深基坑降水加固法施工技術[1]

1、深基坑降水加固法施工技術摘 要：復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，通過抽水試驗和施工過程中對地層變形、管線變形和周圍房屋沉降的跟蹤監(jiān)測，結(jié)果表明，在復興東路隧道工程中，采用深基坑降水加固法施工技術是有效的。 關鍵詞：深基坑、降水加固法、施工環(huán)境保護、復興東路隧道工程1 引言 上海復興東路越江隧道工程是上海市城市規(guī)劃“三隧一橋”基礎建設的重要組成部分，屬上海市政府重大工程之一。工程設計為雙管雙層六車道， 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)墻圍護結(jié)構(gòu)深基坑開挖施工。其中浦西工作井設計最深達24m，浦西暗埋段設計深達20m，道路縱坡坡度最大為4.75，是工程施工的重點， 由于地質(zhì)情況復雜，周圍市政管線和房屋建筑環(huán)境保護要求較高，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，土力學性質(zhì)差異大，是開挖施工中的主要土層，試驗結(jié)果表明該層土層易出現(xiàn)流沙、管涌和振動液化

3、，對施工影響大。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，相應的絕對標高為-4.8m。施工中需要考慮承壓含水層的作用。各層土力學指標見表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，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，當達到一定程度，砂性土形成流沙涌出坡面，產(chǎn)生流沙時的滲透水力坡降。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，對基坑開挖土層采用大口徑井點降水之后，地下水位將下降，設水位下降值為：H=H1一H2，相當于下臥地層增加H的垂直附加力，在該附加應力作用下，孔隙水逐漸排除，根據(jù)Terzaghi理論有： 其中：、為有效應力；為總應力；u為孔隙水壓力。從(3)可以看出，下臥土層的有效應力隨著孔隙壓力的消散而增長。對降水深度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，土層進一步固結(jié)，相應的土體抗剪強度將逐漸增加，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計 4.1 大口徑降水加固設計 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。降水深度達到基坑底以下4米，降水井數(shù)按下列公式計算： 這里：n是設計降水井數(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，按每口取150-200 m2面積。計算結(jié)果為工作井降水井數(shù)3口，暗埋段降水井數(shù)17口，如圖1分布。圖1 復興東路隧道浦西工作井及暗埋段降水加固設計平面

7、圖 4.2 含水層承壓水降壓井的設計 根據(jù)地質(zhì)資料計算，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井(Y2)，在南北線之間布置一口觀測井(Y3)，根據(jù)實際情況再調(diào)整如圖。表2 5 降水試驗分

8、析 為了驗證降水加固方案的可行性，選擇Y1井作為抽水井，Y2、Y3作為觀測井(如圖1)，進行水文地質(zhì)參數(shù)的計算。然后將Y1、Y4作為抽水井，對工作井A、B、C預測點進行測算，將Y3作為抽水井對Y1、Y2預測井進行測算，參數(shù)計算采用非完整井非穩(wěn)定流的方法進行擬合，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導水系數(shù)(m2/d)； r觀測孔至抽水井距離(m)； L、L1分別為抽水井及觀測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；導壓系數(shù)(m2/d)；抽水延續(xù)時間(d)。 通過現(xiàn)場歷時3 8小時的試驗，得出各水文地質(zhì)參數(shù)如表。再用公式(5)對設計井群抽水預測點A、 B、C干撓水位下降進行計算，結(jié)果如下：表3 a在工作井部位，當兩口井(Y1、Y4)同時抽水(單井抽水量1200m3/d)時，對預測點A、B、C的水位下降預測為： b在暗埋段部位開啟Y3井抽水(單井抽水量600m2/d)時，對觀測點Y1、Y2的水位下降預測值。表4 計算結(jié)果表明，當工作井進行基坑開挖時，同時開啟降壓井Y1、Y4抽水(單井抽水量為1200m3/d)，7天以后預測點A的

10、水位下降值為12.72m，預測點B的水位下降值為11.86m，預測點C的水位下降值為11.68m，此時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。當暗埋段進行基坑開挖時，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，抽水井抽水72小時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，開挖順序為：工作井一PX20一PXl9PXl 8PXl7PXl6PXl5，每個分段分層土方開挖在16小時內(nèi)完成，并及時安裝支撐。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。為了保護基坑兩側(cè)的管線設施和周圍房屋建筑，控制地面沉降，對降水加固施工過程中的地面沉降、管線沉降和房屋變化進行了全過程監(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)測點，按開挖深度1臨計算，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，對深基坑周圍管線的沉降采取一級基坑施工保護措施，500天然氣管的監(jiān)測點間距為5.0m，降水加固施工過程中，天然氣最大累計沉降值為1.524cm，相鄰測點最大沉降差為2.0mm；500上水管監(jiān)測點間距為10m，累計最大沉降值1.534cm，相鄰測點最大沉降差為3.92 mm，3000污水管監(jiān)測點間距為4m，最大累計沉降值為1.705cm，相鄰管線測

13、點最大沉降差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，需要重點保護的是南北兩側(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，在實施監(jiān)測保護時，在每幢房屋輪廓邊線角點、中點對稱設置沉降觀測點。監(jiān)測結(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，特別是復雜土層深基坑工程施工過程中的一項重要技術措施，通過復興東路隧道工程深基坑開挖實踐，主要得出如下認識： 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)驗公式進行大口徑降水方案設計，現(xiàn)場施工過程中未出現(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) 通過深井降水試驗表明，在基坑設計深度超過15m時，基坑底部開挖是穩(wěn)定的，這說明降壓井的設計是合理的。 3) 從深基坑降水加固施工過程中地面沉降變