深基坑降水加固法施工技术

深基坑降水加固法施工技术
隧道网 (2005-9-14) 来源：隧道网
摘要：复杂地层中深基坑开挖工程涉及到基坑底部和开挖土体的稳定性，以及防范流沙和管涌现象，本文从复兴东路隧道工程地质和施工环境出发，提出了深基坑降水加固方案，通过抽水试验和施工过程中对地层变形、管线变形和周围房屋沉降的跟踪监测，结果表明，在复兴东路隧道工程中，采用深基坑降水加固法施工技术是有效的。

关键词：深基坑、降水加固法、施工环境保护、复兴东路隧道工程
1 引言
上海复兴东路越江隧道工程是上海市城市规划“三隧一桥”基础建设的重要组成部分，属上海市政府重大工程之一。

工程设计为双管双层六车道，自浦西光启路至浦东崂山东路，总长度2780m。

江中段长约1215m，采用直径11.22m的大型泥水盾构施工。

浦西浦东工作井和暗埋段采用地下连续墙围护结构深基坑开挖施工。

其中浦西工作井设计最深达24m，浦西暗埋段设计深达20m，道路纵坡坡度最大为4.75％，是工程施工的重点，由于地质情况复杂，周围市政管线和房屋建筑环境保护要求较高，在深基坑开挖过程中，拟采用深基坑降水加固法施工。

2 工程和水文地质条件
根据地质勘察资料，本工程基坑开挖涉及的土层为①杂填土、②l褐黄色粉质粘土；②3砂质粉土夹淤泥质粘土、⑤1—2灰色粉质粘土；⑥暗绿色粉质粘土、⑦1褐黄色—黄色砂质粉土。

其中②3层灰色砂质粉土层分布范围广，土力学性质差异大，是开挖施工中的主要土层，试验结果表明该层土层易出现流沙、管涌和振动液化，对施工影响大。

另外，基坑底部离含水层⑦1层顶部较近，在地表以下59.6m，可击穿该层土，其承压含水层的厚度为29.5m，其渗透系数为10-3-10-2cm/s，按其地质特性属透水性较好的含水层，承压水水头高度一般在地表以下8.8m，相应的绝对标高为-4.8m。

施工中需要考虑承压含水层的作用。

各层土力学指标见表1。

3 深基坑降水加固原理
软土深基坑加固主要用于增加开挖土坡和坑底的稳定、防范流沙现象和增加地基土体的抗剪强度。

首先，在基坑开挖期间，坑内地下水位必然低于四周，周围地下水向坑内渗流，产生渗流力：
其中：F表示渗流力； Y(d表示水容重；dh/dl表示水头差；J表示水力坡降。

渗流力的作用将降低周围边坡土体安全系数，从而出现失稳现象。

采用降水加固措施后，周围土层中的地下水位可以降到开挖面高程之下，既保持了基坑底部干燥，又便于施工，而且消除了渗流力的影响，从而增加了边坡和坑底的稳定。

表1
其次，基坑开挖时，地面下的土层受到向上的渗透力作用，使砂性土层的渗透水力坡降增大，当达到一定程度，砂性土形成流沙涌出坡面，产生流沙时的渗透水力坡降。

按Terzaghi公式：
其中：表示水力坡降；n：表示土体孔隙率；G：表示土粒比重(均匀砂土0.8—1.2；不均匀粉砂土1/3)。

再次，基坑开挖过程中，坑底存在着⑦1层承压含水层的顶托力作用，因此，采用深井降水，降低承压水的水头差，可以减少承压水对基坑坑底的顶托力，增加基坑，底部的稳定性。

坑底的稳定条件是：
其中：M 坑底以下不透水粘土层厚度(m)：
γ坑底以下不透水粘土层容重(KN/m3)；
γω水容重(KN/m3)；
H ω降低承压水位后，坑底粘土层下面尚受到的承压水头(m)。

另外，对基坑开挖土层采用大口径井点降水之后，地下水位将下降，设水位下降
值为：ΔH=H1一H2，相当于下卧地层增加ΔHγω的垂直附加力，在该附加应力作用下，孔隙水逐渐排除，根据Terzaghi理论有：
其中：σ、为有效应力；σ为总应力；uω为孔隙水压力。

从(3)可以看出，下卧土层的有效应力随着孔隙压力的消散而增长。

对降水深度ΔH范围内的土层，其含水量因降水而显著减小，其重度提高，土层在增加的自重作用下，土层进一步固结，相应的土体抗剪强度将逐渐增加，从而提高开挖土体边坡和基坑坑底的稳定性。

4 降水加固施工方案设计
4.1 大口径降水加固设计
根据水文地质资料，本工程降水加固范围主要涉及到②3砂质粉土夹淤泥质粘土、④淤泥质粉质粘土、⑤粉质粘土层。

降水深度达到基坑底以下4米，降水井数按下列公式计算：
这里：n是设计降水井数量，A是基坑开挖土体平面面积(m2)，本工程工作井为630 m2，按埋段3364m2，a是单井有效抽水面积(m2)，根据经验，按每口取150-200 m2面积。

计算结果为工作井降水井数3口，暗埋段降水井数17口，如图1分布。

图1 复兴东路隧道浦西工作井及暗埋段降水加固设计平面图
4.2 含水层承压水降压井的设计
根据地质资料计算，承压水头高度至承压含水层顶板的距离为21.3m，由公式(3)得出基坑底部稳
定性系数：
按上式计算得出工作井和暗埋段PXl5、PXl6、PXl7、PXl8、PXl9、PX20段基坑底部粘土层的稳定性系数值如表2。

取工程稳定系数大于1.1，由计算表明PXl 8、PXl 9、PX20和工作井基坑底部粘土层处于承压水顶托力作用的不稳定状态，需要降压处理。

经试算在工作井东侧两隧道之间布置一口抽水井(Y 0)，在北线布置一口抽水井(Y1)，在暗埋段南线布置观测井(Y2)，在南北线之间布置一口观测井(Y3)，根据实际情况再调整如图。

表2
5 降水试验分析
为了验证降水加固方案的可行性，选择Y1井作为抽水井，Y2、Y3作为观测井(如图1)，进行水文地质参数的计算。

然后将Y1、Y4作为抽水井，对工作井A、B、C预测点进行测算，将Y3作为抽水井对Y1、Y2预测井进行测算，参数计算采用非完整井非稳定流的方法进行拟合，即：
其中：Br为越流因子(无量纲)；
Kz、Kh 分别为含水层垂直向和水平向渗透系数(m/d)：
Q为抽水井出水量(m3/d)：
S干挠抽水水位(m)；
M含水层厚度(m)
T导水系数(m2/d)；
r观测孔至抽水井距离(m)；
L、L1分别为抽水井及观测井的过滤器底部至含水层顶板距离(m)；
D、d1分别为抽水井及观测井的过滤器顶部至含水层距离(m)；
W(Ur)井函数；
Ur井函数自变量，Ur=r2/4 αt；
α导压系数(m2/d)；抽水延续时间(d)。

通过现场历时3 8小时的试验，得出各水文地质参数如表。

再用公式(5)对设计井群抽水预测点A、 B、C干挠水位下降进行计算，结果如下：
表3
a．在工作井部位，当两口井(Y1、Y4)同时抽水(单井抽水量1200m3/d)时，对预测点A、B、C的
水位下降预测为：
b．在暗埋段部位开启Y3井抽水(单井抽水量600m2/d)时，对观测点Y1、Y2的水位下降预测值。

表4
计算结果表明，①当工作井进行基坑开挖时，同时开启降压井Y1、Y4抽水(单井抽水量为
1200m3/d)，7天以后预测点A的水位下降值为12.72m，预测点B的水位下降值为11.86m，预测点C 的水位下降值为11.68m，此时可以满足工作井处需要降低含水层水头的要求及基坑稳定性的要求。

②当暗埋段进行基坑开挖时，开启降压井Y3(抽水量为600m3/d)，3天后井的水位下降值为3.27m，说明在暗埋段施工时，抽水井抽水72小时就能满足暗埋段处需要降低承压含水层水头的要求及基坑底部稳定性的要求。

表5
6 降水加固效果分析
本段基坑施工采用分段分层开挖，开挖顺序为：工作井一PX20一PXl9—PXl
8—PXl7—PXl6—PXl5，每个分段分层土方开挖在16小时内完成，并及时安装支撑。

每段开挖放坡1:2.5，每层深度控制在1.5m左右，从基坑开挖效果看，未出现大量渗水和边坡失稳现象，基坑底部施工也比较顺利。

为了保护基坑两侧的管线设施和周围房屋建筑，控制地面沉降，对降水加固施工过程中的地面沉降、管线沉降和房屋变化进行了全过程监控。

6.1 地面沉降变化分析
降水加固施工最直接的反映是在地面沉降的变化上。

为了控制基坑降水加固引起的周围地面变形，在工作井、暗埋段的南北两侧，距离连续墙约12m范围内布置监测点，按开挖深度1临计算，工作井周围地面沉降的最大允许值为2.4 cm，暗埋段周围周围地面沉降的最大允许值为1.7cm。

监测结果表明，在深基坑降水加固施工的第60天，工作井周围地面最大沉降值为1.597cm(如图)，空间分布上靠近连续墙外6.0 m左右地面沉降值最大，为1.638cm(如图)。

由此可以看出，采用深基坑降水加固后，地面沉降控制在允许值范围内。

6.2 管线沉降分析
图2 浦西工作井周边地表沉降曲线圈
图3 浦西暗埋段两侧地表沉降曲线图
根据工程周围管线的分布情况，对深基坑周围管线的沉降采取一级基坑施工保护措施，φ500天然气管的监测点间距为5.0m，降水加固施工过程中，天然气最大累计沉降值为1.524cm，相邻测点最大沉降差为2.0mm；φ500上水管监测点间距为10m，累计最大沉降值1.534cm，相邻测点最大沉降差为3.92 mm，φ3000污水管监测点间距为4m，最大累计沉降值为1.705cm，相邻管线测点最大沉降差4.55mm，管线的沉降差在允许值10.0mm以内。

每天沉降速率最大值φ500上水管为0.63mm/d，每φ3000污水管为1.99毫米，φ500天然气管每天的沉降变化速率为0.8mm，在允许值3mm/d以内。

图4 管线监测沉降曲线
6.3 深基坑施工区域相邻建筑物沉降分析
在深基坑降水加固施工过程中，需要重点保护的是南北两侧附近的旧式居民房屋(2层楼房)，以
及井岗中学和星火纺织提花纸板厂(3层楼房)。

其中星火纺织提花纸板厂房离工作井基坑最近，仅10m 左右，由于房屋结构大多为砖混结构，而且比较陈旧，稳定性特别差，在实施监测保护时，在每幢房屋轮廓边线角点、中点对称设置沉降观测点。

监测结果(图)表明，房屋的最大沉降值为13mm，经过120天后趋于稳定，前后墙的最大沉降差为3mm，在允许沉降值范围内，房屋没有明显的变形现象。

图5 附近民房沉降曲线图
图6 附近厂房沉降曲线图
7 结语
降水加固法施工是软土地下工程，特别是复杂土层深基坑工程施工过程中的一项重要技术措施，通过复兴东路隧道工程深基坑开挖实践，主要得出如下认识：
1) 在深基坑开挖所涉及的砂质粉土夹淤泥质粘土层和粉质粘土层中，按经验公式进行大口径降水方案设计，现场施工过程中未出现开挖土坡失稳、大量流沙和管涌现象，说明降水加固施工是成功的。

2) 通过深井降水试验表明，在基坑设计深度超过15m时，基坑底部开挖是稳定的，这说明降压井的设计是合理的。

3) 从深基坑降水加固施工过程中地面沉降变化、基坑周围管线变形以及附近房屋沉降监测结果分析，基坑周围地面沉降的最大值、煤气管相邻沉降差，上水管相邻沉降差、污水管相邻沉降差、房屋最大沉降值和前后墙沉降差，皆在工程控制范围内，说明采用降水加固法施工，对环境的保护是有效的。

4) 以Dacy渗流定律和Terzaghi土力学理论为基础的深基坑降水加固原理，适用于类似于复兴
东路隧道工程中软土深基坑开挖工程，以及防范流沙现象和增加地基土体的抗剪强度。

上海市第二市政工程有限公司
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