蘭州砂卵石地層地鐵超深基坑降水技術

2017-11-09 13:10:48許明中蔡佳良

四川建筑 2017年5期

許明中, 蔡佳良

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

蘭州砂卵石地層地鐵超深基坑降水技術

許明中, 蔡佳良

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，四川成都 610031)

針對蘭州市黃河河漫灘巨厚砂卵石地層含水量豐富、滲透系數大、地下水位高，超深基坑降水幅度大、風險高、施工難度大的特點。文章以蘭州軌道交通1號線奧世區間中間風井降水工程為例，總結分析了砂卵石地層超深基坑的降水設計和施工經驗。并基于Visual Modelflow數值模擬分析，探討了基底注漿加固、豎向隔水結構及近接黃河等因素對基坑降水效果的影響，并提出了基坑全過程施工的降水運營優化方案。

地鐵；深基坑；降水；砂卵石；注漿

1 工程概況

蘭州軌道交通1號線奧體中心～世紀大道區間位于崔家大灘～世紀大道，線路采用雙洞雙線于深安大橋上游下穿黃河，全長2 120.01 m。區間設有一座通風井，距黃河河岸僅100 m。風井長33.4 m、寬20.4 m、深45.1 m，地表高程1 532.29 m(圖1)。風井圍護結構采用1.2 m厚鋼筋混凝土地下連續墻，墻深60.1 m。主體結構為現澆五層箱型框架結構，逆作法施工。

圖1 中間風井平面位置

2 工程地質和水文地質

表1 各層地層特性及描述

區間地下水主要賦存于2-10和3-11卵石層中，屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙潛水，是蘭州市主要水源地。區內砂卵礫石含水層最大厚度可達316.77 m，上部150 m左右為疏松砂礫卵石，下部砂礫卵石較密實，含水層主要位于上部150 m范圍內。

勘察期間深安大橋附近黃河水位高程1 521.8 m，黃河南岸地下水位高程為1 522.43～1 523.40 m，黃河北岸地下水位高程為1 522.12～1 522.79 m。黃河水與地下水雙向補給良好、水流交替循環強烈。

工程水文地質試驗于兩車站進行大、中、小3個落程混合降水，屬潛水非完整井穩定流抽水試驗，試驗成果詳見表2。根據含水層物質組成，結合地區工程經驗，2-10卵石層的滲透系數為57～64 m/d，3-11卵石層滲透系數為50～55 m/d。

3 中間風井降水設計

3.1 降水重難點分析

中間風井能否安全順利施工，很大程度上依賴于降水的成功與否，其工程特點歸納如下：

(1)基坑瀕臨黃河，地層由透水性強的砂、礫、卵石層構成，且透水層厚度大，區域勘察資料記錄厚度可達200～300 m，地下水直接受黃河水補給。

(2)地下水水位高，開挖深度大，基底最大抗突涌水頭高達35.1 m，工程降水風險高，難度大。

(3)為避免連續墻接縫滲漏，風井外設置一0.8 m厚防滲帷幕(46.0 m×34.4 m×51.1 m)，考慮盾構機進井接收，進行端頭注漿加固，加固區位于地表以下32.15～50.15 m，風井防滲體系見圖2。

(4)地下連續墻位于含水層中，未切斷坑內、坑外水力聯系，為防止基底突涌，基底以下10 m進行袖閥管注漿加固。加固區設計滲透系數小于1.0×10-7m/s，但加固效果是否可靠，有待工程實際檢驗。

表2 大型水文地質試驗成果

圖2 中間風井結構設計

3.2 降水設計方案

根據以往深厚透水性地層深基坑降水經驗[1-3]，結合中間風井的降水特點，降水設計方案如下：

(1)采用“帷幕+注漿+排水”的組合降水方案，“帷幕+注漿”措施用于阻隔坑內、坑外的水力聯系，坑內疏干井將坑內水位降至開挖面以下1 m左右，坑外減壓井將坑外水頭降至安全水位以下。

(2)根據抗承壓水突涌穩定性驗算，風井臨界開挖深度為31.2 m。開挖深度小于31.2 m時，以坑內降水為主；開挖深度大于31.2 m時，采用坑內+坑外聯合降水。

(3)若基坑封底有效，止水良好，坑外3-11卵石層水位應降至-34.2 m。若基坑封底無效，須將坑外水位降至-46.1 m。

3.3 管井設計

根據《建筑基坑支護技術規程》(E.0.2)對基坑涌水量進行估算，按均質含水層、穩定流、潛水、非完整井考慮。經估算：風井水位降至基底以下1 m(-46.1 m)，總涌水量為175 970 m3/d；水位降至抗突涌安全水位(-34.2 m)，總涌水量為145 935 m3/d。

管井降水考慮群井效應、地連墻和帷幕的隔水效果，坑內單井涌水量按100 m3/h計，坑外單井涌水量按140 m3/h計。經計算，坑內設置15口降水井(含1口觀測井)，坑外設置52口降水井(含4口備用井)，井點結構信息詳見表3。

4 中間風井降水數值模擬

工程降水地下水采用Visual Modelflow有限差分軟件建立三維模型，進行數值分析[4]。計算模型以風井中心向外擴展600 m，計算平面尺寸1 200 m×1 200 m，深度取150 m。含水層參數參考抽水試驗。

表3 降水井統計

4.1 豎向隔水結構和臨近黃河對降水的影響

基坑中心距黃河僅100 m，不足降水影響半徑1/3，地下水與黃河水補給強烈。采用數值模擬對基坑有、無豎向隔水結構及近接黃河的影響分析，各工況的降水漏斗曲線如圖3所示。

圖3 各工況風井降水漏斗曲線

工況1為純井點降水，降水漏斗曲線平滑，最低水位-36.2 m；工況2設有連續墻，降水漏斗在連續墻處急劇突變，最低水位-47.8 m；工況3增設防滲帷幕和端頭注漿，帷幕與地連墻間的水位比工況2下降9.08 m，最低水位-48.0 m。工況1～工況3防滲帷幕外降水漏斗基本重合，有地下連續墻和防滲帷幕時，坑內水位大幅下降，有效阻隔了坑內、外的力聯系。

工況4～工況7研究黃河對基坑降水的影響：(1)隨著風井與黃河距離增大，坑外降水漏斗逐漸下降，工況4與工況6最大差幅達6.51 m；(2)各工況近黃河側較遠黃河側水頭高，工況4防滲帷幕處水位差幅達2.62 m；(3)由抗突涌計算可知，各工況抗管涌安全系數依次為4.30、6.15、8.58、10.39，風井與黃河距離愈近，基坑開挖安全風險顯著增加。

4.2 基底注漿對降水的影響

砂卵石地層注漿加固時，漿液填充孔隙從而改變其滲透系數[5-6]，形成相對隔水層，注漿填充率與滲透系數關系如圖4所示。基底注漿分析時，開啟坑外58口降水井J9～J66，改變基底注漿系數和坑內井數量，各工況坑內水位計算值如表4所示。

由表4可知：(1)注漿填充系數為10 %～40 %(滲透系數i×10-4m/s)，注漿對坑內水位影響不大，水位下降主要受降水井數影響；(2)注漿填充系數為50 %～70 %(滲透系數i×10-5m/s)，注漿系數增大，坑內水位快速下降；(3)注漿填充系數為80 %～90 %(滲透系數i×10-6～10-7m/s)，坑內僅需1口疏干井，注漿加固區隔水效果良好。

表4 各工況坑內計算水位統計 m

圖4 注漿填充率與滲透系數關系曲線

4.3 基坑降水運營優化

基坑井點數量多，抽水量大，運營成本高。在保證基坑安全施工同時，合理開啟井點數量，降低運營成本。根據降水方案：開挖深度小于31.2 m，以坑內降水為主；開挖深度大于31.2 m，采用坑內+坑外聯合降水方式。對不同開挖階段的降水工況數值模擬分析，降水井點運營方案如表5所示。

5 中間風井現場監測

中間風井施工期間地下水位監測曲線如圖5所示。2015年6月26日～2015年11月1日開挖負一層～負三層，坑內水位階梯狀下降，坑外水位下降微弱；2015年6月26日～2016年3月20日開挖負四層～負五層，開啟坑內2口降水井，要求降水井逐步開啟，水位階梯狀下降。整個施工過程中，實測水位與理論控制水位變化保持一致。