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基于不同地质单元地铁基坑地下水控制方法分析

时间:2024/6/5 8:29:15   作者:未知   来源:交通科技与管理   阅读:6   评论:0
内容摘要:谢 俊(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)摘要 基坑工程中,地下水控制是重中之重,其中,地貌单元决定了宏观水文地质特征的地域性,地层时代决定了含水层透水性和地层固结程度,地层组合决定了地下水类型、分布及相互关系。文章针对地铁基坑工程中常...
谢 俊
(中铁第四勘察设计院集团有限公司,湖北 武汉 430063)
摘要 基坑工程中,地下水控制是重中之重,其中,地貌单元决定了宏观水文地质特征的地域性,地层时代决定了含水层透水性和地层固结程度,地层组合决定了地下水类型、分布及相互关系。文章针对地铁基坑工程中常见的地貌地质单元,结合所遇工程问题,总结提出了地铁基坑工程中不同类型地下水的控制措施,通过案例分析进一步说明了地铁基坑采取地下水控制时,应先从地貌地质单元入手,在区分地层(含水层与隔水层)时代和地层组合及其水文地质特点的基础上,按照地下水类型分别或统一采取地下水控制措施。该研究为地铁基坑工程高效设计与安全施工提供了技术参考。
关键词 地铁;基坑;地下水;地质地貌;降水
中图分类号 U213.1  文献标识码 A  文章编号 2096-8949(2024)05-0035-04

0 引言
随着国内地铁工程的快速建设,地铁基坑的深度及规模不断扩大,呈现出“深、大、紧、近”的特点[1-3]。当前基坑工程事故多与地下水处理措施存在不足有关,地下水已成为影响基坑稳定的重要因素,地下水的控制措施也成为基坑设计的关键工作。地下水对基坑工程的危害,除了水压力对支护结构的作用、引起土的物理力学性能指标降低外[4-5],更重要的是基坑涌水、渗流破坏(流砂、管涌、坑底突涌)[6]引起的地面沉陷和抽(排)水引起地层固结沉降[7]等。基坑支护结构设计应高度重视地下水的控制方法,根据场地工程地质、水文地质的具体特点,进行针对性基坑止水、坑内降水方案设计,避免因地下水处理不当引起基坑失稳破坏[8-9]。地下水控制的成败决定了基坑支护及其土方开挖的成败。
1 不同地貌地质单元地下水控制方法
岩土工程地下水控制存在较多的不确定性,降水方案需根据地质条件、已建类似工程经验进行针对设计。地铁基坑工程地下水控制方法也需要结合已有工程的建设经验,方可设计出可靠的地下水控制方案。为此,文章总结全国不同流域部分典型城市地质、地貌单元的水文地质条件和常见地下水控制的推荐方案,详见表1[10-16]。
2 长江流域工程案例分析
2.1 长江上游冲积平原
2.1.1 工程地质条件
以成都6号线建设北路站基坑工程为例,车站长度364.5 m,标准段宽度20.7 m,覆土厚度约3.4 m,底板埋深16.98~17.66 m。基坑支护结构采用钻孔灌注桩+内支撑方案,支护结构横断面详见图1。
场地地貌单元为岷江水系冲积平原I,场地土层从上到下依次为填土、粉质黏土、黏质粉土、细砂、中砂及卵石,地层分布详见表2。
2.1.2 水文地质条件
上层滞水储存于黏性土层之上的填土层中,水量变化大且不稳定,呈透镜体状分布状态;孔隙潜水在第四系冲洪积细砂、中砂及卵石层地层中连续分布,该层地质结构松散,含水量丰富。该地区雨量充沛,大气降水为地下水的主要补给方式,最高地下水位埋深约2 m。
2.1.3 地下水控制方案
车站开挖揭露范围内砂土、卵石土地层之间无隔水层,地层相互之间存在水力联系,可将这3层土作为一个共同含水层对待,地下水以孔隙潜水形式赋存该地层中,基坑开挖期间涌水量主要位于砂卵石地层中。根据车站详勘报告,计算基坑涌水量地下水埋深取8.3 m,采用潜水完整井公式计算基坑涌水量。根据计算,车站主体基坑设置57口坑外降水井,井深28~34 m,井径800 mm,管径300 mm,降水井沿车站纵向间距12~17 m,沿基坑分两排布置,降水井距离基坑边缘5 m,深井与浅井间隔布置。
2.1.4 地下水控制效果
基坑开挖期间地下水位采用动态控制方法,确保地下水位始终低于开挖面以下1 m。当基坑开挖深度为0~8.3 m,基坑地下水控制处于第一阶段,主要采取坑内集水明排。当开挖深度超过8.3 m时,地下水控制处于第二阶段,动态开启降水井并根据观测数据调整。降水期间实测基坑周边地面的最大沉降量为18 mm,未引起周边管线和建构筑物变形超限。
2.2 长江中游冲积平原
2.2.1 工程地质条件
以武汉地铁金色雅园站基坑工程为例,所建车站为地下二层岛式站台车站,车站长581 m,标准段宽20.7 m,顶板覆土约3 m,底板埋深约16.43 m,基坑支护采用地下连续墙+内支撑设计方案,支护结构横断面详见图2。
场地貌属于长江冲积一级阶地,开挖范围内地层由第四纪全新统人工堆积层(Q4ml)组成,主要为黏土、粉质黏土,基坑底主要位于粉质黏土层,开挖面之下粉质黏土夹砂、卵石地层透水强,且具有一定承压性,场地范围地层分布信息详见表3。

表3 金色雅园站地层分布信息表
土层序号 土名 渗透系数/(cm/s)
1 1-1杂填土 5.0×10−3
2 1-2素填土 8.0×10−5
3 1-3淤泥 5.0×10−4
4 3-1黏土 1.1×10−7
5 3-3粉质黏土 3.0×10−7
6 4-1粉细砂 5.0×10−3
7 7-1黏土 2.0×10−7
8 7-2黏土 2.0×10−7
9 7-3粉质黏土 3.9×10−6
10 9粉质黏土夹砂、卵石 1.0×10−3
11 13-1含碎石粉质黏土 6.0×10−5


2.2.2 水文地质条件
站址范围内地下水类型主要为上层滞水、孔隙承压水,上层滞水分布于杂填土、素填土地层,主要补给来源为大气降水及生产、生活用水,分布不均。孔隙承压水主要赋存于粉质黏土、粉土、粉砂、粉细砂地层,由于该地层为I级阶地第四系全新统冲积而成,与周边河流存在较强的水力联系。地下水位埋深为1.2~4.3 m。
2.2.3 地下水控制方案
根据工程地下水文地质特点,降水深度需保证坑底以下孔隙承压水压力小于上覆土重,故选用承压降水井疏干降水。基坑围护结构地连墙进入13-1含碎石粉质黏土地层中,形成落底式止水帷幕。基坑内共设置61口降水井,降水井纵向间距20 m,承压降水井主要针对黏土层,使基坑施工期坑内承压水头保持在基底以下1 m。
2.2.4 地下水控制效果
基坑开挖盾构工作井时,由于降水措施未满足设计要求,提前进行基坑开挖,造成基坑发生突涌事故,采取注浆封底措施解决突涌;按原设计方案重新施工降水井,后续基坑地下水控制及开挖过程较为顺利。
2.3 长江下游三角洲滨海平原
2.3.1 案例工程地质条件
以上海地铁政立路站基坑工程为例,所建车站为地下两层三跨岛式站台车站,基坑标准段宽度22.6 m,底板埋深约19 m,基坑支护结构采用0.8 m厚度连续墙,内部设5道内支撑,支护结构横断面详见图3。
建设场地属于滨海平原地貌类型,位于长江三角洲入海口的东南部。详勘报告揭露场地70 m深度范围内为第四纪松散沉积物,该地层特点为成层性分布,主要由黏性土、粉性土以及砂土组成,场地范围内土层分布信息详见表4。
2.3.2 水文地质条件
场地范围内表层地下水为潜水,以大气降水及地表径流为主要补给来源,蒸发消耗为主要排泄方式;潜水位埋深随季节波动,水位埋深0.3~1.5 m。下部承压含水层主要为7-11砂质粉土、7-12砂质粉土、9砂土地层,地下承压水水位标高随季节变化,承压水头埋深变幅为3~12 m。
2.3.3 地下水控制方案
(1)基坑支护结构采用地下连续墙设计,隔断基坑内部潜水与外部潜水的水力联系,基坑开挖过程中采用真空疏干降水方式,完成基坑表层潜水降水工作。
(2)对于砂质粉土层的承压水,采用地下连续穿越该地层,隔断该层地下水的补给来源,通过设置承压降水井,消除其承压性;基坑地下连续墙嵌固深度根据基坑受力及稳定性确定,当所需地连墙长度未能进入8-1粉质黏土时,可在下部设置一段素混凝土墙,仅作为隔断承压水使用。
(3)由于基坑外部管线、建筑物密集,基坑内部降水可能引起外部地表沉降,为此在基坑外侧设置回灌井,根据监测数据指导回灌作业。
2.3.4 地下水控制效果
基坑开挖前进行为期30 d的预抽水,对浅部地层进行疏干工作,随着基坑的开挖,开启降压井进行抽水,逐步增加降压井的开启个数,降压井开启时间8个月,最终坑外地表沉降约40 mm。
3 结语
基坑工程施工中地下水控制思路主要分为三类:降水、隔水(堵水)和回灌,三种处理方法往往不是单一的,多为综合措施。基坑影响范围内地下水位的降低靠排水(集水明排)或抽水(井点降水),对富水地区的地铁基坑工程,设置降水井抽水为主要措施;止水帷幕的作用是改变抽排水过程中“水漏斗”形状,减小基坑降水对周边环境的影响;基坑外部地下水位下降,将引起地层沉降,影响周边建筑安全,此时需在坑外设置回灌井,避免坑内降水引起坑外地下水位下降。
地铁基坑采取地下水控制时,首先应从地貌地质单元入手,在区分地层(含水层与隔水层)时代和地层组合及其水文地质特点的基础上,按照地下水类型分别或统一采取地下水控制措施。
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