地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析.doc

(完整版)地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析摘 要 降排水施工是否成功,在很大程度上决定着深基坑施工的成功与否。同时由于地下工程的复杂性,基坑开挖过程中出现局部地质变异性大、局部流砂或涌水等现象,而且往往是多种因素综合作用。结合郑州地铁某深基坑具体工程,阐述了基坑降水设计及施工中遇到的问题，并对这些问题进行了分析，提出了应对措施。关键词 地铁车站 深基坑 降水设计 减压井1 概述 在地下水位较高的地区开挖地铁深基坑时，由于含水层被切断，在压差作用下，地下水必然会不断地渗流入基坑,如不进行基坑降排水工作,将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降,在动水压力作用下还可能引起流砂、管涌和基坑失稳等现象。同时若降水处理不当,会引发施工险情，并严重滞后工期.因此,为确保基坑施工安全，必须采取有效的辅助降排水措施，基本保证无水作业，确保地铁施工安全、质量和工期. 一般情况下，在进行深基坑开挖施工时应具备如下条件： （ 1) 基坑在开挖期间应将地下水位提前降至开挖面以下 1 m，保持基坑开挖无水作业； （ 2) 保持基坑侧壁的稳定和基坑底板的稳定; ( 3) 不影响邻近建筑物及地下管线的正常使用。2 工程概况 本站所处场地属黄河冲洪积平原，场地起伏不大,地形较平缓。地面高程 88 115 88 565 m. 场地范围内地层主要为第四系（ Q） 沉积地层，地层从上到下主要为人工填土、第四系全新统（ Q4）粉土、粉质黏土、粉、细、中砂及第四系上更新统（ Q3） 粉土、粉质黏土. 工程所处范围内地下水类型为第四系潜水，主要由大气降雨补给。第四系冲积 洪积( 4 3) 细砂及（ 4 4) 中砂为主要含水层,砂层一般被人工填土层、冲积 洪积土层覆盖,地下水具微承压性.( 4 3） 细砂及（ 4 4） 中砂粘粒含量较低，富水性强,透水性好，渗透系数为 5 20 m/d; 冲洪积土层饱水性好，其透水性中等 强透水。 工程详勘所揭露的地下水水位埋藏变化较小,初见水位埋深为 3 7 5 5 m（ 本次勘察野外作业期间为弱降水期） ，标高为 82 99 84 55 m; 稳定水位埋深为 4 3 5 8 m，标高为 82 57 83 95 m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年 6 9 月为雨季，大气降雨充沛,水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降。地下水年变幅 2 0 m，3 5 年较高水位 3 0 m。 各土层的水文地质特征及渗透系数值见表 1。 因道路两侧设有 50 m 宽绿化带,车站布置与道路西侧绿化带内，本站站后设交叉渡线和故障车停车线，车站总长4673 m，车站标准段宽 191 m，最大宽24 5 m( 轨排井处） ; 中心里程处顶板覆土3 0 m，底板埋深约163 m.车站主体为地下二层双跨闭合箱形框架结构，采用明挖顺筑法施工。基坑围护结构采用钻孔灌注桩 + 三轴搅拌桩止水帷幕形式。标准段钻孔灌注桩有效桩长 23 2 m、嵌固深度 8 8 m，桩外侧采用单排三轴搅拌桩作止水帷幕，长约 29 m。三轴搅拌桩插入粉质黏土相对隔水层不少于23 m.3 降水设计3 1 降水方案选择 根据该场地的环境条件和水文地质条件，地下水位较高，砂层较厚( 地面以下 7 25 m 左右均为 砂 层) ,渗透系数较大 ( 细 砂 8 m/d、中 砂15 m / d） ，若采用基坑外降水，则会对周边较大范围内( 前期类似工程的降水监测表明，砂层较厚时，降水影响半径达 200 m 左右） 的建( 构） 筑物造成较大影响。 为减少对周围建（ 构） 筑物的影响,降低抽水费用，同时结合前期设计的经验,确定在车站围护桩外侧施作咬合三轴搅拌桩作为基坑的止水帷幕，采取坑内降水、坑外止水的方式进行降水施工,以减小降水井出水量,缩小降水施工影响范围。降水作业应将基坑内地下水位降至基坑底以下 1 m. 基坑降水常用的方法有明沟排水和井点降水两种，其中井点降水常用方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、自渗井点等，各井点使用范围见表 2。 根据本车站地质条件、施工环境、水位降深要求等因素,综合考虑采用深井管井降水为主( 基坑开挖施工前) 、集水井明排为辅( 基坑开挖施工期间） 的方法。 综合考虑基坑的开挖深度、降水区域内地下水水力坡度、降水后水面距离基坑底部的高度、降水期间地下水位变化幅度、过滤管和沉砂管的长度等，井点管埋设深度取 26 m.井管采用无砂滤水管，滤管长度 20 m，顶部以下 6 m 以外为滤管部分，滤管部分全部采用密目网包裹。井管下入后立即在井管外侧填入滤料.滤料采用粗砂或豆石，需具有一定的磨圆度,含泥量( 包括含石粉） 3%，粒径1 5 mm。滤填充至车站含水层以上 3 5 m，填充至孔口时改用黏土回填,回填高度不小于 1 m。为防止雨污水、泥砂或异物落入井中，井管要高出地面300 mm,并加盖或捆绑防水雨布临时保护。3 2 基坑降水设计计算3 2 1 基坑涌水量计算 选择块状基坑公式估算基坑涌水量: 式中,L 为基坑长度（ m) ; B 为基坑宽度( m) ; Q为基坑出水量（ m3/ d） ； k 为渗透系数( m / d） ; H 为静止水位至含水层底板的距离( m） ; R 为影响半径（ m) ; S 为设计水位降深，设为底板标高下 1 0 m，S = 13 0 m。 预计基坑涌水量见表 3.3 2 2 单井最大允许出水量计算 式中: q管井出水能力，m3/ d; L过滤器淹没长度,取 6 m； d-过滤器外径，500 mm; -经验系数，取 115。计算得，q =630 m3/ d3 2 3 井点数量的确定 n = 1 1 Q / q式中: n管井数量，口； Q-基坑涌水量，25 663 5 m3/ d； q管井单井出水量，630 m3/ d。 所需管井数量： n =1 1 Q/q = 45 145,布井时根据场地条件、抽水影响因素等情况可适当加密。4 降水施工中出现的问题4 1 降水施工 本站基坑于 7 月 17 日开始降水作业; 8 月 27日,开挖至地面下 11 m 时,见明水，立即停止开挖,外侧地下水位下降约 2 m，由于施工止水帷幕过程中南端西侧墙处出现施工冷缝,该处基坑侧壁存在渗漏水情况，同时降水井存在出水量偏小、水跃值偏大等问题; 9 月 20 日，决定在基坑南端试挖 10 m长，以判断基坑涌水涌砂及强降水安全开挖的可能性。9 月 26 日，南端基坑内开挖至地表下 13 m 位置时出现涌水、涌砂现象（ 见图 1) ,立即停挖，并对突涌点反压回填. 随后，组织了当地水文专家为主的专家咨询会,鉴于砂层含粘粒较多，制定了改变管井降水的井壁材料为绕丝管措施。10 月 16 日，针对水位仍未有效下降，但因基坑全面降水,南侧外侧地下水位仍相对下降 2 m，而北端外侧水位已下降约5 2 m。施工现场采取继续增加了降水井的密度，至此基坑内降水井总量达 80 口( 其中无砂管降水井 63 口，绕丝管降水井 17 口） ； 同时在基坑盾构井处局部 14 m 16 m采用真空井点降水，与管井降水相结合，并进行试验性抽水，水位变化不明显，遂考虑加大真空井点降水的规模，增加真空井点降水的区域达到25 m 18 m( 井点数量达到 86 个) ，水头缓慢下降。4 2 施工监测 南端基坑基本开挖至基坑底部,基坑周边水位呈北端水位下降( 9 05 m） 明显大于南端水位下降（ 3 85 m) ； 地表沉降累计最大为 9 24 mm，位于基坑南端西侧; 建筑物沉降最大为 6 01 mm，位于基坑南端头的建筑物上; 桩体变形累计最大为15 31 mm，位于基坑南端盾构井的西侧; 支撑轴力最大为 753 05 kN （ 第二层) ，位于基坑南端盾构井西侧的斜撑； 桩顶水平位移最大为 7 mm，沉降最大为 7 mm，位于南端盾构井段。从监测结果上看： 桩体变形和地下水位变化相对较大，桩体变形为警戒值的 60%，其它监测项目为警戒值的 20% 50。5 原因及措施分析5 1 基坑降水困难的原因分析 根据降水过程中现象分析,判定基坑有较大水源补给，具体原因可能有以下几个方面。 （ 1） 降水井渗透性差。具体原因包括降水井井壁材料选择不当、滤料的材料选择不当、洗井( 成井的关键在于洗井，它直接影响到整个基坑降水的效果) 不规范等; 同时也存在降水井运行过程中,地层中的细颗粒被水流带到井壁附近，导致降水井渗透困难、水跃值大; 因此对于粘粒含量较多的砂层，建议井管降水优先选用绕丝管降水井。 （ 2） 三轴搅拌桩止水帷幕施工质量较差,未能达到密闭效果.具体原因包括由于施工机械故障、管线等影响形成的施工冷缝，在采用高喷桩封闭止水帷幕过程中封闭不彻底； 三轴搅拌桩水泥参量偏小，不能达到止水要求的渗透系数、强度等的要求。同时由于砂层较厚，围护桩塌孔较为严重（ 基坑开挖过程中暴露出围护桩扩孔现象严重） ,一定程度上影响了后期止水帷幕的施工质量,建议今后应提高围护桩的施工质量。 ( 3) 止水帷幕出现较大变形，导致失效。主要是基坑开挖后，由于基坑变形，止水帷幕随之变形,可能出现裂缝,从而导致止水帷幕失效。尤其是当施工冷缝未能有效处理时，在基坑开挖过程中，侧壁的渗漏水也会带走土体中的细颗粒，导致该处的围护结构变形增大，从而导致较长范围内的止水帷幕出现裂缝。基坑南端西侧墙处的堵漏过程就说明了这一点。 ( 4） 本站地质复杂，相对隔水层起伏大，可能存在相对隔水层在基坑中部某处局部缺失或薄弱,地下水从基坑底部补给。 ( 5) 因地质勘探孔深度均在 35 m 左右，若地质勘探钻孔在封孔时不密实，可能造成相对隔水层下方的水通过勘探孔流入基坑内。 （6） 不透水层内局部钙质结核较多，导致渗透系数过大,可能达不到相对隔水层的渗透系数要求。5 2 可采取的措施分析 鉴于造成基坑降水困难的地质等因素较为复杂,采用单一的措施无法处理,因此本着确保安全、降低费用的原则，采取如下几种措施。 ( 1) 在基坑外侧施工减压降水井鉴于本站基坑距离周边建筑物相对较远，可在坑外布置降水减压井，同时在降水困难地段，可采用轻型井点配合管井的降水，以确保尽快将地下水位降至预定目标,同时减小降水时间，从而避免长期降水造成产生较大的降水漏斗，对周边环境产生较大影响。 ( 2） 局部施作导流明沟 当基坑底局部存在难以疏干的问题时,选取适当位置做明沟导流，待基坑底疏干至满足施工要求时，尽快施工垫层及底板结构。 ( 3） 局部加深处采用真空井点降水配合管井降水 针对本基坑端头盾构井下沉处和集水坑等下沉处,采用真空井点降水和管井降水的混合降水方法，快速将地下水位降到设计要求，并尽快封底,减少基坑暴露时间和基坑的抽水量. （ 4) 加强对止水帷幕施工冷缝的处理 因本站砂层较厚、局部地段标贯值较大，对于施工中出现的断桩冷缝,应确保二次下沉深度至少达到断桩冷缝处以下 1 m 以上,同时在冷缝以下部位，应加大喷浆数量和喷浆时间进行补强。对于因咬合冷缝导致止水帷幕不能封闭的地段,应在止水帷幕外侧施工高压旋喷桩，旋喷桩的深度应与搅拌桩深度一致，同时厚度应大于搅拌桩的咬合厚度。 （ 5) 加强对侧壁渗漏水处的处理 本站基坑范围内砂层较厚，当基坑开挖过程中，基坑侧壁出现渗漏水时，需及时封堵。若封堵不及时，渗漏水会带走砂层中的细颗粒，使得基坑变形增大,从而引起较大范围内的止水帷幕产生较大的变形或裂缝，使得封堵难度增加。首先可选择采用压浆的措施进行封堵处理，同时可采用基坑内壁挂钢筋网、喷速凝抗渗水泥； 当采用压浆方法不能有效解决时,应进行及时回填,同时在基坑外侧采用高压旋喷桩进行低压补强，补强过程中应加强对围护桩的变形的监测,待高喷桩达到强度后，再进行该段的开挖。6 结束语 在基坑降排水设计和施工过程中，应注意以下几个方面: （ 1) 降排水方案设计时，应充分考虑相应的应急预案或处理措施。无论其降排水方案多么周密、完善,在基坑土方开挖与支护的过程中，出现局部地质变异性大、局部流砂或涌水、积水现象也是在所难免的，因此充分考虑相应的应急预案或处理措施是十分必要的. （ 2) 降水井数量和间距的确定一定要参考相应站点的工程地质报告，同时在围护结构施工时要结合围护结构施工过程中的土层记录，确保数据真实、准确。 （ 3) 采用管井降水时，井壁材料的选择、滤料的选择等应优先选择在当地类似工程中应用效果较好的材料. （ 4） 成井过程中洗井质量至关重要。洗井质量直接影响到整个基坑降水的效果,必须保证洗井成功。 ( 5） 当采用三轴搅拌桩做止水帷幕时，对搅拌桩施工质量,尤其是施工冷缝的处理应在基坑开挖前完成，确保降水前止水帷幕的完整性。 （ 6） 在正式抽水之前认真做好单井试验性抽水，确定计算渗透系数 K 的取值，使得设计降水井的数目能达到基坑降水的预期效果。 （ 7) 基坑开挖过程中出现侧壁渗漏水时，应快速封堵，避免渗漏水带走桩后土体中的细颗粒，使围护结构产生较大变形。 （ 8） 局部降水困难时，可以多种降水方法综合利用，以尽量减少降水时间，避免长期降水对周边环境产生较大影响。参考文献1 雷振华 深基坑工程降水技术浅析J 隧道建设，2006( 4)2 洪波，唐明荣，徐海廷，等 疏干兼降压井结构在基坑降水工程中运用J 岩土工程界，2002（ 1)