临近江河盾构端头井降水体系计算与实测.doc

1、临近江河盾构端头井降水体系计算与实测摘要对于深基坑工程，降水设计是关键的设计环节，主要表现为地层失水引起的地面沉降。本文以南京长江隧道梅子洲端头井实际工程为例，采用数值计算、理论分析、现场实测等方法，研究了深基坑降水的效果和引起周边环境变化的分析，取得了一定的成果，可以为今后类似工程提供有益的借鉴。 关键词降水 环境保护 数值分析现场实测 中图分类号：K928.42 文献标识码：A 文章编号： 1 引言 对于深基坑工程，降水设计是关键的设计环节，其可以改善施工场地条件，但同时也会影响坑外环境，所以基坑降水除考虑基坑形式、涌水量等，还必须考虑对周边环境的影响，主要表现为地层失水引起的地面沉降。关

2、于沉降的计算，张永波等1认为在井点降水无大量细颗粒随地下水被带走的情况下，周围地面所产生的沉降量可用分层总和法进行计算。谢康和等2在假设土体只在重力方向发生一维渗流的条件下，推导了基坑降水引起的有效应力和沉降计算公式。罗晓辉3通过对基坑工程降水进行分析，建立了有限元方程，并根据渗流体积力的定义给出了相应的算式。 关于超深基坑降水控制系统的研究，主要包括封水、止水、降水和排水减压等工程措施研究。在减少降水影响的新技术新工艺研究方面，马荣华4在苏州伊沙中心大厦深基坑采取二级轻型井点回灌技术，朱必毅5通过挖回灌沟、坑，于力等6采用中间布井，都起到了降低施工降水对周围环境影响的作用。 然而，临近江河深

3、基坑具有地下水位高，且地下水与长江水流相通，补给丰富等特点，在该地层条件下，近年来出现了超深降水帷幕，其中润扬大桥北锚碇防渗帷幕深 48m，阳逻大桥南锚碇防渗帷幕深 51m，在超深基坑降水控制系统中超深防渗帷幕极具挑战性，引起工程界和学术界的关注。 2 工程背景 2.1 工程概述 本工程包括隧道盾构接收井、接收井后续段、暗埋标准段和引道段，如图 1。接收井长 22m宽 45.7m深 26.3m，距长江大堤约为 170m，采用 1000mm 地下连续墙，地连墙深 42.3m，5 道钢筋砼支撑，第 6 道为钢围檩+钢支撑；接收井后续段长 108m，开挖深度约 26m18.5m，采用 800厚地下连

4、续墙围护结构；明挖暗埋标准段长 120m，开挖深度约18.5m8.2m，采用 800 钻孔桩围护结构及 800 高压旋喷桩止水帷幕进行围护及止水；引道段长 150m，开挖深度约 8.2m0m，采用明挖、放坡开挖，800 钻孔桩围护结构及 800 高压旋喷桩止水帷幕进行围护及止水。 图 1 明挖段平面示意图 受长江水位上涨的影响，地下水水位埋深高于地面，据长江水文资料地下水水位埋深-0.5m。 表 1 场区地质结构表 2.2 降水井布设方案 降水井布设方案包括基坑涌水量计算及降水井布置计算，场地自上而下以粉细砂地层为主，厚度 48m 左右，地下水水位埋深-0.5m 左右，潜水含水层厚度 H 取

5、48.5m，据抽水试验资料，含水层渗透系数 K 取18m/d，影响半径 450m。 考虑长江切割含水层，无限边界稳定流非完整井计算主体基坑涌水量： (1) 考虑附近水沟与竖井距离 200m 左右，也切割到了含水层，定水头补给边界公式计算总涌水量： (2) 静储量，按 30d 降至设计标高则每天要抽取静储量 37287.5。 中心沟基坑涌水量： (3) 主体基坑降水井单井出水能力： (3) 随着含水层中静储量水的逐渐排除，单井出水量会逐渐减少，按后期配置 1000m3/d 考虑，则降水井数量（单位/口）： (4) 中心沟基坑降水井单井出水能力： (5) 中心沟基坑降水井数量（单位/口）： (6)

6、 所以，在基坑内布置 17 口，这样降水总数量共 68 口。降水井间距竖井附近为 6m，远离竖井为 12m 和 20m，降水井深度为 40m，如图 2。 图 2 降水井布设平面 2.3 水位降深计算 采用潜水含水层完整井稳定流公式预测水位降深，检验水位降深能否满足设计水位降深要求： (7) 在涌水量达 53000m3/d 时，基坑开挖范围内的各点地下水水位都能满足设计要求。该基坑总体从南侧向北侧开挖，基坑开挖前 15d 深井井点开始降水，使基坑内潜水下渗到粉细砂层中，通过深井井点排出。 2.4 降水井设计 主体基坑外降水井的井管采用多孔无砂混凝土管，井管内径 400mm，外径 500mm，泥孔

7、径 800mm，井深 40m。工作竖井内部及井后续段基坑内部的井管采用钢管花管，井管内径 300mm，外径 360mm，泥孔径 700mm，井深 40m。 3 降水对周边环境的影响估算 3.1 降水引起的地面沉降计算 降水期间，降水面以下的土层通常不产生明显的固结沉降，而降水面至原始地面的土层因排水条件好，会在所增加的自重应力下很快产生沉降。因此，可以用公式(8)，(9)估算降水引起的沉降： 对于粘性土类： (8) 对于砂土类：(9) 式中：S-降水所引起的沉降值；-计算土层的压缩系数；-降水产生的自重附加应力；-降水深度；-降水深度范围内土层的压缩模量。地面沉降-地下水降深关系曲线如图 3。

8、 图 3 降深与地表沉降的位置关系 地面沉降量与地下水水位降深之间的趋势线呈直线关系，平均每米地下水水位降深引起的地面沉降量为 3.547mm。计算本工程降水最大深度在工作井，民房离开工作井的距离在 50m 以上，根据计算分析，50m 以外的水位降深在小于 20m，其对应的地面沉降量从上表看小于 70mm。 3.2 地下水水位降深分析 在垂直竖井的轴线，竖井的中间向南引出一条直线，距离竖井的边界点 5m，10m，200m 等，分别预测计算其水位降深，列入上表，并据表中数据作出地下水水位降深与离开竖井的距离关系图 S=f(d)，如图 4。 图 4 位降深与距离竖井距离位置关系曲线 距离竖井越远地

9、下水水位降深越小，在围绕竖井周围地下水水位降落呈漏斗状。其中，距离竖井 35m 以内，漏斗坡度较陡，35m 之外降位漏斗坡度变缓，35m 为拐点。如 50m 到 60m 之间 10m 距离，水位下降1.267m，这种水位差将引起的差异沉降为 4.494mm。距离竖井越远漏斗坡度越缓，其差异沉降也越小，这种沉降量将不会对民房造成破坏性的影响。 4 基坑降水引起的沉降数值计算研究 根据前文工程概况，结合有限元数值计算程序对基坑降水引起周围的地面沉降进行计算预测，本次计算采用国际通用的三维渗流场与应力场耦合有限元程序 FLOW-SUBSIDENCE。 4.1 地质模型概化及网格剖分 在水平向将模型区

10、域由研究区域向外扩展以使基坑降水对边界水位没有影响，水平侧向边界取为第一类边界条件或定水头边界。在垂向将模型区域取至承压隔水层底板，为隔水边界或弱透水边界，排泄项主要为布置在基坑内的抽水井。垂向将研究区域分为 4 层，整个地层标高由 3m 至-60m。水平向以整个基坑的四周最大边界为起点，南北向各扩展210m，东西向各扩展 150m。连续墙在模型 3 层底部，抽水井过滤器在模型 2 层底部。在此基础上进行有限元剖分，遵循边缘单元稀、基坑区域单元密的总体原则，三维网格剖分图如图 5。 图 5 计算模型网格剖分图 共剖分 1536 个节点，2005 个单元，图 6 为基坑及其周围局部放大网格图，参

11、数如表 2。 图 6 基坑及其周围局部放大网格图 表 2 地质参数分区表 4.2 抽水后地下水位分布 图 7 为含水层地下水位等值线图，基坑降水采用非完整井坑内降水，坑内外水位落差不均衡，坑内水位下降较快，坑外水位下降较慢。离基坑较近处水位落差较大，远离基坑的区域水位降落不明显，将出现一个以基坑为中心的水位降落漏斗。 图 7 抽水后地下水位等值线图 4.3 抽水引起基坑周围沉降量 图 8 抽水后基坑周围沉降量等值线图 图 9 墙后由于降水引起的地面沉降曲线 5 实测数据分析 本工程在实际施工中采取坑内外结合进行降水的方案。 5.1 坑外地下水位 在每幅地下连续墙的外侧设置地下水位监测孔，在所选

12、的两个监测断面中共布置了四个地下水位监测孔进行监测，采用自动监测仪器进行监测。图 10 是基坑外地下水水位的时程曲线。 图 10 坑外地下水位时程曲线 从开挖情况来讲，降水保证了开挖时基坑内无积水。基坑外侧与外围加固体之间的环形区域内开始抽水后，土压力和孔隙水压力在第二天就有明显的下降。从整个施工过程，由于本工程采用坑内降水和坑外降水同时进行，使得坑外水位随着基坑开挖及降水的进行始终呈下降趋势，这说明坑外降水井的工作较好地起到了降低地下水位的作用。 6 结束语 综上所述，应根据实际地质条件、渗透性、涌水量等参数，对临近江河深基坑降排水体系进行设计，本文结合传统估算方法、数值计算方法对降水影响进行评价，结合实测值，验证了排水体系和方法的有效性。同时，由于施工过程中充分考虑了“内外结合、按需降水、随挖随降、动态反馈”的原则，取得了较好的降水效果。 参考文献 1张永波，孙新忠. 基坑降水工程M. 北京：地震出版社，2000 2谢康和，柳崇敏，应宏伟，杨伟. 成层土中基坑开挖降水引起的地表沉降分析J. 浙江大学学报(工学版)，2003，36(3)，239-242.