地铁车站深基坑落底式地连墙止水效应分析

范卫琴,张红章,熊宗海,谢武军,谢昭宇

(1.武昌理工学院 智能建造学院,湖北 武汉 430074;2.武汉丰达地质工程有限公司,湖北 武汉 430074;3.湖北道泽勘测设计院有限公司,湖北 武汉 430074;4.中国地质大学(武汉) 工程学院,湖北 武汉 430074)

基坑施工对周边环境的影响主要来源于基坑开挖和降水两方面,众多文献对地铁车站深基坑降水引起的周边环境的沉降特点进行了数值模拟[1-4]或缩尺模型试验[5-6],认为落底式地连墙能减小基坑降水对周边环境的影响,但前题是地连墙没有渗漏。工程中尽管可以通过多种施工措施来控制地连墙接缝质量[7],但止水帷幕往往会因墙底基岩裂隙绕流而引起侧向渗漏。为检验地连墙的止水效果,可以在深基坑中开展群井试验[8-9]或连通试验[10-12]来检验并大致确定渗漏点位置。此外,还可以采用抽灌一体化设计实现在保证顺利降水的同时有效控制基坑周边建筑的沉降速率[13-14]。

在落底式地连墙施工完成后,做多组抽水连通试验以检验止水效果,同时通过大降深群井试验,校检降深结果能否满足主体结构的施工及土方开挖要求。本文以武汉某地铁车站深基坑降水工程为背景,开展了现场连通试验和群井大降深试验。通过现场抽水连通试验,观测坑内外的抽水井和观测井的水位降深变化规律,检验止水帷幕的隔水效果,并计算出等效渗透系数和降水井影响半径,进一步评估基坑降水引发地下水位降深及对地面沉降方面的影响,且为最终确定降水方案的优化提供合理的设计依据;通过群井大降深试验得到的坑内外水位的变化规律,判别落底式地下连续墙的封闭性,同时检验排水管的抽排能力及降水井的降深效果能否满足设计要求。

1 工程概况

1.1 基坑规模及支护结构

某项目为武汉轨道交通地下三层岛式站台车站基坑,基坑大致呈矩形,南北向长约176.8 m,东西向宽为25.90～31.40 m,开挖面积约4 748.8 m2。工程场地整平标高约21.85 m,站台底板埋深不同:垫层底绝对标高标准段底板底为-4.555 m、两侧盾构井段底板底为-6.215 m、废水池段基底为-6.615 m,开挖深度最深达28.465 m。

基坑围护结构采用落底式地下连续墙+2道混凝土支撑+3道钢管支撑+1道钢管倒撑,地下连续墙墙厚1 200 mm,墙底嵌入中风化砂砾岩,墙底深度约为地面下45 m。基坑支护典型剖面如图1所示。

图1 基坑支护结构典型剖面

1.2 工程地质条件

项目位于城市主干道上,其周边存在较多地下管线,东侧为处于已运营的武汉轨道交通4号线园林路站。场区地处长江北岸(左岸)Ⅰ级阶地,属冲积平原区。场地表层分布人工填土(Qml),其下为第四系全新统冲积层(Q4al)、冲洪积层(Q4al+pl);下伏基岩主要为二叠系下统栖霞组(P1q)灰岩、硅质白云岩以及志留系中统坟头组(S2f)泥岩。依据地基土岩性结构物理力学性质及差异性,整个场地自上而下可分为5个工程地质层。场地主要赋存有上层滞水和承压水。上部上层滞水水位埋藏浅,下部承压水水头高。承压水主要赋存于场区(3～5)粉质黏土、粉土、粉砂互层及(4)层砂土中,(3～5)层为弱承压、弱透水含水层,(4)层为强透水层,主要接受侧向地下水的补给及侧向排泄。

本场地距离长江最近约3 km,孔隙承压水与长江水力联系密切,呈互补关系,地下水位季节性变化规律明显,水量较为丰富。勘察期间承压水位埋深约5～6 m,即水位高程为16.80～17.80 m。

1.3 降水井布置

基坑降水设计主要考虑2个因素:一是(3～5)层基坑开挖时在地下水动力作用下会产生流砂;二是基坑底位于(4)层砂层中,基坑开挖过程中会产生基坑突涌。按照施工经验,坑内降水井启动后,满负荷运行时应能使基坑内承压水水位降低至基底以下不少于1.0 m[2-3,7]。

综合考虑,项目采用“隔降结合”的方式对承压水进行处理,即对承压水采用周边落底隔水帷幕+坑内中深井降水与坑外备用中深井降水相结合的处理方式。降水井深与场区地质剖面示意如图2所示。基坑内共设置16口深井降水井,基坑外设置20口观测井兼安全储备井,坑外降水井水平距离基坑标准段约23 m,基坑两端为17～22 m。井深为36 m和38 m,降水井平面布置如图3所示。降水井孔径500 mm,井径250 mm,壁厚5 mm。

图2 地下水降水设计示意

图3 基坑降水井及试验分组平面布置

2 连通试验

2.1 试验分组

地下连续墙施工完成后进行抽水连通试验,3口试验井(1口抽水井,2口观测井)为一组,整个试验共计6组。抽水井位于坑内,观测井在坑内、外各1口,分别布设于落底式止水帷幕内外两侧,井位分布如图3所示。相应试验井参数见表1,表1中井距为观测井至抽水井之间的距离。试验分为2个阶段:第一阶段为洗井阶段,持续5天;第二阶段为连通抽水试验阶段,先抽水再进行群井恢复试验。

表1 试验分组井编号及位置参数表

2.2 试验要求

深井泵:采用200QJ80-39、200QJ50-39两种型号,流量不小于50 m3/h,转速2 900转/min,叶轮直径114 mm,级数10级,水泵始终低于动水位不少于5 m。

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抽水稳定标准:水位和涌水量同时趋于稳定,抽水井水位波动值不超过水位降低值的1%;当降深值小于10 m时,水位波动值小于3～5 cm。观测井水位波动值小于2～3 cm,出水量波动值最大值与最小值之差小于平均出水量的5%。

静止水位的观测:试验前对自然水位进行观测,每0.5 h观测一次,2 h水位变幅不超过2 cm,且无连续上升或下降趋势时即可确定为静止水位。

动态水位及涌水量的观测:动水位或涌水量同时观测,主孔和观测孔同时观测,开泵后每5～10 min观测一次,至动水位稳定后调整为15～30 min观测一次。

恢复水位观测:试验结束后,按照规范要求的间隔时间对恢复水位进行观测,直至水位完全恢复至静止水位为止。

2.3 试验结果

2.3.1 降深及流量随时间变化曲线

第1组连通试验于8月27日下午15∶05开始,22∶05停泵。各抽水井流量与时间关系曲线(Q-t)、各试验井降深与时间关系曲线(S-t)分别如图4、图5所示。

图4 W12抽水井单落程Q-t过程曲线

图5 W12、W31、H17抽水井单落程S-t曲线

图4表明出水量在水泵开启1 h后逐渐稳定,从图5中可以看出:在试验过程中,抽水井与观测井的水位变化趋势基本一致。试验初期在短时间内水位快速下降,然后随着时间的延续,水位下降速度逐渐降低,直至趋于稳定,整个变化曲线类似“勺”形。观测期间,抽水井W12在150 min时动水位基本达到最大降深20.10 m左右,随后水位逐渐趋于稳定,变化幅度在1～2 cm/h。坑内观测井W13在抽水的前150 min内降深速率较快,在200 min降深缓慢变化,最大降深16.60 m,在其后阶段降深变化幅度明显减少。坑外观测井H17在观测时间内水位下降缓慢,最大降深达3 cm。

其余5组连通试验所得Q-t及S-t曲线特征与第1组试验类似,此处省略相应曲线图,直接汇总以上6组试验的最大降深,如表2所示。

表2 连通试验实测降深及涌水量汇总

由表2可知:① 基坑端头的连通试验中,抽水井及坑内观测井的降深均较大,中间标准段的降水井降深均较小。基坑西侧端头抽水井的降深在7.34～8.1 m之间,坑内观测井的降深在3.57～4.46 m;东侧端头抽水井的降深为7.92 m,坑内观测井的降深在4.03 m;中间标准段抽水井的降深在4.57～4.9 m之间,坑内观测井的降深在1.14～1.31 m之间。② 6组试验坑外降水井的最大降深均很小,在0.01～0.06 m之间,最大仅为0.06 m,说明地下连续墙施工效果较好。③ 由于第1组试验结束后进行了群井大降深试验,后续第2组至第6组试验于群井试验结束后再完成,所以其初始水位及降深均低于第1组试验结果。

2.3.2 水文地质参数计算

本例降水井为承压非完整井,利用坑内抽水井及坑内1个观测井相关数据求渗透系数k值,根据经验公式求影响半径R,计算公式如式(1)[15]。

(1)

(2)

式中:k为渗透系数;Q为井的出水量;r1为观测井至抽水井之距离;rw为抽水井半径;m为含水层厚度,根据水文地质条件,本例取值34.5 m;Sw为抽水井内水位降深;S1为观测孔内水位降深;ξ1、ξ0分别为观测井和抽水井稳定流非完整井补充阻力系数,查表[15]后分别取值0.143、19.5。

根据表1和表2中已知条件,将值带入公式(1)计算所得渗透系数和影响半径列于表3,由表可以看出,场区等效渗透系数k在12.25 ～15.60 m/d之间,降水井影响半径在172～719 m之间。而该项目勘察报告给出:承压含水层的渗透系数为21.01 m/d,影响半径295 m。

表3 通过连通实测数据计算所得实际水文地质参数

连通试验所得等效渗透系数较勘察期间渗透系数小,说明落底式止水帷幕对坑内外承压水起到了一定的隔水作用,坑外地下水向坑内的流动受到了阻碍,基坑地下连续墙隔水帷幕尺寸效应的影响比较大。所以该等效水文地质参数是以设置落底式帷幕状态为前提的。

3 群井大降深试验

抽水连通试验后进行1组群井大降深试验,群井大降深试验开启坑内W6、W7、W8、W9、W11、W12降水井,坑内预留W3、W13作为坑内观测井,坑外井均为观测井,抽水期间坑内、外水位变化如表4所示。

表4 群井大降深试验水位变化

抽水前坑外承压水静水位为绝对标高15.8 m左右,受落底式止水帷幕影响,群井抽水后抽水井单井涌水量为26～35 m3/h,比成井时涌水量小。降水7 d后,观测井W3水位已降至绝对高程-7.69 m,低于盾构井基底标高-6.615 m,能满足盾构井及标准段土方开挖及结构施工需要。同时坑外观测井的水位变幅在0.05～0.4 m之间,可以认为该观测井内水位变化不大,表明该侧落底式止水帷幕施工质量满足设计要求。

4 结论

1) 各组连通试验均呈现同样的规律:即抽水井水位降深最大,变化速率最快,坑内观测井次之,坑外观测水位几乎没有变化,说明该侧落底式地连墙隔水效果较好。

2) 距离抽水井越近,其水位降深越大,观测井的水位降深呈现出明显降水“漏斗效应”规律。

3) 通过连通试验可测得降深、流量,根据相关公式计算出等效水文地质参数,对比勘察期间所测结果,分析隔水边界形成前后渗流场的变化,可为后期降水优化设计及主体站点基坑开挖施工提供安全保障。

4) 群井大降深试验中,坑内观测井水位降深大,而坑外观测井水位降深很小,证明落底式地连墙的封闭性良好,所有降水井的抽排能力、降深效果均满足施工要求。