西安地铁车站黄土地层深基坑施工降水技术

范新明

(西安市地下铁道有限责任公司,710018,西安∥工程师)

地铁隧道和深基坑施工常遇到地下水的问题。地铁事故调查分析显示,因设计和施工的原因而导致的事故所占比例分别为46%和41%,而这些事故中70%以上是因为水害引发的。因为地下水的存在,导致土体的物理力学参数发生很大改变,增大了设计的不确定性因素;如果施工中不能很好地解决水的问题,极易产生流砂、管涌、坑底隆起、边坡失稳、坑壁坍塌等事故。西安地铁2号线是我国首次在黄土地区修建的地铁。黄土本身的物理力学性质非常特殊:黄土中的柱状节理发育,粉粒吸水性较差,故而黄土在竖向具有较好的渗透性,地表水迅速下渗;但水平方向渗透性很差,水平向渗透系数较小;且具有湿陷性、水敏性、结构性等特性。因此,认真研究和探讨黄土地层降水设计及施工,总结黄土地层降水过程中的经验教训,都具有重要的意义。

1 工程概述

西安地铁张家堡站位于张家堡环形广场内,为2号线与4号线换乘车站,总长225.7 m;基坑标准段宽24.9 m,深14.7～15.6 m;换乘节点段宽41.6 m,深21.7 m,局部深23.3 m。车站主体采用明挖顺作法施工,主体结构为地下两层三跨(换乘节点段为三层五跨)现浇钢筋混凝土箱形框架结构,结构外设置外包防水层。

1.1 工程地质

张家堡站工程所在地为渭河的一、二级阶地。拟建场地地基土的组成自上而下为:人工填土,第四纪全新世冲、洪积黄土状土,晚更新世风积黄土、残积古土壤,中更新世风积黄土、残积古土壤,晚更新世及中更新世冲积粉质黏土及砂类土等。

1.2 水文地质

张家堡车站处地层属潜水富水区,含水层为冲积及洪积中、粗砂,层厚约30～40 m,地下水位埋深约14.26～15.37 m。地下水主要以大气降水和地表水入渗补给。中砂层的渗透系数为20 m/d,为强透水含水层。

2 降水方案的确定

地铁明挖车站降水方案在总体上可分为集水明排、坑外降水和坑内降水三种。明排水设备简单、施工方便,是比较经济的办法,适用于填土、黏性土和砂土。对于渗透系数比较低的土层,采用止水帷幕以后,基坑内的水比较容易用明排方式疏干。但在基坑开挖深度较大时,采用集水明排法降水可能引起流砂、管涌、坑底隆起和边坡失稳等现象。

坑内降水是将降水点布置在基坑范围以内,降水效率最高;但坑内降水使坑外水流向坑内形成动力水,不利于边坡的稳定。对于设置了围护结构和止水帷幕的基坑,坑内降水不会影响坑外水位的变化,有利于环境保护,适用于有相邻建筑物和市政管线对沉降要求较高的情况。

坑外降水是在基坑外侧(距离坑壁开挖面3～5 m)设置一道或几道降水井,利用降水漏斗原理,将水位降低到基坑开挖面以下1～2 m。这是比较经济的一种方法,对施工的干扰也比较小。对于环境保护要求不高的基坑工程或降水引起沉降不大的地区可以采用坑外降水方案。

张家堡站基坑深度较深,且砂层渗透系数较大,基坑周边距离建筑物较远。根据本工程的特点、降水深度要求和设备条件,通过经济比较,并结合黄土地区降水经验,决定采用基坑外深管井降水。

3 深管井降水方案设计

3.1 基坑涌水量估算参数选择

3.1.1 公式选择

就潜水而言,计算公式分完整井和非完整井两种。前者适用于井底进入隔水层的情况,后者适用于井底距离隔水层还有一定距离的情形。详细勘察报告显示,隔水层深度在地下30～50 m,目前采用的井深均没有到达隔水层。根据《建筑施工计算手册》深井计算选型规定,采用无压力非完整井计算公式。

3.1.2 含水层渗透系数选取

渗透系数一般可通过室内试验和现场抽水试验两种方法获得。室内试验由于土样在采集和运输过程中结构发生了很大改变,水流通道被堵塞,因此测得的渗透系数非常小,与实际值相差较远。现场抽水试验比较切合真实渗流情况,可信度较高。在没有条件做现场抽水试验时,可参考岩土工程勘察规范取经验值。根据详细勘察报告,砂层含水层渗透系数取30 m/d。

3.1.3 含水层有效厚度选取

含水层计算厚度是指计划进行降水的含水层厚度,即降水井插入含水层的深度,等于降水井深度减去地下水水头深度,而不是整个含水层的深度。结合西安地区降水工程经验,含水层有效厚度在13～32 m范围取值比较合适。本工程取17.5 m。

3.2 基坑涌水量计算

3.2.1 北段基坑涌水量Q北计算

式中:

k——中砂层渗透系数,取30 m/d;

S——管井水位下降深度,m;

H0——含水层有效深度,H0=η(S1+L)(式中η查《建筑施工计算手册》表4-14,L为管井滤管长度(本工程取4 m),S1为管井长度减去滤管长度减去地下水位深度);

r0——基坑的假想半径,(A=L×B,根据《建筑施工计算手册》,L/B=2.8＜5,可将矩形基坑按上式计算)。

由式(1)可得Q北=6 148 m3/d。

3.2.2 中间段基坑涌水量Q中计算

中间段的计算参数如下:k=30 m/d,H0=37 m,S=10.77 m,R=700 m,r0=28.1 m。类同式

(1),可得Q中=19 933 m3/d。

3.2.3 南段基坑涌水量Q南计算

南段的计算参数如下:k=30 m/d,H0=25.3 m,S=6 m,R=322 m,r0=30.1 m。类同式(1),可得Q南=10 647 m3/d。

3.3 单井最大出水量q计算

式中:

d——过滤管直径,取管井的 d=0.6 m;

L——设过滤器进水部分长度取L=4.0 m。

则由式(2)可得q=1 522 m3/d。

3.4 管井数量计算

3.4.1 北段基坑管井数量

根据计算结果,并结合实际设置6口降水井的情况,考虑基坑周围围护桩对渗透量的影响,北段在基坑外布置5口降水井,在基坑内靠北面布设1口降水井。

3.4.2 中段(换乘节点区)管井数量

需设置15口降水井。由于中段基坑宽41 m,考虑基坑周围围护桩对渗透量的影响,采用基坑内降水和基坑外相接合,在中间段坑内加3口降水井,基坑外采用12口井。

3.4.3 南段基坑管井数量

根据计算结果,并结合实际设置8口降水井的情况,考虑基坑周围围护桩对渗透量的影响,北段在基坑外布置7口降水井,在基坑内靠南面布设1口降水井。

3.5 降水井布置

深管井降水井在基坑围护桩线以外1.0 m设置。中间段井深选用30 m,布设13口井;南段井深选用23 m,布设7口井;北段井深选用 22 m,布设6口井。具体布置见图1。

图1 降水井布置图

3.6 降水井构造

降水井直径选用 Φ800,井管外径采用 Φ600的无砂混凝土管。

3.7 降水井泵的选择

选用8JD80*10深井水泵,扬程大于30.0 m。每井一台,并带吸水胶管,并配有一个控制井内水位的自动开关和两台备用泵。

4 降水效果分析及改进

基坑于2007年1月15日开始施工。从基坑施工情况并根据水位监测来看,南北两端降水效果达到设计要求,换乘节点降水未达到降水要求。

4.1 原因分析

①换乘节点段地质复杂,富水砂层厚度大(为10～23 m),地下水量大且补给快。原降水设计无法达到设计要求,不能满足基坑开挖及结构工程施工的需要。

②换乘节点段中布置3口降水井是采用无砂管井管;而基坑开挖采用机械开挖,极易破坏强度低的无砂管,造成无砂管变形、错位甚至破裂,影响降水质量。

③人工抽水无法满足连续性降水的要求。

4.2 方案优化

①换乘节点采取基坑内外结合降水。通过计算在基坑内增加13口降水井,利用原来基坑外设置的降水井并补充降水井进行基坑内外同时降水。

②对降水井井位及井深的布置。井管的选择重新设计,为了防止施工破坏降水井,基坑内井管采用钢井管。

③降水井管理采用自动控制抽水装置。

4.3 换乘节点区优化方案后降水井布置

采用内外结合的降水方案,经计算共设计降水井24口;对基坑周边已有的降水井(目前井深在25 m以上)进行重新洗井,实现对已有降水井的充分利用;同时在换乘节点基坑内布设降水井13口,在基坑外沿东西两侧共布设降水井11口(包含重新洗井并满足使用要求的旧井)。新打井深选择为35 m。布置见图2。

4.4 换乘节点区优化方案后降水井管构造及降水设施

基坑外成井直径为600 mm,井管采用规格为500 mm×55 mm×3 000 mm的钢筋混凝土井管;基坑内成井直径为600 mm,井管采用Φ377螺旋钢管(滤水管为打眼缠丝)。管外回填豆石至地面以下1.5 m,上部孔口部分用黏土填实。回填时利用井 管上设的对中线确保井壁四周填层厚度均匀。

图2 换乘节点区降水井布置图

滤水管的孔隙率为28%,开孔直径为10 mm,孔间距约50 mm,呈梅花型布置。在滤水管井外先包60目的不锈钢滤水管网,网外用12#铅丝缠绕,铅丝间距为0.1～0.2 mm,再用2～3道锡焊将铅丝焊牢。井外最后回填3～7 mm的砾料。在回填砾料的过程中,进行返水填砾,以提高砾料的密实度。井管构造见图3、图4。

图3 基坑外降水井结构示意图

4.5 优化后降水效果验证

换乘节点区按照优化方案进行施工,经过20天左右的降水,经监测水位由原来的地下 15 m降至地下22.5 m,达到了施工需要,满足了安全要求。

图4 基坑内降水井结构示意图

5 结语

同其他地区降水工程相比,黄土地层降水工程有着很大的特殊性,尤其是黄土加砂地层,降水难度很大。特别是要把水位降至地下20 m以下,在西安鲜有成功先例,因此必须给予足够的重视。

(1)在选择降水方案时,必须要在充分掌握工程地质特征和水文地质条件的前提下,结合基坑形状和几何尺寸,参照本地区类似工程经验,经过经济技术比较后选择合理降水方案。

(2)降水工程的专业性很强,地域性非常明显,类似工程经验非常重要。如前所述,黄土本身的物理力学性质非常特殊,因此建议选择本地区经验丰富的设计单位进行方案设计,选择专业的降水队伍进行降水施工,规避降水工程本身以及降水不到位给地铁施工带来的风险。

(3)加强降水效果监测,及时分析、优化方案,并采取及时有效的改进措施,对早日实现降水效果,保证地铁施工安全顺利推进尤为重要。

(4)本工程在同一个地铁车站深基坑针对不同的区段采用了不同的降水井布置形式,在南段和北段采用了基坑外深井管降水,在换乘阶段区(宽度远远大于20 m)采用了内外结合的深井管降水,取得了较好的降水效果。

(5)在黄土地区,基坑深度不大、基坑宽度小于20 m时,采用基坑外深井管降水即可满足降水要求;当基坑深度不大,但基坑宽度大于20 m时,应采用内外结合的深井管降水。

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