长春地铁某区间降水方案设计与优化

长春地铁某区间降水方案设计与优化

张要雷，吴银柱

(长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春 130021)

主要研究岩土工程。

摘要：以长春地铁某区间降水工程为例，介绍了基坑涌水量、单井出水量及降水井井深、数量和间距的计算，并用有限元软件Midas GTS NX 对不同的降水井井间距进行模拟分析，得到了适宜的降水井井间距和井水位降深值，达到了既能满足现场施工的要求又能节约降水工程造价的目的。

关键词：地铁；降水；井间距；水位降深

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.03.004

收稿日期：2015-07-02

基金项目：吉林省科技发展计划项目(20140204033SF)

作者简介：张要雷(1988-)，男(汉)，河南漯河，在读硕士

中图分类号：TU943.1献标志码：A

1工程概况

本区间西起平阳街，东至大经路，沿解放大路呈东西走向。本区间长约834.32 m，里程为K22+806.054～K23+640.374，拟采用矿山法施工，左右线中心距离13.50～16.00 m，隧道底板由西向东逐渐降低，底板标高约为180.60～192.50 m，埋深约16.50～22.10 m。

1.1　场区地层分布

主要地层特征自上而下分述如下：杂填土①层：主要由黏性土和建筑垃圾组成，揭露厚度0.80～7.10 m；粉质黏土②1层：黄褐色，可塑，揭露厚度0.70～6.50 m；粉质黏土②2层：黄褐色，可塑偏软，揭露厚度0.90～7.10 m；中粗砂②6层：褐黄色，饱和状态，揭露厚度0.30～1.80 m；全风化泥岩③1层：紫红色泥岩，揭露厚度3.50～9.40 m；强风化泥岩③2层：紫红色泥岩，揭露厚度9.00～18.00 m；中风化泥岩③3层：紫红色泥岩，揭露厚度9.00～31.20 m。

1.2　场区地下水分布

勘察报告最大揭露深度为45.0 m，场区内赋存3层地下水：第1层为表层孔隙性潜水，含水层为②1和②2层；2二层为浅层微承压水，含水层为②6层，第1层和第2层地下水均属于第四系松散岩类孔隙水；第3层为岩石裂隙水，含水层为全、强、中风化泥岩，属于碎屑岩类裂隙水。

2降水工程初步设计

地铁降水工程的复杂程度远远超过一般基坑降水工程，因此，除满足一般降水规范要求外，还必须考虑降水井布置时对交通、周边环境的影响，避开地下管线、地下构筑物，控制距建筑物基础的距离等等。本区间地下水主要赋存于第四系黏性土和砂土层中，其中黏性土具弱透水性，砂土层属强透水层。区间位于地下水位以下，应做好防渗设计，施工时做好排水工作。根据长春地区常用基坑降水方法和本区间地下水对隧道施工影响的分析，采用管井降水方案，疏干结构范围内的地下水。

2.1　基坑涌水量计算

该区间降水疏干范围为835 m×22 m，周长1 714 m，长宽比>5，根据JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》计算基坑涌水量。

2.1.1潜水完整井基坑涌水量计算

(1)

式中：Q为基坑降水涌水量(m3/d)；k为含水层渗透系数(m/d)；H为潜水含水层厚度(m)；s为基坑地下水位的降深值(m)；R为 影响半径(m)；r0为基坑等效半径(m)。

参数选取：k=0.8 m/d，H=16.5 m，s=16.5 m，R=141.7 m，r0=76 m，经计算得Q=650.08 m3/d。

2.1.2承压水完整井基坑涌水量计算

(2)

式中M为承压水含水层厚度(m)。

参数选取：k=50 m/d，M=2.35 m，s=16.5 m，R=707.1 m，r0=76 m，经计算Q=5 203 .14 m3/d。

基坑总涌水量Q总=Q潜+Q承=650.08+5 203.14=5 853.22 m3/d。

2.2　管井单井出水量计算

管井单井出水量可按下式计算：

(3)

式中：q0为单井出水能力(m3/d)；γs为过滤器半径(m)；l为过滤器进水部分的长度(m)；k为含水层渗透系数(m/d)。

参数选取：k=0.8 m/d，γs=0.2 m，l=0.5 m，经计算得q0=34.98 m3/d。

2.3　降水井井深、数量和井间距计算

根据JGJ/T 111—98《建筑与市政降水工程技术规范》规定，降水井深度按下式计算：

HW=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6，

(4)

式中：HW为降水井的深度(m)；HW1为隧道底埋深(m)，取16.50/22.10 m；HW2为降水水位距隧道底部的要求深度(m)，取1.0 m；HW3=ir0，i为水力坡度，取1/10，r0为降水井分布范围半径(m)，取15 m；HW4为降水期间的地下水位变幅(m)，取1 m；HW5为降水井过滤器工作长度(m)，取1 m；HW6为降水井沉砂管长度(m)，取1 m。

经计算，HW=22/27.6 m，取23/28 m。

降水井数量n=1.1×Q/q=184口，最大降水井间距=2×835÷n=9 m。降水井半径0.3 m，沿开挖边线外3 m布置。如果按6 m井间距布置需要278口井。

3降水方案优化

方案优化遵循既能保证区间隧道正常开挖的要求，又能最大限度地节省降水工程造价的原则，对降水井井间距和井水位降深进行优化设计。根据长春市工程降水施工经验，管井降水井间距一般取6 m，而理论计算得到的最大井间距为9 m，因此，该区间降水工程降水井间距按6～9 m的范围划分为7个梯段进行优化，7个梯段依次是6 m、6.5 m、7 m、7.5 m、8 m、8.5 m、9 m。井水位降深最小值=隧道底板标高+1.0 m +水力坡度较小值(取1/15)×降水井分布范围半径+地下水位变幅-初始水位。井水位降深最大值=隧道底板标高+1.0 m+水力坡度较大值(取1/10)×降水井分布范围半径+地下水位变幅-初始水位。为了简便起见，建立模型时选取该区间一段进行模拟。该小段隧道底板埋深为17.4 m，地下水位埋深在3.5 m左右，所以，井水位降深最小值为16.9 m，最大值为17.4 m。

3.1　模型建立

岩土与隧道结构有限元分析软件Midas GTS NX拥有简洁的界面、前后处理功能强大的岩土材料模型库，能满足大部分岩土体的破坏形式。该软件的应力—渗流耦合分析功能能够很好地模拟降水井抽水后引起的周边水位降低的变化，因此，用此软件对基坑工程建立三维数值模型比较接近真实情况，且计算结果相对安全。

按照井间距的不同，分别建立7个模型，每一个模型分别按照井水位降深值16.9 m、17.4 m进行计算。模型大小100 m×100 m×25 m。设置10口降水井，区间两侧各布置5口降水井。

3.2　结果分析

软件的后处理功能可以提供降水后的三维自由水位面，如图1～2所示。

图1　降水后的沿区间走向水位面

图2　降水后的垂直区间走向水位面

7个模型模拟降水后的区间基坑自由水位面最高点见表1。

表1　降水后的基坑自由水位面

根据基坑降水水位距隧道底板1 m的要求，降水后的区间基坑自由水位面最高点应该是18.4 m。从表1中得知8 m井间距、17.4 m井水位降深是最佳的。8 m井间距需要209口井，比原定方案278口井少69口井，而且满足了现场施工开挖的干燥条件。

4结语

降水的过程在现实中是以三维渗流的形式存在的。本文通过有限元软件Midas GTS NX 对长春地铁某区间降水方案设计建立三维数值模型分析，根据降水后的区间基坑自由水位面最高点是否满足要求来选择合适的降水井井间距和井水位降深值。经过降水方案优化， 达到了既能满足现场施工的要求又节约降水工程造价的目的。

参考文献

[1] 中国建筑科学研究院. JGJ 120—2012 建筑基坑支护技术规程[S].北京:中国建筑工业出版社,2012.

[2] 建设部综合勘察研究设计院. JGJ/T 111—98建筑与市政降水工程技术规范[S].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[3] 刘国彬,王卫东.基坑工程手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社,2009.

[4] 温继伟,陈宝义.管井降水在北京地铁施工中的应用[J].施工技术,2011,40(350):50-54.

The dewatering plan design and optimization of a section in Changchun metro

ZHANG Yao-lei，et al.

(SchoolofProspectingandSurveyEngineering,ChangchunInstituteofTechnology,

Changchun130021,China)

Abstract：Taking Changchun metro dewatering engineering as an example, this article introduces the pit content, single well water yield and precipitation well deep, the calculation of number and spacing, and by using the finite element software MIDAS GTS NX it makes simulation analysis to different precipitations in well spacings, obtains the suitable precipitation well spacing and well water level drawdown value, with the purpose of not only meeting the requirements of construction site and saving precipitation engineering cost.

Key words：subway; dewatering; well spacing; drawdown