宁波地铁市府站深基坑抽水试验及数值分析

崔 涛

(北京交通大学土木工程建筑学院,100044,北京∥高级工程师)

宁波地铁市府站深基坑抽水试验及数值分析

崔 涛

(北京交通大学土木工程建筑学院,100044,北京∥高级工程师)

为降低深基坑工程的设计与施工风险,有必要通过抽水试验确定各地层(特别是承压含水层)的水文地质参数。针对宁波地铁市府站的复杂水文地质条件,通过现场不同降压工况的抽水试验,并运用三维非稳定流有限差分法进行了数值模拟及水文地质分析。该抽水试验结果及结论为类似工程的设计、施工及风险控制提供了依据,尤其是对于宁波地区后续轨道交通线路的建设具有借鉴作用。

宁波地铁;深基坑;抽水试验;有限差分法

Author's addressCollege of Civil Engineering,Beijing Transpotation University,100044,Beijing,China

宁波地铁市府站是宁波地区首批开工建设的地铁车站之一,站内地铁1、2号线呈上下十字交叉,1、2号线间设有联络线连接,地区内尚无同类工程的施工经验。宁波地铁1号线市府站的车站基坑宽20.5～24.8 m,长约168.6 m;西端头井基坑深为25.3 m,标准段基坑深约23.8 m。围护结构为1000 mm厚地下连续墙,深46～49 m;沿基坑深度方向水平设置六道支撑及一道临时支撑。其中第一道为钢筋混凝土支撑,第五道支撑结合下二层板边框架逆作,其余均为钢支撑。

试验井所处地质及水文地质条件复杂,抽水初期恢复比率大(水位恢复时观测孔10 min恢复水位40%左右)、单井出水量大(单井开采量800～1500 m3/d)、静止水位高(距地表仅为5.0 m)、周边环境复杂(毗邻市政府、闹市区,建构筑物密集)。能否安全解决承压水问题,并有效控制对环境的影响,是本工程设计及施工的关键因素之一。

1 车站基坑地质条件及突涌性计算

基坑开挖范围内(①1-1层-⑤2层)多以淤泥质及软塑状土层为主。其地质纵剖面图如图1所示。

对基坑有影响的承压含水层主要赋存于⑧1层的粉砂、细砂、中砂含水层中,其透水性好,水量丰富,单井开采量为800～1500 m3/d;含水层顶板埋深一般为45.0～62.0 m左右,含水层厚度10～15 m,层位稳定,地下水基本不流动。

采用安全系数法对不同开挖深度的基坑进行安全突涌可能性计算(计算结果见表1)。

式中:

Pcz——基坑底至承压含水层顶板间土压力,Pa;

Pwy——承压水水压力,Pa;

Fs——安全系数 ,取 1.10。

计算表明:1号线端头井、标准段及局部联络线通道有突涌可能性。基坑开挖至22.5 m时,需降低承压含水层水位;开挖至底板时,承压水层⑧1的安全水位宜控制在7.78 m以下。为有效控制地下水及减小降水对周边环境的不利影响,需要准确分析本工程场地的水文地质特征,对承压含水层进行专项承压水抽水试验。

表1 安全突涌可能性计算表

2 抽水试验过程及分析

抽水试验共布设3口试验井,分别为S1、S2、S3。试验井滤水管长分别设置为10.0 m、5.0 m、8.0 m,并根据场地实际情况在试验井四周共布置6个监测剖面,共60个监测点。监测点间距约为10 m、15 m,编号为 C1-1～ C6-10,具体见图 2、3。本试验从2009年7月20日进场施工,至2009年10月1日提交抽水试验成果报告,历时70 d左右。

图1 地质纵剖面图

图2 抽水试验井布置及监测平面图

2.1 水位观测及沉降监测

抽水前进行静止水位观测,测得承压水水位标高最浅在-1.25 m左右;水位具有一定的波动性,水位波动在20～25 cm左右(见图4)。

试验时采用定流量非稳定流抽水方法进行抽水。抽水时S1、S3井平均单井涌水量分别为45.0 m3/h、21.0 m3/h,抽水井水位最大降深分别为3.76 m、9.31 m;观测井S2水位最大降深为2.44m。试验期间取得抽水井、观测井的水位降深随时间变化曲线如图5、图6。

由抽水试验可知,抽水前期水位下降迅速,在抽水10 min时观测孔水位降深占总降深的40%左右;30 min后水位变化较小,且逐渐趋于稳定;停止抽水水位恢复时,观测井10 min时恢复水位40%左右,150 min即恢复水位60%左右,之后平均恢复速率较慢。

由图7、8可知:各沉降监测点在试验期间地表沉降值为0～3.0 mm,总体沉降量较小,没有特别明显的变化规律;在停止抽水后水位恢复,孔隙水压力增大,一部分地表沉降回弹。

2.2 水文地质参数求解

根据场地实际情况待水位稳定后,对S1、S3井分别进行单井抽水试验,并利用AquiferTest软件(3.0版)中泰斯法、泰斯水位恢复法等对所测数据进行水文地质参数的求解(详见表2)。

图3 抽水试验井结构图

图4 静止水位观测曲线图

图5 S1单井抽水试验时间-降深曲线

图6 S1、S3双井抽水试验时间-降深曲线

图7 沉降监测点 C2-5、C2-6、C2-9、C2-10所测地表沉降曲线图(2009年)

图8 沉降监测点C5-2～C5-10所测地表沉降曲线图(2009年)

表2 水文地质参数表

2.3 三维渗流与沉降模拟

采用国际上常用的Visual Modflow地下水渗流数值模拟软件进行水文模型数值模拟(4.0版)计算,在同等水文地质条件、模型设置及剖分条件下采用Processing Modflow(5.3版)进行场区沉降模拟预测。根据场区的实际水文地质结构条件及几何形状进行三维剖分。因承压含水层渗透性大,确定以基坑中心点为基点、各方向延伸1000 m作为模拟计算区域;剖分时在基坑附近对网格加密,平面上剖分为100×100个网格单元。模型的水文地质参数根据勘察报告提供的地质资料及试验取得的水文地质参数等进行实际等效处理,承压含水层模型边界采用通用水头进行处理。模型计算值与试验观测值拟合曲线如图9所示。

图9 模型计算值与实测水位拟合曲线图

通过试验数据调参反演建立有效数值模型后,对双井抽水试验期间场地范围内的渗流情况及降水引起的沉降情况进行模拟预测。具体如图10、11所示。

通过对试验期间群井试验反演模拟,得出抽水试验取得的水文地质参数能够反映场地内实际地下水存储、运移状态,以及承压水抽取后引起的土层压缩规律。试验取得的水文地质参数和通过反演法建立的数值模型能够模拟并预测基坑开挖时减压降水引起的场地内水位变化及周边环境变化情况;并以此验证和优化承压水减压设计,确保施工安全、控制对环境的影响。

图10 群井试验期间场地渗流模拟图

图11 群井试验期间场地地面沉降模拟图

3 承压水减压设计的优化

在减压设计时应考虑最不利的情况,以确保基坑工程的安全施工。根据试验结果建立的场地范围内水文地质、沉降数值模拟模型,对基坑降水方案进行优化设计。

3.1 抽水试验前的承压水减压设计方案

依据原有的勘察资料提供的工程地质、水文地质条件,进行基坑突涌可能性计算,并依据渗流公式对基坑涌水量进行计算。根据计算结果,本工程主体结构的基坑共需布置第⑧1层的降水井6口以及备用井(兼观测井)2口;井深60.0 m,滤水管深52.0～59.0 m。具体平面位置见图12。

3.2 方案优化

依据抽水试验结果及建立的基坑降水数值模型,对原有设计方案进行优化。优化后减少原方案联络线中的1口降水井,并依据抽水结果及围护设计对原有降水井位置及井深进行优化设计。优化后基坑共布置降水井5口,观测兼备用井2口;井深63.0 m,滤水管深54.0～62.0 m。具体平面位置见图13。以下进行方案优化后的模拟计算。

图12 优化前基坑降水平面布置图

图13 优化后基坑降水平面布置图

模拟启动基坑内布置的5口降水井,平均单井抽水量40 m3/h。在抽水1 d后基坑内降深在4.0～4.5 m,基坑外侧100 m范围内降深在2.5～4.0 m左右(见图14);在基坑中心100 m范围内沉降在1.7～3.5 mm左右。此时基坑内承压水水位能够满足基坑安全开挖要求。

图14 抽水1 d后水位降深等值线图(单位:m)

在持续降压抽水90 d后,基坑内降深在5.0～6.0 m,基坑外侧100 m范围内降深在3.5～5.5 m(见图15)。基坑内外水位持续抽水10 d后无明显变化,此阶段承压水减压降水处于稳定状态,在基坑中心100 m范围内沉降在9.5～15.0 mm,基坑内承压水水位能够满足基坑安全开挖要求。

图15 抽水90 d水位降深等值线图(单位:m)

在基坑内设置观测孔HG1、HG2,在基坑外侧5 m 、50 m、100 m、200 m 处设置 4口G1～G4承压水观测井及相应的沉降监测点,对减压降水90 d进行数值模拟及停抽后5 d内进行时程模拟。模拟结果表明:在距基坑边界50 m、100 m、200 m 处降深分别约为 4.9 m、4.3 m、3.5 m,地面沉降量约为8.3～13.8 mm;停止抽水使水位完全恢复后,最终地面沉降量在5.5～6.5 mm左右。模拟的时间-降深、沉降曲线详见图16、17。

根据基坑突涌可能性计算,基坑开挖至22.5 m时临近最后一层土方,此前24 h内须启动降水井并进行减压降水。根据开挖工序和施工进度,可先开启土方开挖邻近区域的2～3口降水井,其它降水井以观测为主,通过水位观测调整减压运行方案,做到“按需降水”。至土方开挖结束,承压水水位应满足基坑安全施工要求。同时为有效减小减压降水对周边环境的影响,基坑内水位不允许出现大幅度超降现象,宜控制在安全水位上下0.5 m左右。

图16 不同点位处水位降深时程曲线(模拟)

图17 不同点位处降水引起的地面沉降时程曲线(模拟)

根据计算,基坑减压降水从启动至封闭区域内基坑底板全部施工结束后的14 d内需进行持续减压降水。在减压降水过程中应采用自动观测水位等有效手段监控承压水水位,同时在运行期间采取备用电源和备用电源自动切换技术实现减压降水持续进行。在基坑底板施工结束14 d后,根据底板隆起监测结果,当变形在设计可控范围内时逐步关闭降水井,并在关闭前通过降水井进行场地承压水水头观测,当基坑结构完全满足抗浮要求且不存在风险时进行降水井封井工作。

4 结语

宁波地铁市府站属于深基坑,其地质及水文地质条件复杂,且在宁波地区缺乏同类工程的经验,对于设计、施工的未知因素多风险大。为此进行抽水试验,经有限差分法数值分析,作为设计的复核依据。

1)试验的必要性。基坑减压性降水是工程的风险源之一,故应重视对承压水的减压性降水的设计工作,以保护基坑的安全,减少对周围环境的影响。

2)数据的有效性。基坑减压性降水设计过程中,抽水试验所测得数据不仅能验证设计的减压性降水方案的可行性,而且能指导基坑减压性降水方案的优化设计及减压性降水措施的实施。

3)环境的控制性。根据抽水试验数据建立三维地下水渗流数值模型是必要的。通过数值计算获得基坑承压水水位的空间变化规律,验证减压性降水方案的可行性,以指导基坑减压性降水措施的实施,减少对周边环境的影响。

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On Pumping Test and Numerical Analysis of Station Deep Pit in Ningbo Metro

Cui Tao

To reduce the design risk during deep pit foundation construciton,it is necessary to take a dedicated drawoff testing to determine the parameters of various geological layers at the pit,especially those of the confined aquifer.In relation to complicated hydro-geological conditions in Shifu Station of Ningbo Metro,by way of various hyper draw-off testing under different pressure lowering regimes,a model has been made on the draw-off test by means of three-dimensional unsteady flow finite differentiation method and hydro-geological analysis.This conclusion of the draw-off test and findings of expert examination could provide relevant technical support for the design and construction of rail transit lines in Ningbo City.

Ningbo metro;deep pit;pumping test;finit differentiation method

TU 46+3

2009-12-10)