南京地鐵元中區(qū)間隧道降水設(shè)計(jì)與施工

提　要：本文針對(duì)南京地鐵元中區(qū)間隧道基坑所處場(chǎng)地的水文地質(zhì)條件，進(jìn)行了相應(yīng)的基坑穩(wěn)定性檢算，提出了該基坑合理的降水方案和施工方法，達(dá)到了良好的降水效果，確保了工程的順利進(jìn)行。
關(guān)鍵詞：降水設(shè)計(jì) 潛水承壓水 降水效果

1　前言
對(duì)地鐵區(qū)間隧道進(jìn)行明挖法施工時(shí)，要求基坑保持干燥狀態(tài)，以便于施工，同時(shí)保證基坑的穩(wěn)定性。若地層中有水頭較高的承壓含水層，在開挖過程中如不采取一定措施，可能會(huì)產(chǎn)生突涌，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)破壞。為確保施工安全，有必要對(duì)基坑開挖采取降排水措施。

2　工程概況
南京地鐵南北線一期工程西延線元通站～中勝站區(qū)間隧道，起止里程為XK2+325.100～XK3+477.100，線路長(zhǎng)度為1 152.0m。區(qū)間結(jié)構(gòu)采用矩形鋼筋混凝土雙孔隧道，區(qū)間隧道采用明挖法施工，以鉆孔灌注樁加攪拌樁作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，基坑開挖深度11m左右。

3　場(chǎng)地水文地質(zhì)條件
場(chǎng)地內(nèi)主要為耕地、空地及道路，無(wú)重要建（構(gòu)）筑物。場(chǎng)地地貌屬長(zhǎng)江漫灘，地勢(shì)較為平坦，所處地層以I類為主，覆蓋層厚度較大，主要為漫灘沖積成因的飽和軟弱粘土及飽和砂性土，自上而下所穿越的地層為：①1人工填土，厚度0.3～4.5m左右；②1b2-3粉質(zhì)粘土局部分布，層厚0.8～1.7m；②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，局部夾薄層粉土、粉砂，層厚13.5～17.0m；②3c3粉土，層厚0.7～6.5m；②4d3-4中砂，層厚1.5～7.2m；②5d2-3粉砂，層厚1.5～8.5m；②6d1-2粉細(xì)砂，層厚20m左右。區(qū)間結(jié)構(gòu)主體位于②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層。
場(chǎng)地地下水分為潛水及承壓水。潛水層為人工填土層及全新世漫灘相軟弱粘土層構(gòu)成的孔隙含水層組，其透水性、含水性各不相同，主體為全新世沉積軟弱性土（包括②1b2-3粉質(zhì)粘土、②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土），飽含地下水，但透水性弱，潛水水位受季節(jié)性控制，雨季為地面以下0.6~1.5m；承壓水為埋深15.9m以下的砂層構(gòu)成的孔隙含水層，透水性好，該砂層厚度大，含水量豐富，為場(chǎng)地主要含水層，承壓水水頭為地面以下5m。

4　開挖面及坑底穩(wěn)定檢算
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和坑底穩(wěn)定是深基坑工程的關(guān)鍵。由于本工程的水文地質(zhì)條件較為復(fù)雜，因此基底的穩(wěn)定是本工程施工中應(yīng)考慮的主要因數(shù)。
4.1　抗基底隆起的穩(wěn)定檢算
采用考慮c，φ的抗隆起法和計(jì)及墻體極限彎矩的抗隆起穩(wěn)定性檢算法分別進(jìn)行檢算。
4.1.1　考慮c，φ的抗隆起法
根據(jù)南京地區(qū)近年來(lái)基坑的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，以及南京市地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范建議，基坑抗基底隆起的穩(wěn)定檢算可采用考慮c，φ的抗隆起法，計(jì)算示意圖如圖1所示，抗隆起穩(wěn)定性的公式為

式中　Ks——安全系數(shù)；
D——墻體入土深度，取8m；
H——開挖深度，取11m；
γ——整個(gè)墻高范圍內(nèi)的土層加權(quán)平均容重，取17.6kN/m3；
γ1——基底下面土層容重，取17.7kN/m3；
φ1——基底下面土層內(nèi)摩擦角，取16.8°；
c1——基底下面土層的粘聚力，取35.6kPa；
q——地面均布超載，取30kPa。
由上得Ks=1.93

4.1.2　計(jì)及墻體極限彎矩的抗隆起檢算法
假定滑動(dòng)面通過墻底，并以最下道支撐作為轉(zhuǎn)動(dòng)中心，按公式(2)檢算基坑底部土體的抗隆起穩(wěn)定性，計(jì)算示意圖如圖2所示。

　　　

式中r——圍護(hù)墻底以上地基土各土層天然重度的加權(quán)平均值，取17.68kN/m3；
D——墻體插入深度，取7m；
Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)；
c，φ——滑裂面上土得粘聚力和內(nèi)摩擦角的加權(quán)平均值，分別為28.9kPa與10.6°；
h0——基坑開挖深度，取11m；
h0′——最下一道支撐距地面的深度，取9m；
a1——最下一道支撐面與基坑開挖面間的水平夾角，取12.8°(0.22rad)；
a2——以最下一道支撐點(diǎn)為圓心的滑裂面圓心角154.4°(2.69rad)；
q——坑外地面超載，取30kPa；
MSL——隆起力矩， 。
由上得KL=1.75滿足要求。
以上兩種檢算的抗隆起安全系數(shù)分別為1.93和1.75。本基坑屬于三級(jí)基坑，按規(guī)范［1］抗隆起安全值應(yīng)大于1.5，從上面的檢算來(lái)看，坑底抗隆起滿足要求。為了便于施工，按設(shè)計(jì)要求只須將開挖范圍內(nèi)的潛水疏干即可，即在開挖前30d將潛水降至坑底以下3m。
4.2　開挖面抗承壓水的穩(wěn)定檢算

　 　　
式中 γω——水容重；
h1─—水頭高，取10.9m；
γ——開挖面至承壓水層頂板土體的加權(quán)平均容重，取17.6kN/m3；
Δh1——承壓水層頂板至坑底的土層厚，取4.9m。
從上面的分析可見，對(duì)上部承壓水層，在開挖至坑底之前需采取降水措施。
開挖至坑底后所能承受水頭高度：h≥Δh1γ/γωKs=8.0m(取Ks=1.1)；
開挖至坑底之前須降低水頭值：10.9-8.0=2.9m。
從前面分析可以得出在基坑開挖過程中為了防止坑底失穩(wěn)，必須提前對(duì)承壓水層采取降水措施，最終將水頭降至地面以下8.9m深處。

5　區(qū)間隧道基坑降水設(shè)計(jì)
根據(jù)前面的分析，需將潛水降至坑底以下3m，將承壓水降至地面以下8.9m。因承壓水層埋藏較淺，如對(duì)潛水和承壓水分別采取措施，在施工潛水井的時(shí)候勢(shì)必將承壓水層打穿。故可采用越流井（即將兩含水層連通）深井點(diǎn)降水，將水位降至坑底以下3m。為了降低對(duì)周邊環(huán)境的影響，將降水井布置在坑內(nèi)。因含水層厚度較大，管井濾管無(wú)需插入含水層底板，只需插入一定深度，就能滿足降水設(shè)計(jì)要求。區(qū)間段基坑形狀為狹長(zhǎng)條形，按狹長(zhǎng)條形非完整潛水井降水公式進(jìn)行計(jì)算［2］。
5.1　管井群出水量計(jì)算

5.4　管井縱向間距確定
縱向間距
5.5　群井布置
管井布置在離基坑壁2.5m處，縱向間距為16.2m，兩邊各布置72個(gè)，井深17.5m。管井布置平面圖見圖3，管井構(gòu)造圖見圖4。

6　施工方法
6.1　降水井施工工藝流程
降水井施工工藝流程如圖5所示。

圖5　降水井施工工藝流程圖
6.2　降水井施工步驟
6.2.1　測(cè)量定位
根據(jù)設(shè)計(jì)坐標(biāo)，進(jìn)行精確測(cè)量，每個(gè)孔位測(cè)定后，作好標(biāo)記，作好保護(hù)。
6.2.2　成孔
管井成孔采用鉆孔法，孔徑為500mm，泥漿護(hù)壁。在鉆孔過程中控制好孔的垂直度和鉆孔深度。
6.2.3　嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行鋼筋籠制作和濾網(wǎng)綁扎
鋼筋籠采用整體吊裝入孔，為了吊裝時(shí)有足夠的剛度，要求主筋與加強(qiáng)箍筋必須全部焊接。下放鋼筋籠時(shí)不能轉(zhuǎn)動(dòng)或上下串動(dòng)，防止濾網(wǎng)破損，導(dǎo)致泥沙涌入水井。鋼筋籠在下放過程中要注意保證其垂直度。
6.2.4　回填濾料
鋼筋籠下放到位后，井點(diǎn)管四周及時(shí)用粗沙回填灌實(shí)，距地面1.5m深度內(nèi)用粘土回填密實(shí)，以防止漏氣。
6.2.5　洗井
在回填粗沙后立即進(jìn)行洗井，清除停留在孔內(nèi)和透水層中的泥漿與孔壁的泥漿，采用泥漿泵沖清與小空壓機(jī)相結(jié)合的辦法洗井，洗井前后兩次抽水涌水量相差應(yīng)小于15%，且洗井后井內(nèi)沉渣不上升或基本不上升。
6.2.6　安裝潛水泵及試抽
在安裝水泵前量測(cè)井深和井底沉淀物厚度，以及洗井等符合要求后用纜繩將潛水泵吊入井管預(yù)定深度。潛水電機(jī)電纜接頭確?？煽拷^緣，并配置保護(hù)開關(guān)控制。安裝完畢后進(jìn)行單機(jī)抽水試驗(yàn)，以確定單井出水量和降深，并檢查降水設(shè)備是否正常，滿足要求后轉(zhuǎn)入正常施工。

7　降水監(jiān)測(cè)及處理措施
本區(qū)間隧道基坑分5個(gè)開挖段，在每個(gè)開挖段的基坑中央設(shè)置２～3個(gè)水位觀測(cè)孔，對(duì)水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在井點(diǎn)施工期間，對(duì)已形成井點(diǎn)的水位，每天觀測(cè)1～２次；降水前期對(duì)水位、流量及含沙量每天觀測(cè)１～２次；降水中期每天觀測(cè)1次；降水后期每7～10d觀測(cè)1次，雨天加測(cè)水位。將每天觀測(cè)的水位及流量結(jié)果進(jìn)行整理，繪制Q-t和s-t關(guān)系曲線，分析水位下降的趨勢(shì)及流量變化，預(yù)測(cè)地下水位降低到設(shè)計(jì)深度的時(shí)間和確定抽水泵的安裝與數(shù)量調(diào)整。同時(shí)對(duì)周邊建筑物進(jìn)行沉降觀測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)問題，可采用回灌方法，提高建筑物附近的地下水位，減少建筑物的沉降量。

8　降水效果
該區(qū)間于2003年2月中旬開始抽水，開始抽水時(shí)，水量較大，水位下降很快，之后水位降落逐漸緩慢，3d后，水位保持穩(wěn)定。從水位觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，降低后的水位滿足設(shè)計(jì)要求。元中區(qū)間基坑于3月中旬開始開挖，從前期開挖段來(lái)看，基坑內(nèi)部干燥，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑底保持穩(wěn)定，無(wú)不良事故發(fā)生，元中區(qū)間的降水設(shè)計(jì)及降水施工方法是成功的。
參考文獻(xiàn)
［1］ 江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)《南京地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》.85頁(yè).DB32/112-99.1999
［2］ 基坑工程手冊(cè)(第二版). 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

文章出處：《城市交通隧道工程最新技術(shù)》