龍治國(guó),宋增輝,李翔
(武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430022)
武漢市內(nèi)江河縱橫、湖港交織,水域面積占全市總面積的四分之一。近年來(lái),隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展,長(zhǎng)江、漢江兩岸高樓林立,大型濱江商務(wù)區(qū)相繼開(kāi)建。漢口臨江地區(qū)在地貌單元上多表現(xiàn)為長(zhǎng)江沖積Ⅰ級(jí)階地,第四系覆蓋層具典型的上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu),上覆以黏性土為主,往下逐漸出現(xiàn)砂土,且顆粒由細(xì)變粗,砂土中地下水含量豐富,與長(zhǎng)江、漢江具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系[1]。為保持該區(qū)域深基坑工程在干燥、安全的環(huán)境下開(kāi)挖施工,通常要通過(guò)降水使地下水位下降到開(kāi)挖面以下。地下水的抽取,必然使基坑周圍地下水滲流場(chǎng)發(fā)生改變,會(huì)在基坑周圍形成漏斗狀的彎曲水面,即所謂的“降水漏斗”[2]。降水漏斗的曲面趨于穩(wěn)定后,就必然造成基坑周圍地面的不均勻固結(jié)沉降,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起周圍建筑物、地下管線的傾斜或開(kāi)裂,會(huì)給周圍環(huán)境帶來(lái)巨大的風(fēng)險(xiǎn)。
本文結(jié)合武漢臨江地區(qū)周大福金融中心深基坑抽水試驗(yàn),計(jì)算獲得武漢臨江地區(qū)水文地質(zhì)參數(shù),并通過(guò)地面監(jiān)測(cè)成果及數(shù)值模擬反演驗(yàn)證結(jié)果合理性。最后,在此基礎(chǔ)上分析預(yù)測(cè)了基坑降水階段對(duì)周邊環(huán)境的影響。
周大福金融中心項(xiàng)目位于武漢市江岸區(qū)漢口濱江國(guó)際商務(wù)區(qū)內(nèi),長(zhǎng)江二橋與二七長(zhǎng)江大橋之間,東鄰沿江大道,西鄰解放大道,南鄰二七路。擬建項(xiàng)目1#辦公大樓層數(shù)85F,高度約 442.3 m,建筑高度 475.0 m,修建后將成為武漢臨江地區(qū)濱江商務(wù)區(qū)標(biāo)志性建筑?;娱_(kāi)挖面積達(dá)到6萬(wàn)平方米,挖深達(dá) 30 m~32 m,為超大超深基坑。基坑北側(cè)緊鄰運(yùn)營(yíng)中的軌道交通1號(hào)線,北側(cè)及西側(cè)緊貼濱江商務(wù)區(qū)地下環(huán)路,周邊環(huán)境極其復(fù)雜?;拥茁湓?4-2-1)層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂、(4-3)層細(xì)中砂上,南側(cè)距離長(zhǎng)江堤防不足 500 m,砂礫石層中的地下水與長(zhǎng)江有較強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系。地下水降水對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響,是本基坑工程的重點(diǎn)之一。本工程具體地層結(jié)構(gòu)如表1所示。
地層結(jié)構(gòu)表 表1
單井抽水試驗(yàn)的目的主要查明砂礫層(承壓含水層)的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。單井抽水試驗(yàn)共布設(shè)兩組,每組3口井,即1個(gè)抽水井,2個(gè)觀測(cè)井,每組3個(gè)落程。各井平面位置如圖1所示。
其中,單井抽水試驗(yàn)井間距與井身結(jié)構(gòu)如下:抽水井與觀測(cè)井間距 30.0 m~50.0 m,井深 40 m~45 m,井徑 300 mm,成孔孔徑 600 mm;上部 10 m為實(shí)管,中部 30 m~45 m為過(guò)濾管,底部 2 m為沉淀管。井孔間上部填充材料為黏土球,中下部為中粗砂;深井泵置于井深 22 m~25 m處。抽水試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)信息如表2所示。
圖1 各井平面位置圖
井身結(jié)構(gòu)信息表 表2
每組單井抽水試驗(yàn)單井抽水歷時(shí) 24 h,穩(wěn)定觀測(cè) 9 h。根據(jù)井管井身結(jié)構(gòu)圖,濾水管和含水層比值大于0.9,按完整井考慮。依據(jù)《基坑降水手冊(cè)》[3],利用抽水井流量及水位下降資料,計(jì)算相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示。
單井抽水試驗(yàn)成果表 表3
綜上,場(chǎng)地承壓含水層滲透系數(shù)K介于 15.30 m/d~26.51 m/d之間,取綜合平均值K=20.86 m/d;其影響半徑R介于 157 m~331 m之間,取綜合平均值R=231 m;導(dǎo)水系數(shù)T于 459 m2/d~795 m2/d之間,取綜合平均值T=626 m2/d。
群井抽水試驗(yàn)共布設(shè)一組,共7口井,即4個(gè)抽水井,3個(gè)觀測(cè)井。Q1、Q2、Q3、Q4抽水井,Q5、Q6、Q7觀測(cè)井,各井平面位置如圖1所示。群井抽水歷時(shí)10天,穩(wěn)定觀測(cè)8天。
地表沉降監(jiān)測(cè)與抽水試驗(yàn)同步進(jìn)行,地面沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)成網(wǎng)狀形式,布置范圍為以群井試驗(yàn)區(qū)為中心的 80 m×80 m范圍內(nèi)。按監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距 10 m,地面沉降標(biāo)數(shù)量為9×9=81個(gè)。每天監(jiān)測(cè)1次,水位穩(wěn)定后觀測(cè)頻率為2天1次,并連續(xù)觀測(cè)不少于2次。地表沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。
圖2 地表沉降觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖
試驗(yàn)期間,當(dāng)承壓含水層抽水時(shí),承壓水位在起始階段快速下降,其后逐漸平緩且趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)抽水井水量大,兩組單井抽水試驗(yàn)流量在 44.5 m3/h~73.8 m3/h之間,降深在 3.07 m~8.47 m之間。離抽水區(qū)域近的觀測(cè)井承壓水位降深大,位置相對(duì)較遠(yuǎn)的觀測(cè)井承壓水位降深小。抽水時(shí)觀測(cè)井水位響應(yīng)速率快,地下水位反應(yīng)靈敏。抽水井流量較為穩(wěn)定,且抽水井在停止抽水后地下水位恢復(fù)快,表明地下承壓水補(bǔ)給量大、徑流、排泄條件好。雖多口降水井同時(shí)抽水時(shí)可使地下水位降深變大,但相互之間存在影響,不是單純的降水效果的疊加,存在著群井抽水的阻力系數(shù)。抽水歷時(shí)10天,穩(wěn)定觀測(cè)8天后,地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)以群井試驗(yàn)區(qū)為中心,呈現(xiàn)越靠近降水試驗(yàn)區(qū),地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積沉降越大的漏斗趨勢(shì),沉降中心累積沉降量最大值為 10.9 mm。地表沉降累積值三維立體圖如圖3所示。
圖3 地表沉降累積值三維立體圖
采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中降水引起的地層變形計(jì)算公式對(duì)本工程進(jìn)行計(jì)算,其計(jì)算公式如下:
計(jì)算結(jié)果表明,沉降中心累積沉降量最大值為 10.2 mm,與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。
采用有限元軟件進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的反演計(jì)算,取得有限元計(jì)算模型的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)勘察結(jié)果,將工程場(chǎng)地地層由上至下依次概化為4層:①填土,層厚 6.0 m;②黏土,層厚 4.0 m;③砂層,層厚 35.0 m;④巖層,層厚 35 m?;娱_(kāi)挖深度為 30 m,場(chǎng)地初始地下水位埋深 -12.0 m,以基坑開(kāi)挖深度3倍~5倍影響范圍為原則,建立計(jì)算模型[5]。模型計(jì)算參數(shù)如表4所示。
模型計(jì)算參數(shù)表 表4
根據(jù)群井抽水試驗(yàn),布設(shè)4口抽水井,單井抽水量 65 m3/天,共降水10天。群井抽水試驗(yàn)反演計(jì)算模型如圖4所示。
圖4 群井抽水試驗(yàn)反演計(jì)算模型
降水10天并穩(wěn)定8天后的沉降位移量云圖如圖5所示。
圖5 群井抽水后的沉降位移量云圖
最大沉降位于群井中心,位移量為 9.51 mm。位移量以群井中心為圓心外擴(kuò),位移量逐漸減小至 0 mm。模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)基本一致,模型參數(shù)合理,驗(yàn)證模型構(gòu)建正確。
現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果、規(guī)范公式理論計(jì)算、數(shù)值模擬三種方法得出的最大沉降量如表5所示。
三種方法的最大沉降量結(jié)果對(duì)比 表5
結(jié)果表明,現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的沉降量最大,規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果次之,數(shù)值模擬的結(jié)果最小。
根據(jù)降水建議方案,本工程基坑外圍布設(shè)落底式止水帷幕,坑內(nèi)水位最終降至開(kāi)挖深度下 1 m。基坑北側(cè)緊鄰運(yùn)營(yíng)中的軌道交通1號(hào)線,北側(cè)及西側(cè)緊貼濱江商務(wù)區(qū)地下環(huán)路,計(jì)算模型構(gòu)建如圖6所示。
圖6 對(duì)臨近環(huán)境影響計(jì)算模型
對(duì)基坑模型進(jìn)行三維滲流-應(yīng)力耦合計(jì)算,降水后地表沉降量最大 21.30 mm,沉降主要以坑內(nèi)擬開(kāi)挖土體為主。沉降量等值線如圖7所示。
圖7 降水后地表沉降量等值線圖
將計(jì)算模型中輕軌網(wǎng)格單獨(dú)隔離,計(jì)算輕軌沉降量如圖8所示。
圖8 降水后輕軌區(qū)間沉降量云圖
計(jì)算結(jié)果表明,輕軌的較大沉降分布于輕軌各橋墩位置,最大位移沉降量為 0.64 mm。
將計(jì)算模型中地下環(huán)路網(wǎng)格單獨(dú)隔離,計(jì)算地下環(huán)路沉降量如圖9所示。
圖9 降水后地下環(huán)路沉降量云圖
計(jì)算結(jié)果表明,沉降區(qū)域主要為基坑開(kāi)挖范圍內(nèi),最大位移沉降量為 3.36 mm。
隨著武漢臨江地區(qū)工程建設(shè)的快速發(fā)展,深基坑工程的降水設(shè)計(jì)施工不容忽視。通過(guò)群井抽水試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù),結(jié)合地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證三維滲流—應(yīng)力耦合模型,合理預(yù)測(cè)施工降水期間的地表沉降量。本文結(jié)合武漢臨江地區(qū)地標(biāo)項(xiàng)目—周大福金融中心,通過(guò)抽水試驗(yàn)獲取水文地質(zhì)參數(shù),建立有限元計(jì)算模型,預(yù)測(cè)基坑降水對(duì)周邊輕軌及地下環(huán)路的影響,以期為后期武漢臨江地區(qū)類似工程基坑降水設(shè)計(jì)提供參考及指導(dǎo)。