深基坑降水方案的计算与分析

深基坑降水方案的计算与分析

王崇智

中铁二十局集团第六工程有限公司陕西西安710032

摘要：以幸福花园站深基坑降水为例，着重从基坑底板稳定性、疏干井、减压降水、减压降水引起的沉降预测等方面进行论述，通过建立模型，分析和计算，确定降水井数量及位置布置，为今后类似的深基坑降水施工提供参考，并根据工程经验给出施工建议。

关键词：深基坑降水稳定性疏干井减压沉降

1工程概况

拟建天津地铁5号线幸福花园站为地下车站[1],本站计算站台中点里程为DK16+282.00，车站设计起点里程为DK16+121.6，车站设计终点里程为DK16+442.4。主体结构长约320.8m，结构标准段总宽度33.46m，车站标准段基坑开挖深度约18.5m，端头井基坑开挖深度约19.87m，围护结构采用0.8m厚地下连续墙[2-4]，地连墙深度42.3~45.3m。基坑[5]均采用明挖顺作法施工。车站除主体结构外还包括2个风道和4个出入口。出入口及风道段采用SMW工法桩的围护形式。

2场地地下水类型及特征

表层地下水类型为第四系孔隙潜水，地下水[6]埋藏较浅,本次勘察期间潜水水位埋深1.00～1.60m（高程0.03～0.66m）。本场地范围内的孔隙潜水主要赋存于第Ⅰ陆相层④2层粉土、第Ⅰ海相层⑥3层的粉土、⑥34层的粉砂及⑥43层粉土中。

含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。接受大气降水和地表水入渗补给，地下水具有明显的丰、枯水期变化，丰水期水位上升，枯水期水位下降，多年变化平均值约0.8m。主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流缓慢。排泄方式主要有蒸发、人工开采和下渗补给下部承压水。

场地内第Ⅱ陆相层及其以下的粉土、粉砂层为承压水含水层，常被粘性土分隔为多层含水层。⑧2粉砂为第一承压含水层，以⑦粉质粘土层和⑧1粉质粘土为主要隔水层顶板；⑨13粉土、⑨14粉砂、⑩2粉砂、⑩23粉土、⑪2粉土、⑪24粉砂、⑪25细砂层因局部连通或隔水层较薄，同视为第二承压含水层，以⑨1粉质粘土层为主要隔水顶板；⑪4粉砂为第三承压含水层，以⑪3粉质粘土层为主要隔水顶板。三个承压含水层主要接受上层潜水的渗透补给，与上层潜水水力联系紧密，以地下径流方式排泄，同时以渗透方式补给下部含水层水。承压水水位受季节影响较小，第二承压含水层稳定水位埋深为3.60m，高程为-2.04m。

本场地潜水及承压水初始水头见表1。

3基坑底板稳定性分析与计算

本基坑开挖较深，主体部分围护结构虽然已经完全隔断第二层微承压水，为确保安全，仍需需适当考虑第二层微承压水的顶托力对基坑底板造成的突涌[7]破坏，适当进行减压处理。因此，必须进行基坑突涌稳定性安全验算，根据验算结果采取有效的减压降水措施，防止高水头的承压水从最不利点处突涌。

开挖过程中，基坑底面的突涌稳定性验算，可按下式进行：

式中，hs为基坑底至承压含水层顶板之间的距离（m），计算时，承压含水层顶板埋深取最小值（m）；γs为基坑底至承压含水层顶板之间的土的层厚加权平均重度（kN/m3），取19.6kN/m3；hw为承压含水层顶板以上的承压水头高度（m）；γw为地下水重度，取10.0kN/m3；F为基坑突涌稳定性安全系数，一般为1.05～1.2，本工程主体部分取1.1，附属结构取1.1或1.05。

3.1第一层微承压含水层的基坑突涌稳定性安全分析

附属结构包括出入口和风井，出入口基坑开挖面标高-9.368~-12.68m，埋深10.868m~14.18m；风井基坑开挖面大沽-9.317m~-12.217m，埋深10.817m~13.717m。根据基坑开挖对坑内安全水位的要求，疏干井长度在基坑开挖面以下5~6m，已经接近或局部进入到第一微承压含水层，又因主体部分开挖基底已经进入第一微承压含水层，故对第一微承压含水层进行疏干处理。

3.2第二层微承压含水层的基坑底板稳定性分析

根据《天津地铁5号线工程勘察幸福花园站岩土工程勘察报告(详细勘察)》，拟建场地内第二微承压含水层顶板大沽标高取-22.62m(最浅埋深约24.20m)，微承压含水层的初始水头标高为-2.04m。

3.2.1主体部分

主体部分开挖最深处标高为-18.372m(深度19.872m)。

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-18.372）)×19.6=-83.2608kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-83.2608/(-205.8)=0.405＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求，需要针对第二微承压含水层进行减压处理。

3.2.2出入口

出入口部分开挖面大沽标高-9.368~-12.68m，埋深10.868m~14.18m。

3.2.2.1A出入口

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-12.68）)×19.6=-194.824kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-194.824/(-205.8)=0.95＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求！需要进行第二微承压含水层减压。

3.2.2.2B出入口

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-12.68）)×19.6=-194.824kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-194.824/(-205.8)=0.95＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求！需要进行第二微承压含水层减压。

3.2.2.3C出入口

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-12.43）)×19.6=-199.724kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-199.724/(-205.8)=0.97＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求！需要进行第二微承压含水层减压。

3.2.2.4D出入口

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-12.64）)×19.6=-195.608kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-195.608/(-205.8)=0.95＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求！需要进行第二微承压含水层减压。

3.2.3风井

风井基坑开挖面大沽标高-9.317m~12.217m，埋深10.817m~13.717m。

3.2.3.11号风道

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-12.217）)×19.6=-203.9kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-203.9/(-205.8)=0.99＜1.1

不满足Fs≥1.1规范要求！需要进行第二微承压含水层减压。

3.2.3.22号风道

承压含水层顶板以上的上覆土压力:PZ＝hs×γs=(-22.62-（-11.317）)×19.6=-221.54kPa

承压水的顶托压力:PW=γw×hw=10.0×(-22.62-（-2.04）)=-205.8kPa

F1=PZ/PW=-221.54/(-205.8)=1.08＜1.1

不满足FS≥1.1规范要求，但是满足FS≥1.05要求！因此可已考虑设置第二微承压含水层减压备用井。

根据以上计算，在A、B、C、D出入口以及1、2号风道基坑内各布置1口第二微承压含水层减压备用井，井深30m。视基坑开挖水位情况进行减压降水。

3.3微承压水降水思路

根据勘察报告分析计算得主体基坑主要开挖深度及安全水位对应关系具体如下表2。

4疏干井分析及布置

为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量。坑内疏干井数量按下式确定：

n=A/a井（2）

式中：n为井数(口)；A为基坑需疏干面积(m2)；a井为单井有效疏干面积(m2)；单井有效疏干面积a井本次取130m2。

4.1主体区域

基坑面积约9734m2，拟布置75口疏干井，井深标准段24m，端头井25m，本基坑工程地下二层，分5道支撑开挖，基坑开挖时间相对较长，对降水井保护要求较高，因此本工程降水井选用钢管井；

浅层疏干井，必须给予充分的预抽水时间（不少于20天），根据土方开挖进度，将水位控制在基坑开挖面以下1.0m。开挖过程中将穿过底板部位的钢管换为实管。

4.21、2号风亭组

1、2号风道基坑面积分别为689m2和672m2，根据每130m2布一口疏干井的原则，1、2号风道各布置5口疏干井，基坑开挖深度11.72m,局部落低2m，综合考虑基坑开挖深度以及第一微承压水埋深，井深设置为2口17m和3口19m,材质无砂水泥管，已经进入第一为承压含水层含水层，将其做疏干处理。

4.3其它附属结构基坑

本工程附属结构A出入口、B出入口、C出入口、D出入口、基坑面积分别为569m²、475m²、428m²、539m²，根据每130m²布一口疏干井的原则，各出入口均布4口疏干井，基坑开挖深度10.868~14.18m,。结合基坑开挖深度，井深设置为16m和20m各2口。

5减压降水计算与分析

根据前述基坑突涌稳定性安全验算结果，必须对第二微承压含水层组采取有效的减压降水措施，才能防止产生基坑突涌破坏。本次设计采用了渗流数值法进行计算，为减压降水设计与施工提供理论依据。

5.1地下水运动数学模型

根据基坑降水手册[8-9]，针对上述水文地质概念模型，建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型:

式中，S为储水系数；Sy为给水度；M为承压含水层单元体厚度（m）；B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度（m）;kxx,kyy,kzz分别为各向异性主方向渗透系数（m/d）；h为点（x,y,z）在t时刻的水头值（m）；W为源汇项（1/d）；h0为计算域初始水头值（m）；h1为第一类边界的水头值（m）；Ss为储水率（1/m）；t为时间（d）；Ω为计算域；Γ1为第一类边界。

另补充公式：

式中,Γ2为第二类边界；q(x,y,z,t)为第二类边界上单位面积的补给量［m3/(d·m2)]。

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，就可得到数值模型，以此为基础编制计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。

5.2模型的建立及参数的选取

根据研究区的实际水文地质结构条件及几何形状，对研究区进行三维剖分。根据研究区水文地质特性、基坑围护连续墙埋藏深度，水平方向将其剖分为158行，123列，垂向将其剖分为6层。

为保证减压降水效果及尽量减小减压降水对环境的不利影响，采用坑内降水。参考勘察报告，有关基坑降水模拟计算参数设定见表3。

5.3计算结果及分析

本次模拟计算群井抽水情况下，减压井单井涌水量按144m3/d计算。

经计算得主体部分设置10口减压井，另根据规范要求布置一定数量的坑内备用兼观测井4口。计算所得主体区域减压井运行30天后的基坑水位等值线见图4。

经模拟显示，主体部分减压井运行30天后，基坑内安全水位已基本达到基坑开挖要求，在基坑内承压水满足要求的同时，坑外水位下降较小，最大值发生在距离基坑最近的基坑边缘，只有22cm。

基坑周边距离基坑较近的廉江里和镇江里38号~42号楼及庐山里等位置相对应的水位下降只有4~8cm。

6减压降水引起的地面沉降预测

6.1减压降水引起的地面沉降计算

根据上述地下水渗流模型计算得出的水位降深值，采用下列经典弹性地面沉降公式进行降水引起的地面沉降预测计算：

式中，Δb为地层压缩量（m）；b0为地层初始厚度（m）；mv为体积压缩系数（取值根据《天津站交通枢纽工程岩土工程勘察报告》确定）（MPa-1）；s为承压水位降深（m）；γw为地下水重度，取10.0kN/m3；F为沉降经验系数，其取值与土性及降水持续时间有关。

6.2沉降预测计算结果

根据经典弹性地面沉降公式对基坑降水引起的地面沉降进行了预测计算（仅降水运行引起的地面沉降）。

此次模拟计算是在考虑围护结构地下连续墙止水效果良好的情况下进行的，联合降水降水运行180天后的预测地面沉降(mm)等值线图见图5。

从图中看出：在基坑各部分联合降水的情况下，基坑周边出现一定的沉降[10-12]，沉降最大值出现在基坑边缘，最大沉降值为20mm左右，随着距离基坑距离的增大。沉降值相应减小。沉降影响范围大约150m左右，距离基坑较近的廉江里、镇江里38号~42号以及庐山里等相对应位置，基坑降水引起的沉降大约在4~12mm，相对较小，不会对结构造成影响。距离基坑越近沉降越大。基坑降水过程中应加强这些建筑为对应位置的坑外观测井水位观测。

7降水井布置

降水井平面布置见图6。

8结论与建议

由于坑外道路环绕，道路管线对沉降反应敏感，在坑外布置部分观测井，及时掌握坑内减压降水对坑外水位的影响，特别是布置第一微承压含水层观测井，作为坑外观测备用井。

为减少降水对坑外环境的影响，降水运行控制期间，严格执行“分层降水、按需降水、动态调整”的降水原则，尽量减小坑外水位下降对环境的影响。

坑内第一微承压含水层作疏干处理，将疏干井直接深入第一微承压含水层底。

第二微承压含水层被连续墙隔断，但考虑基坑的安全和地层的不确定性，需进行减压考虑。

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