崔 濤

(北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院,100044,北京∥高級工程師)

寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗及數(shù)值分析

崔 濤

(北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院,100044,北京∥高級工程師)

為降低深基坑工程的設(shè)計與施工風(fēng)險,有必要通過抽水試驗確定各地層(特別是承壓含水層)的水文地質(zhì)參數(shù)。針對寧波地鐵市府站的復(fù)雜水文地質(zhì)條件,通過現(xiàn)場不同降壓工況的抽水試驗,并運用三維非穩(wěn)定流有限差分法進(jìn)行了數(shù)值模擬及水文地質(zhì)分析。該抽水試驗結(jié)果及結(jié)論為類似工程的設(shè)計、施工及風(fēng)險控制提供了依據(jù),尤其是對于寧波地區(qū)后續(xù)軌道交通線路的建設(shè)具有借鑒作用。

寧波地鐵;深基坑;抽水試驗;有限差分法

Author's addressCollege of Civil Engineering,Beijing Transpotation University,100044,Beijing,China

寧波地鐵市府站是寧波地區(qū)首批開工建設(shè)的地鐵車站之一,站內(nèi)地鐵1、2號線呈上下十字交叉,1、2號線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)線連接,地區(qū)內(nèi)尚無同類工程的施工經(jīng)驗。寧波地鐵1號線市府站的車站基坑寬20.5～24.8 m,長約168.6 m;西端頭井基坑深為25.3 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約23.8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1000 mm厚地下連續(xù)墻,深46～49 m;沿基坑深度方向水平設(shè)置六道支撐及一道臨時支撐。其中第一道為鋼筋混凝土支撐,第五道支撐結(jié)合下二層板邊框架逆作,其余均為鋼支撐。

試驗井所處地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,抽水初期恢復(fù)比率大(水位恢復(fù)時觀測孔10 min恢復(fù)水位40%左右)、單井出水量大(單井開采量800～1500 m3/d)、靜止水位高(距地表僅為5.0 m)、周邊環(huán)境復(fù)雜(毗鄰市政府、鬧市區(qū),建構(gòu)筑物密集)。能否安全解決承壓水問題,并有效控制對環(huán)境的影響,是本工程設(shè)計及施工的關(guān)鍵因素之一。

1 車站基坑地質(zhì)條件及突涌性計算

基坑開挖范圍內(nèi)(①1-1層-⑤2層)多以淤泥質(zhì)及軟塑狀土層為主。其地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

對基坑有影響的承壓含水層主要賦存于⑧1層的粉砂、細(xì)砂、中砂含水層中,其透水性好,水量豐富,單井開采量為800～1500 m3/d;含水層頂板埋深一般為45.0～62.0 m左右,含水層厚度10～15 m,層位穩(wěn)定,地下水基本不流動。

采用安全系數(shù)法對不同開挖深度的基坑進(jìn)行安全突涌可能性計算(計算結(jié)果見表1)。

式中:

Pcz——基坑底至承壓含水層頂板間土壓力,Pa;

Pwy——承壓水水壓力,Pa;

Fs——安全系數(shù) ,取 1.10。

計算表明:1號線端頭井、標(biāo)準(zhǔn)段及局部聯(lián)絡(luò)線通道有突涌可能性?；娱_挖至22.5 m時,需降低承壓含水層水位;開挖至底板時,承壓水層⑧1的安全水位宜控制在7.78 m以下。為有效控制地下水及減小降水對周邊環(huán)境的不利影響,需要準(zhǔn)確分析本工程場地的水文地質(zhì)特征,對承壓含水層進(jìn)行專項承壓水抽水試驗。

表1 安全突涌可能性計算表

2 抽水試驗過程及分析

抽水試驗共布設(shè)3口試驗井,分別為S1、S2、S3。試驗井濾水管長分別設(shè)置為10.0 m、5.0 m、8.0 m,并根據(jù)場地實際情況在試驗井四周共布置6個監(jiān)測剖面,共60個監(jiān)測點。監(jiān)測點間距約為10 m、15 m,編號為 C1-1～ C6-10,具體見圖 2、3。本試驗從2009年7月20日進(jìn)場施工,至2009年10月1日提交抽水試驗成果報告,歷時70 d左右。

圖1 地質(zhì)縱剖面圖

圖2 抽水試驗井布置及監(jiān)測平面圖

2.1 水位觀測及沉降監(jiān)測

抽水前進(jìn)行靜止水位觀測,測得承壓水水位標(biāo)高最淺在-1.25 m左右;水位具有一定的波動性,水位波動在20～25 cm左右(見圖4)。

試驗時采用定流量非穩(wěn)定流抽水方法進(jìn)行抽水。抽水時S1、S3井平均單井涌水量分別為45.0 m3/h、21.0 m3/h,抽水井水位最大降深分別為3.76 m、9.31 m;觀測井S2水位最大降深為2.44m。試驗期間取得抽水井、觀測井的水位降深隨時間變化曲線如圖5、圖6。

由抽水試驗可知,抽水前期水位下降迅速,在抽水10 min時觀測孔水位降深占總降深的40%左右;30 min后水位變化較小,且逐漸趨于穩(wěn)定;停止抽水水位恢復(fù)時,觀測井10 min時恢復(fù)水位40%左右,150 min即恢復(fù)水位60%左右,之后平均恢復(fù)速率較慢。

由圖7、8可知:各沉降監(jiān)測點在試驗期間地表沉降值為0～3.0 mm,總體沉降量較小,沒有特別明顯的變化規(guī)律;在停止抽水后水位恢復(fù),孔隙水壓力增大,一部分地表沉降回彈。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)求解

根據(jù)場地實際情況待水位穩(wěn)定后,對S1、S3井分別進(jìn)行單井抽水試驗,并利用AquiferTest軟件(3.0版)中泰斯法、泰斯水位恢復(fù)法等對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的求解(詳見表2)。

圖3 抽水試驗井結(jié)構(gòu)圖

圖4 靜止水位觀測曲線圖

圖5 S1單井抽水試驗時間-降深曲線

圖6 S1、S3雙井抽水試驗時間-降深曲線

圖7 沉降監(jiān)測點 C2-5、C2-6、C2-9、C2-10所測地表沉降曲線圖(2009年)

圖8 沉降監(jiān)測點C5-2～C5-10所測地表沉降曲線圖(2009年)

表2 水文地質(zhì)參數(shù)表

2.3 三維滲流與沉降模擬

采用國際上常用的Visual Modflow地下水滲流數(shù)值模擬軟件進(jìn)行水文模型數(shù)值模擬(4.0版)計算,在同等水文地質(zhì)條件、模型設(shè)置及剖分條件下采用Processing Modflow(5.3版)進(jìn)行場區(qū)沉降模擬預(yù)測。根據(jù)場區(qū)的實際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀進(jìn)行三維剖分。因承壓含水層滲透性大,確定以基坑中心點為基點、各方向延伸1000 m作為模擬計算區(qū)域;剖分時在基坑附近對網(wǎng)格加密,平面上剖分為100×100個網(wǎng)格單元。模型的水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)勘察報告提供的地質(zhì)資料及試驗取得的水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行實際等效處理,承壓含水層模型邊界采用通用水頭進(jìn)行處理。模型計算值與試驗觀測值擬合曲線如圖9所示。

圖9 模型計算值與實測水位擬合曲線圖

通過試驗數(shù)據(jù)調(diào)參反演建立有效數(shù)值模型后,對雙井抽水試驗期間場地范圍內(nèi)的滲流情況及降水引起的沉降情況進(jìn)行模擬預(yù)測。具體如圖10、11所示。

通過對試驗期間群井試驗反演模擬,得出抽水試驗取得的水文地質(zhì)參數(shù)能夠反映場地內(nèi)實際地下水存儲、運移狀態(tài),以及承壓水抽取后引起的土層壓縮規(guī)律。試驗取得的水文地質(zhì)參數(shù)和通過反演法建立的數(shù)值模型能夠模擬并預(yù)測基坑開挖時減壓降水引起的場地內(nèi)水位變化及周邊環(huán)境變化情況;并以此驗證和優(yōu)化承壓水減壓設(shè)計,確保施工安全、控制對環(huán)境的影響。

圖10 群井試驗期間場地滲流模擬圖

圖11 群井試驗期間場地地面沉降模擬圖

3 承壓水減壓設(shè)計的優(yōu)化

在減壓設(shè)計時應(yīng)考慮最不利的情況,以確?；庸こ痰陌踩┕?。根據(jù)試驗結(jié)果建立的場地范圍內(nèi)水文地質(zhì)、沉降數(shù)值模擬模型,對基坑降水方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 抽水試驗前的承壓水減壓設(shè)計方案

依據(jù)原有的勘察資料提供的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,進(jìn)行基坑突涌可能性計算,并依據(jù)滲流公式對基坑涌水量進(jìn)行計算。根據(jù)計算結(jié)果,本工程主體結(jié)構(gòu)的基坑共需布置第⑧1層的降水井6口以及備用井(兼觀測井)2口;井深60.0 m,濾水管深52.0～59.0 m。具體平面位置見圖12。

3.2 方案優(yōu)化

依據(jù)抽水試驗結(jié)果及建立的基坑降水?dāng)?shù)值模型,對原有設(shè)計方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后減少原方案聯(lián)絡(luò)線中的1口降水井,并依據(jù)抽水結(jié)果及圍護(hù)設(shè)計對原有降水井位置及井深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后基坑共布置降水井5口,觀測兼?zhèn)溆镁?口;井深63.0 m,濾水管深54.0～62.0 m。具體平面位置見圖13。以下進(jìn)行方案優(yōu)化后的模擬計算。

圖12 優(yōu)化前基坑降水平面布置圖

圖13 優(yōu)化后基坑降水平面布置圖

模擬啟動基坑內(nèi)布置的5口降水井,平均單井抽水量40 m3/h。在抽水1 d后基坑內(nèi)降深在4.0～4.5 m,基坑外側(cè)100 m范圍內(nèi)降深在2.5～4.0 m左右(見圖14);在基坑中心100 m范圍內(nèi)沉降在1.7～3.5 mm左右。此時基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖要求。

圖14 抽水1 d后水位降深等值線圖(單位:m)

在持續(xù)降壓抽水90 d后,基坑內(nèi)降深在5.0～6.0 m,基坑外側(cè)100 m范圍內(nèi)降深在3.5～5.5 m(見圖15)?；觾?nèi)外水位持續(xù)抽水10 d后無明顯變化,此階段承壓水減壓降水處于穩(wěn)定狀態(tài),在基坑中心100 m范圍內(nèi)沉降在9.5～15.0 mm,基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖要求。

圖15 抽水90 d水位降深等值線圖(單位:m)

在基坑內(nèi)設(shè)置觀測孔HG1、HG2,在基坑外側(cè)5 m 、50 m、100 m、200 m 處設(shè)置 4口G1～G4承壓水觀測井及相應(yīng)的沉降監(jiān)測點,對減壓降水90 d進(jìn)行數(shù)值模擬及停抽后5 d內(nèi)進(jìn)行時程模擬。模擬結(jié)果表明:在距基坑邊界50 m、100 m、200 m 處降深分別約為 4.9 m、4.3 m、3.5 m,地面沉降量約為8.3～13.8 mm;停止抽水使水位完全恢復(fù)后,最終地面沉降量在5.5～6.5 mm左右。模擬的時間-降深、沉降曲線詳見圖16、17。

根據(jù)基坑突涌可能性計算,基坑開挖至22.5 m時臨近最后一層土方,此前24 h內(nèi)須啟動降水井并進(jìn)行減壓降水。根據(jù)開挖工序和施工進(jìn)度,可先開啟土方開挖鄰近區(qū)域的2～3口降水井,其它降水井以觀測為主,通過水位觀測調(diào)整減壓運行方案,做到“按需降水”。至土方開挖結(jié)束,承壓水水位應(yīng)滿足基坑安全施工要求。同時為有效減小減壓降水對周邊環(huán)境的影響,基坑內(nèi)水位不允許出現(xiàn)大幅度超降現(xiàn)象,宜控制在安全水位上下0.5 m左右。

圖16 不同點位處水位降深時程曲線(模擬)

圖17 不同點位處降水引起的地面沉降時程曲線(模擬)

根據(jù)計算,基坑減壓降水從啟動至封閉區(qū)域內(nèi)基坑底板全部施工結(jié)束后的14 d內(nèi)需進(jìn)行持續(xù)減壓降水。在減壓降水過程中應(yīng)采用自動觀測水位等有效手段監(jiān)控承壓水水位,同時在運行期間采取備用電源和備用電源自動切換技術(shù)實現(xiàn)減壓降水持續(xù)進(jìn)行。在基坑底板施工結(jié)束14 d后,根據(jù)底板隆起監(jiān)測結(jié)果,當(dāng)變形在設(shè)計可控范圍內(nèi)時逐步關(guān)閉降水井,并在關(guān)閉前通過降水井進(jìn)行場地承壓水水頭觀測,當(dāng)基坑結(jié)構(gòu)完全滿足抗浮要求且不存在風(fēng)險時進(jìn)行降水井封井工作。

4 結(jié)語

寧波地鐵市府站屬于深基坑,其地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,且在寧波地區(qū)缺乏同類工程的經(jīng)驗,對于設(shè)計、施工的未知因素多風(fēng)險大。為此進(jìn)行抽水試驗,經(jīng)有限差分法數(shù)值分析,作為設(shè)計的復(fù)核依據(jù)。

1)試驗的必要性。基坑減壓性降水是工程的風(fēng)險源之一,故應(yīng)重視對承壓水的減壓性降水的設(shè)計工作,以保護(hù)基坑的安全,減少對周圍環(huán)境的影響。

2)數(shù)據(jù)的有效性。基坑減壓性降水設(shè)計過程中,抽水試驗所測得數(shù)據(jù)不僅能驗證設(shè)計的減壓性降水方案的可行性,而且能指導(dǎo)基坑減壓性降水方案的優(yōu)化設(shè)計及減壓性降水措施的實施。

3)環(huán)境的控制性。根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)建立三維地下水滲流數(shù)值模型是必要的。通過數(shù)值計算獲得基坑承壓水水位的空間變化規(guī)律,驗證減壓性降水方案的可行性,以指導(dǎo)基坑減壓性降水措施的實施,減少對周邊環(huán)境的影響。

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On Pumping Test and Numerical Analysis of Station Deep Pit in Ningbo Metro

Cui Tao

To reduce the design risk during deep pit foundation construciton,it is necessary to take a dedicated drawoff testing to determine the parameters of various geological layers at the pit,especially those of the confined aquifer.In relation to complicated hydro-geological conditions in Shifu Station of Ningbo Metro,by way of various hyper draw-off testing under different pressure lowering regimes,a model has been made on the draw-off test by means of three-dimensional unsteady flow finite differentiation method and hydro-geological analysis.This conclusion of the draw-off test and findings of expert examination could provide relevant technical support for the design and construction of rail transit lines in Ningbo City.

Ningbo metro;deep pit;pumping test;finit differentiation method

TU 46+3

2009-12-10)