南京长江第五大桥夹江隧道明挖段基坑深降水设计

吴奎

Deep Foundation Pit Dewatering Design in the Excavation Section of Jiajiang Tunnel at Nanjing Yangtze River Bridge No.5

摘要： 以南京长江第五大桥夹江隧道明挖段基坑降水為工程背景，针对南京长江漫滩地区上部粘性土层为软土层与硬土成互层结构，在软土层中夹有粉细砂层透镜体，下部砂层的厚度较大（3～40m），为承压含水层等特点，采用Visual MODFLOW软件建立多层含水层地下水模型，提出了合理的深基坑降水方案。

Abstract： The engineering background is the excavation section of the Jiajiang tunnel in the Nanjing Yangtze River Bridge No.5. The upper clay soil layer in the Yangtze River floodplain area in Nanjing is an interbedded layer of soft soil and hard soil， with fine powder in the soft soil layer. Sand lens body， the thickness of the lower sand layer （3 ～ 40m）， is a confined aquifer and other characteristics， the use of Visual MODFLOW software to establish a multi-layer aquifer groundwater model， put forward a reasonable deep-pit dewatering program.

关键词： 深基坑降水；Visual MODFLOW；长江漫滩

Key words： deep foundation pit dewatering；Visual MODFLOW；the Yangtze River floodplain

中图分类号：U445.55 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0129-03

0 引言

深基坑降水对于沿海、沿江等大城市来说是一个很重要的问题。以往有很多由于降水设计不当而导致深基坑失稳工程案例。我国长江中下游沿岸城市，地基呈典型的二元结构，上部由粘性土层组成，有透水性弱、力学强度低的特点，下部由砂、砾、卵石层构成，有强度高、透水性强的特点。在两层结构之间，会出现厚度不一的粉砂过渡层，抗渗强度极低。由于这种土层结构和该地区地下水分布的特点，更增加了地下工程的支护设计与施工的难度。对于深基坑来说，制定比较合理的降水方案是保证施工安全顺利进行的前提。

1 工程概况

南京长江第五大桥夹江隧道明挖段基坑长536m，宽11.5～66.1m，基坑深度2～25.6m。围护结构采用放坡开挖、重力式水泥挡土墙、SMW工法桩及地连墙形式，主体结构为箱型框架结构，明挖顺作法施工。基坑位于南京市江心洲洲头，地层主要以粉质粘土②1、粉砂②3、淤泥质粉质粘土②2为主，总体上空间分布较稳定。基坑设置三道止水帷幕，将主线隧道分为4个区；主线与匝道间设置封堵桩，将A、B匝道分为2个区。依照基坑设计分区思路，借助数值模拟技术进行减压降水设计分析。其中1区里程为K9+070～K9+141，2区里程为K8+988～K9+070，3区里程为K8+988～K8+880，4区里程为K8+880～K8+580[1]-[4]。（图1-图2）

2 数学模型的建立与求解

2.1 渗流基本理论

求解地下水运动问题，可以利用下述地下水流连续性方程及其定解条件式来描述地下水的三维非稳定渗流规律。根据场地地质及水文地质条件，建立了下列与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型：

其中；E=S 承压含水层Sy 潜水含水层；T=M 承压含水层B 潜水含水层；

式中：Kxx，Kyy和Kzz为平行于主轴x，y和z方向的渗透系数（L/T）；W为单位体积流量，用以代表流进或流出的源汇项（m3/d）；h为点（x，y，z）在t时刻的水位（m）；SS为储水率（l/m）；S为贮水系数；Sy为给水度；M为承压含水层厚度（m）；B为潜水含水层厚度（m）[5]-[9]。

2.2 模拟建立

根据已有的岩土工程勘察报告、水文地质条件、钻孔资料，模拟区平面范围按下述原则确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外。为了克服边界的不确定性对计算结果造成的影响，其余各边向外扩展约500m人为设定为定水头补给边界，即模拟区范围为1450m×1060m。剖面上，利用勘探钻孔资料，将场区在垂向上概化为4个模拟层，见图3。

第1层：上部②2淤泥质粉质粘土、②3粉砂组成的潜水含水层；

第2层：中间②2、③4粉质粘土组成的相对隔水层；

第3层：③1、③2、③3、④2、④3组成的承压含水层，局部存在③4粉质粘土透镜体；

第4层：⑤1强风化、⑤2中风化组成的基岩裂隙含水层。

地下水流数学模型涉及的模型参数主要为渗透系数（Kxx、Kyy、Kzz），结合南京长江漫滩地区众多工程降水资料，粉细砂、粉砂地层的垂向渗透系数约为水平方向的1/2～1/4倍。本次结合周边降水工程资料、地层经验参数、地勘资料等，充分考虑地层的各向异性，模型参数取值见表1。

3 模型结果与降水井优化布置

根据数值模拟结果对深基坑进行降水井设计，方案如下：

①K9+070～K9+141 安全水位标高-7.21～-9.07m，水位降深约12～14m，围护结构进入基岩风化层，理论上属“封闭式降水”。基坑内承压水位降至安全水位时，涌水量约为3600m3/d，该处承压含水层厚度薄，且受地下连续墙影响，单井出水量约为720m3/d，共布置6口降压井（含1口觀测兼备用井），坑外水位下降约2.0m。

②K8+988～K9+070安全水位标高2.13～-2.07m，水位降深约3～7m，围护结构进入承压含水层深度小，绕流阻水作用不明显，属“敞开式降水”。基坑内承压水位降至安全水位时（-2.0m），总涌水量约7200m3/d，布置8口降压井（含2口观测备用井），单井涌水量约1200m3/d，因该段地连墙进入下部承压含水层深度小，坑内外水位差较小。

③K8+988～K8+880主要降低③1、③2层水位，下部③3层水位降深小，可利用K8+988～K9+070降压井进行降水，不再布置降压井进入③3层；③1、③2层安全水位标高-1.19～-4.39m，水位降深6.2～9.4m，围护结构进入③1、③2层下部的③4粉质粘土隔水层中，属“封闭式降水”。经过模型计算，基坑内承压水位降至安全水位时，总涌水量约1440m3/d，坑外水位降至标高3.6m，降深约1.4m。该段③1、③2层厚度小，且围护结构全封闭，单井出水量约360m3/d，共布置6口降压井。

④K8+880～K8+580因围护结构进入承压含水层深度小，属“敞开式降水”，同时下部③4层粉质粘土缺失，承压含水层厚度变大。安全水位标高最低约-1.45m（泵房处，降深约6.45m），主线在封堵墙处降深最大，降至标高-1.19m，考虑到主线隧道泵房与B匝道泵房相距较近，将其与B匝道泵房共同设计。经过模型计算，基坑内承压水位降至安全水位时，总涌水量约4560m3/d，坑外水位降至标高-1.5m，降深约6.5m。单井出水量约720m3/d，共布置6口降压井。

⑤A、B匝道除泵房外，仅与主线相接处承压水位降深较大，降压井主要围绕泵房布置，因围护进入含水层厚度小，属于敞开式降水。主线隧道泵房处安全水位标高-1.45m、B匝道泵房处安全水位标高约-0.2m、A匝道泵房处安全水位标高约-0.71m。B匝道与主线隧道泵房基坑内承压水位降至安全水位时，总涌水量约8640m3/d，单井出水量约为960m3/d，共布置11口降压井（含2口观测备用井）。A匝道基坑内承压水位降至安全水位时，总涌水量约5760m3/d，单井出水量约为960m3/d，共布置7口降压井（含1口观测兼备用井）。

⑥梅子洲盾构始发采用冻结法+加固，考虑到下部存在承压含水层，为防止盾构始发过程中发生承压水突涌，本次需将承压水位降至安全水位以下（标高-3.0m），水位降深约8m。经过模型分析计算，水位降至安全水位时，总涌水量约14000m3/d，单井出水量约1200m3/d，共布置14口降压井（含3口观测备用井），大堤处水位降深约1.0m。

4 结论

①地连墙成槽阶段，地下水位仅降低至导墙顶以下1.5m，且抽取的为承压水，水位降深小，处于年变动幅度内，基本不引起地面沉降。

②基坑开挖阶段，围护结构隔断了上部潜水含水层，疏干降水对坑外水位几乎无影响，因此，疏干降水基本不引起地面沉降；但需防止由于围护漏水造成坑外泥沙流失，引起施工便道的不均匀下沉。

③承压含水层埋深大，与上部潜水含水层之间存在明显的隔水层，减压降水过程中，对潜水位无影响，不会引起上部地层沉降；同时，承压含水层降低的仅仅为承压水头，水位仍位于含水层顶板以上，理论上不产生压缩固结，且承压含水层Es≈14MPa，属低压缩性土。

④场地周边环境相对简单，主要为公园、农田及荒地，对沉降控制要求不高。且减压降水过程中，降落漏斗平缓，即使发生沉降，主要为均匀沉降，不具备破坏性。

⑤从最不利角度考虑，坑外水位降深最大的阶段发生在盾构始发阶段，坑外最大承压水位降深约8.0m，预测最大地面沉降量约90mm；100m外水位下降约5m，预测地面沉降量约39mm；200m外水位下降3m，预测沉降量约14mm，不均匀沉降量小。而大堤处水位降深仅为1.0m，预估最大沉降量约1.5mm，同时大堤为柔性构筑物，因此，降水对大堤的影响可忽略不计。

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