南京长江隧道工程江北盾构工作井基坑降水设计方案研究

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成果综合确定。 （二）基坑涌水量的估算 计算方法：按稳定流承压环形非完整 井考虑。 （１ ）江北盾构井及 Ｊ Ｂ １ ４ 节 ￣ Ｊ Ｂ １ ６ 节段 采用大井法［ １ ］ 对基坑最大涌水量进行概 算。 计算公式： 式中：Ｑ ——基坑涌水量（ ｍ ３ ／ ｄ ）； Ｋ ——含水层渗透系数（取值 １ ６ ｍ ／ ｄ） ； Ｍ ——含水层厚度（取值 ５ ０ ｍ ） ； Ｒ ——抽水影响半径（取值 １ ２ ０ ｍ ） ； Ｓ ——基坑内承压水降深（ 取值 ２ １ ． ５ ０ ｍ ， 即承压水由初始值 － ２ ． ０ ｍ 降至 － ２ ３ ． ５ ０ ｍ ） ； ｒ ０ ——基坑折算半径（ 取值 ２ ９ ． ９ ｍ ，盾 构井及 Ｊ Ｂ １ ４ 节 ￣ Ｊ Ｂ １ ６ 节基坑概化面积为 ２７０３ｍ２） 将上述参数代入公式可得：Ｑ ６７０３７ｍ ３／ｄ 。 考虑地下连续墙对周边水头有一定阻 渗作用，考虑水量 ２ ０ ％衰减：Ｑ
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
——任意点距抽水井的平面距离
水量，保证降深； ６ 、及时降低下部承压水层的水头高 度，防止基坑深挖过程中发生突涌现象。 加固基坑内和坑底下的土体，提高坑内土 体抗力，从而减少坑底隆起和围护结构的 变形量，防止坑外地表过量沉降； ７ 、设计参数结合规范、现场抽水试验
— — 承 压 水 水 头 高 度；
（３ ）尽量避开格构柱、内支撑、地梁 等位置； （４ ）不影响基坑及地下室结构施工， 便于布设排水管； （５ ）所有降水井均必须经验收合格， 方可投入运行，验收标准包括井结构参 数、单井出水量和水的含砂量。 （６ ）所有井管都要求圆直，成井时井 管下到预计深度后，其环状间隙，应尽快 按设计要求填充砾料及优质干粘土球。 ２ 、降 水 维 持 期 的 施 工 要 求 （１ ）安装好排水系统，采用管道排水， 将抽出的地下水排入有排泄能力的市政排 水系统，防止倒流。 （２ ）配备有安全装置的供配电系统， 供电量不小于 ５ ５ ０ Ｋ Ｗ ，并配备双回路电源 （备用发电机） 以便在主电源临时停电 ， 时，在 １ ０ ｍ ｉ ｎ 内能继续供电抽水。其它设 备用电不得干扰降水用电或串入降水供电 线路内用电。为保障水泵运转和正常使 用，对电机设备要配有补偿保护装置。 （３ ）降水维持期间可以根据实测的承 压水高度调节降水高度。 （４ ）降水维持适宜采用分段分级降 水，按开挖进度及降水要求逐渐开启降水 井数量，严格控制因降水引起的周边地层 不均匀沉降。 （５ ）整个抽水维持期内，应当根据基 坑的施工状况，进行信息法管理，以最适 当的排水量，确保达到深基坑具有干燥的 作业空间，严禁随意开启或关闭水泵。 （６ ）成立现场专班，作好各项记录，确 保各抽水、排水和供配电系统的正常运 行，发生设备等故障和基坑险情时，能及 时反馈并采取有效措施加以排除。 （７ ）各种施工机械要避免碰撞损坏降 水设备、供电线路，排水渠道要保持畅道， 不得向渠道内倾倒垃圾及堆放物品，不得 损坏降水设施。 四、对周围环境影响的评估与监测 基坑开挖及降水后，承压水位降低将 使周边土层产生附加荷载而导致相应的沉 降，对周围建筑物及市政设施会构成不同 程度的危害。鉴于此，对可能发生的危害 程度做出正确的评估是非常必要的。根据 相关技术规定，估算因降水而引起的地面 最大沉降量可用下式计算： 式中 Δ Ｓ ｗ —为承压水水位下降引起
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南京长江隧道工程江北盾构工作井基坑降水 设计方案研究
文⊙ 付道兴（南京长江隧道有限责任公司 江苏）
摘要： 针对长江堤外滩地处深大基坑 降水设计方案研究，对基坑涌水量的估 算、降 水 井 的 深 度 验 算 、降 水 井 结 构 方 案 比 选 及 对 周 围 环 境 影 响 的 评 估 与 监 测 ，为 类似工程降水设计提供参考。 关键词： 盾构工作井；降水；设计方案 一、工程概况 南京长江隧道隧道总长度 ３ ７ １ ０ ｍ ，其 中盾构段 ２ ８ ３ ０ ｍ ，江北盾构工作井基坑长 ２ ６ ｍ ×宽 ４ ９ ． ４ ｍ ，基坑开挖面积约 １ ４ ０ ０ ０ ｍ ２， 其安全等级为一级。地层结构除填土层 外，地表有“硬壳层” ，覆盖层具有二元结 构 特 征 ，上 部 为 静 水 沉 积 相 粘 性 土 ，下部 为 长 江 冲 洪 积 相 砂 类 地 层 。基 坑 处 于 长 江 堤 外 滩 地 ，临 近 长 江 水 域 ，地 下 水 位 随 长 江水位的起落而升降，地下水极为丰富， 属 于 典 型 的 富 水 深 大 基 坑 ，在 国 内 尚 无 类 似工程事例，基坑开挖施工风险极大。 二、基坑降水的必要性 一般基坑工程随着开挖深度增加，承 压含水层中的承压水对隔水顶板的水压逐 渐 增 大 ，而 坑 底 下 隔 水 顶 板 土 体 随 着 厚 度 变 薄 ，土 体 自 重 应 力 逐 渐 减 少 ，而 承 压 水 水 压 超 过 顶 板 土 体 自 重 应 力 ，或 挖 穿 顶 板 土 体 ，就 会 产 生 涌 水 、流 砂 ，形 成 地 下 水 水患。 该区段地面标高在 ５ ． ４ ５ ～６ ． ５ ０ ｍ 之 间，承压水含水层为上部 ５ 层粉细砂、７ － １ 层粉细砂、７ － ２ 层粉土、８ 层粉细砂等， 其顶板埋深在地面下 ９ ． ３ ０ ～１ ９ ． ９ ０ ｍ （绝对 标高约为 － ４ ． １ ７ ￣ － １ ４ ． ８ ８ ｍ ）左右。参考 岩 土 工 程 勘 察 报 告 及 抽 水 试 验 报 告 ，勘察 期间处于枯水季节，承压水位标高按 ３ ． ８ ２ ｍ ，即埋深 ２ ． ０ ０ ｍ ，根据设计文件要求， 为确保坑底稳定，降低坑底承压水头高 度，按 开 挖 深 度 的 不 同 ，分 段 采 用 疏 干 降 水和减压降水。 按开挖到垫层底时进行突涌验算，采 用 以 下 公 式 ，进 行 抗 承 压 水 突 涌 稳 定 性 验 算： γ ｗ ——水的重度。 其中，盾构井区域因坑底已经揭穿含 水层顶板，承压水势必对开挖造成影响， 其它取段根据突涌验算，坑底突涌抗力分 项系数及降水设计要求见下表： 计算结果表明，当基坑施工开挖到底 板底时，均极易发生承压水突涌或管涌问 题，因此，为保证深基坑开挖及盾构始发 井施工的顺利进行，必须对场地承压水进 行有效治理，近几年大量的经验表明，深 井降水作为治理承压水是一项行之有效、 质量便于控制的常用方法，所以本基坑采 取深井降水是最佳措施。 三、降水方案设计 对于长江隧道基坑填土中赋存的上层 滞水，采用连续墙止水帷幕及桩间高压旋 喷止水帷幕阻隔，在开挖过程中，不会对 工程造成不利影响。对于深层地下水水， 考虑承压水头较高，为防止发生突涌或管 涌问题，为保证深基坑开挖及地下室施工 的顺利进行，必须对场地承压水进行有效 治理［２］。 因此，对于该场地地下承压水治理采 用侧向帷幕结合深井降水方法。以下结合 该工程的具体条件对降水方案进行设计。 （一）设计原则 １ 、本设计方案处理对象为深层承压 水，粉土夹层中的地下水因滞后效应难以 疏干，采取地下连续墙、搅拌桩侧向止水 帷幕对其阻隔； ２ 、盾构井 Ｊ Ｂ １ ６ 节（Ｌ Ｋ ３ ＋ ５ ７ ４ ． ３ ８ ７ ～ ６ ０ ０ ）基坑已经揭穿过渡含水层（粉土）顶 板，降水设计按疏干法考虑； ３ 、由于明挖段 Ｊ Ｎ ０ ５ ～Ｊ Ｎ １ ６ （Ｌ Ｋ ３ ＋ ３ ２ ６ ～５ ７ ４ ． ３ ８ ７ ）开挖底板底距离含 水层顶板有一定距离，降水设计按减压法 考虑； ４ 、根据明挖段开挖段深度由深至浅 的特点，采用降水井间距由密变疏的原则 布设； ５ 、利用含水层渗透性能由浅至深逐 渐增大的特性，采用非完整井，以减小涌 式中：γ ｔ ｙ ——坑底突涌抗力分项系 数，对于大面积普遍开挖应大于 １ ． ２ ；对 于局部承台分别开挖，应大于 １ ． ０ ； Ｄ ——坑底至承压水层顶板的距离； γ — — Ｄ 范 围 内 土 的 平 均 天 然 重 度； Ｈ
实际
＝
＝
６ ７ ０ ３ ７ ｍ ３／ ｄ × ８ ０ ％ ＝ ５ ３ ６ ３ ０ ｍ ３／ ｄ ＝ ２ ２ ３ ５ ｍ ３／ ｈ 根据计算所得到的基坑涌水量，如果 单井抽水量设计为 ５ ０ ｍ ３ ／ ｈ ，则共需的井数 为 ４ ５ 口；如果单井抽水量设计为 ８ ０ ｍ ３ ／ ｈ ， 则 共 需 的 井 数 为 ２ ８ 口。考 虑 基 坑 面 积 较 小，故同时采用 ５ ０ ｍ ３ ／ ｈ ￣ ８ ０ ｍ ３ ／ ｈ 深井泵交 错使用，则需降水井 ３ ０ 口。 （２ ）对 Ｊ Ｎ ０ ２ ￣ Ｊ Ｎ ０ ５ 段进行估算： ［２］ 式中：Ｓ ——承压水位下降设计值（按 设计要求分段取值） ； Ｋ （综合渗透系数） （含水层厚度） 、Ｍ 、 Ｒ （抽水影响半径）同上； Ｑ ｉ ——单井抽水量（ｍ ３ ／ ｄ ） ； ｒ （ｍ ） 。 由于明挖段平面形状为长条形，不能 采 用 大 井 法 估 算 涌 水 量 。以 设 计 降 深 要 求 作 为 控 制 原 则 ，利用“ 天 汉 软 件 ”进 行 多 种 井 位 与 流 量 情 况 下 的 试 算 ，以 确 定 最 合 理的降水方案。 经设计，盾构井及 Ｊ Ｂ １ ４ ～Ｊ Ｂ １ ６ 节区域 布 置 降 水 井 ３ ０ 口，２ 口观测井；明 挖 段
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（Ｌ Ｋ ３ ＋ ３ ２ ６～５ ７ ４ ． ３ ８ ７）基坑布置 ２ ５ 口降水 井，２ 口 观 测 井 。该 方 案 技 术 合 理 ，造价 经 济 ，完 全 满 足 基 坑 施 工 降 深 要 求 ，保证 了不同施工区域减压降水的合理降深要 求，避 免 了 无 谓 的 超 降 ，有 利 于 控 制 降 水 对周边环境造成的沉降影响。 经验算，盾构井段井距大部分在 １ ０ 米 左右；明挖段根据设计开挖要求的不同， 井距在 １ ８ ～２ ８ 米左右，均可以加大井间水 头降幅，利于地下水的疏干。 采用“天汉深基坑设计软件”验算，结 果详见设计计算书。 降 水 施 工 时 ， 应先施工 １ ～２ 口 抽 水 井，复 核 设 计 参 数 ，并 据 此 对 设 计 方 案 作 适当调整。 （三）降水井的深度及降水井结构 至于降水井的深度，因抽取承压水的 目 的 是 为 了 降 低 承 压 水 位 ，故 在 具 体 降 水 过 程 中 要 尽 量 减 少 抽 水 量 ，同 时 又 要 保 证 降 水 井 的 含 砂 量 不 超 过 有 关 规 范 要 求 。结 合场区实际地质条件，降水井采用中深 井，深度可定为 ３ ５ ～３ ８ ｍ （根据初期成井 试验资料确定实际深度） 。 根据相关规范以及该区地质条件，结 合 类 似 工 程 经 验 ，降 水 井 布 置 原 则：必须 保证基坑内每一点的降深均满足设计要 求；尽 量 减 少 因 基 坑 内 抽 水 对 周 围 环 境 造 成的不利影响。 降水井结构必须满足以下技术要求： １ 、降水井井深 ３ ５ 米～３ ８ ｍ （降水井 底端以不进入 １ ０ 层砾砂为原则） ３ ］ 。 ［ 其中：地面以下 ０ ～２ ５ ｍ 为实管，２ ５ ｍ 以下为滤水管。 基坑内降水井为防止土方开挖对其造 成破坏，建议采用Φ ２ ５ ０ ￣ ３ ０ ０ 钢管，基坑外 降水井采用Φ ３ ０ ０ 水泥管。 ２ 、井管与孔壁之间下部回填填滤料， 上部填置粘土球，滤料的填置高度以 ７ － １ 层或 ７ － ２ 层粉砂、粉土顶端进行控制。 ３ 、单井涌水量不小于 ５ ０ ｍ ３ ／ ｈ ，单井 抽水含砂量不超过 １ ／ １ ０ ０ ０ ０ ０ 。 ４ 、洗 井 充 分 ，水 位 反 映 灵 敏 。 综上所述，可以设计出降水井的结构 并制定相关施工工艺流程。 （四）施工技术措施 １ 、成 井 施 工 技 术 要 求 为有效保证明挖段施工工期，降水井 的 施 工 建 议 分 阶 段 进 行 ，前 期 施 工 基 坑 内 降 水 井 ，为 土 方 开 挖 提 供 施 工 场 地 ，后期 施 工 坑 外 降 水 井 ，与 上 部 土 方 开 挖 同 步 进 行。在施工过程后随时进行群井抽水试 验，进一步校核设计参数，优化设计方案。 （１ ）必须保证基坑内每一点的降深均 满足设计要求； （２ ）根据基坑分区开挖深度要求，合 理布置； Ｍ ｓ —取经验数值 ０ ． ３ ０ ～０ ． ９ ０ ； δ ｗ ｉ —为承压水下降引起 ｉ 层的附加 应力（ｋＰａ）； Δ ｈｉ —为 ｉ 层厚度（ｃｍ）； Ｅｓｉ —为 ｉ 层的压缩模量（ Ｍ Ｐ ａ ）。 的地面沉降量；