監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為5.0m，降水加固施工過程中，天然氣最大累計(jì)沉降值為1.524cm，相鄰測(cè)點(diǎn)最大沉降差為2.0mm；500上水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為10m，累計(jì)最大沉降值1.534cm，相鄰測(cè)點(diǎn)最大沉降差為3.92 mm，3000污水管監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距為4m，最大累計(jì)沉降值為1.705cm，相鄰管線測(cè)

13、點(diǎn)最大沉降差4.55mm，管線的沉降差在允許值10.0mm以內(nèi)。每天沉降速率最大值500上水管為0.63mm/d，每3000污水管為1.99毫米，500天然氣管每天的沉降變化速率為0.8mm，在允許值3mm/d以內(nèi)。圖4 管線監(jiān)測(cè)沉降曲線 6.3 深基坑施工區(qū)域相鄰建筑物沉降分析 在深基坑降水加固施工過程中，需要重點(diǎn)保護(hù)的是南北兩側(cè)附近的舊式居民房屋(2層樓房)，以及井崗中學(xué)和星火紡織提花紙板廠(3層樓房)。其中星火紡織提花紙板廠房離工作井基坑最近，僅10m左右，由于房屋結(jié)構(gòu)大多為磚混結(jié)構(gòu)，而且比較陳舊，穩(wěn)定性特別差，在實(shí)施監(jiān)測(cè)保護(hù)時(shí)，在每幢房屋輪廓邊線角點(diǎn)、中點(diǎn)對(duì)稱設(shè)置沉降觀測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果(

14、圖)表明，房屋的最大沉降值為13mm，經(jīng)過120天后趨于穩(wěn)定，前后墻的最大沉降差為3mm，在允許沉降值范圍內(nèi)，房屋沒有明顯的變形現(xiàn)象。圖5 附近民房沉降曲線圖圖6 附近廠房沉降曲線圖 7 結(jié)語 降水加固法施工是軟土地下工程，特別是復(fù)雜土層深基坑工程施工過程中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施，通過復(fù)興東路隧道工程深基坑開挖實(shí)踐，主要得出如下認(rèn)識(shí)： 1) 在深基坑開挖所涉及的砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粘土層和粉質(zhì)粘土層中，按經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行大口徑降水方案設(shè)計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中未出現(xiàn)開挖土坡失穩(wěn)、大量流沙和管涌現(xiàn)象，說明降水加固施工是成功的。 2) 通過深井降水試驗(yàn)表明，在基坑設(shè)計(jì)深度超過15m時(shí)，基坑底部開挖是穩(wěn)定的，這說明降壓井的設(shè)計(jì)是合理的。 3) 從深基坑降水加固施工過程中地面沉降變