柴达木盆地深基坑降水方法研究及应用

柴达木盆地深基坑降水方法研究及应用摘要：结合地表动态降水和边坡支护在青海矿业煤基多联产项目中火车翻车机房基坑的应用，对地表井点降水引起的地面沉降和位移进行分析，采取措施防止地表沉降过大，从而使得基坑稳定。关键词：深基坑；动态井点降水；地表沉降；边坡支护0前言根据中华人民共和国住房和城乡建设部于二○○九年五月十三日发布《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》中的附属文件，深基坑工程为：（一）开挖深度超过5m（含5m）的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。（二）开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑（构筑）物安全的基坑（槽）的土方开挖、支护、降水工程。在大型工程建设中，很多情况下遇到的都是深基坑工程，针对深基坑工程，很多学者都做出了各方面的研究。金小荣[1]通过研究影响基坑周围土体沉降的3个主要因素：弹性模量、降水深度、渗透系数，利用二维有限元分析了它们对基坑周围土体沉降形状的影响。认为弹性模量越小，沉降越大；降水深度越大，沉降越大；渗透系数越大，沉降越大。同时通过建立二维有限元模型，研究了工程上采用的回灌和止水措施对减小地表变形的作用。研究表明，使用回灌井、回灌沟或止水帷幕措施可减小地表总沉降和不均匀沉降。耿冬青[2]从理论上分析了降水引起地面沉降的原因及土层变形机理，根据计算土层压缩变形的公式，寻求了一种较为简易准确的方法对降水区土层压缩变形进行计算，将之应用于工程实践取得良好效果，为今后工程降水对周边环境的影响评价提供了方便。杜春生[3]结合沈阳地铁工程张-沈区间的降水的实例研究了地表动态井点降水在砂质地层的应用，通过布置管井对该区间进行降水，控制沉降，保证了管线安全，加快了施工进度，为总体工期赢得了宝贵的时间。贾三满[4]通过研究北京地区的地面沉降与降水的关系，对北京平原区含水岩层和压缩层进行了划分。对天竺地区两个不同深度土层压缩固结试验，及地面沉降站分层标和地下水位2005年具体监测数据分析，认为北京平原区地面沉降主要是超量抽汲地下水造成的，地层岩性及其结构特征是产生地面沉降的重要地质背景，地下水开采是地面产生沉降的直接诱因。地面沉降主要发生在黏性土层中，相同条件下，黏性土单位沉降量明显大于砂层、砂卵石单位沉降量。黄颂扬[5]通过对南宁盆地典型二元结构特征地层的基坑降水方法与应用的研究，确定出使用管井的基坑降水方法，建立了南宁盆地二元结构地层水文地质概念模型，探讨了降水相关参数的选取，总结了单井有效抽水面积，利用分层总和法研究降水对地面沉降的影响，采用GMS地下水模拟软件对降水水位进行预测，预测结果与实测结果吻合较好。对于高海拔、高涌水量、高不稳定性的深基坑研究则较少，本文拟结合位于青海省境内柴达木盆地上的青海矿业煤基多联产项目火车翻车机房的深基坑工程对这种深基坑进行研究。1工程概述火车翻车机房为青海矿业煤基多联产项目的一个重要部分，项目址位于察汗诺洼地中部，总体地势南北两侧高，中间低，即南北两大山夹一洼地，南侧高山德额日德山海拔达4333m，北侧高山阿斯塔夏乌嘎尔山海拔高程达4338.8m。拟建厂区最低位于洼地东侧，海拔高程3295m。察汗诺洼地湖泊沼泽集水水源由南北两侧高海拔山地的瞬时洪流和基岩风化裂隙潜水组成。火车翻车机房、翻车机房10kV变电所处在厂区北侧地下水位埋深在5.00—7.90m，其标高为3290.57—3290.76m，含水层主要为细砂层，为大气降水和高阶地地下水及高阶地地下水补给，勘察期为枯水期，在丰水期水位上升约0.5—1.0m。经简易抽水试验，场地地下水的渗透系数K为40m/d，影响半径R为40m。基坑底板深18.9m，开挖形式如图1所示。图1、基坑开挖形式2地表井点降水设计方案2.1井点选择类型井点降低地下水水位的方法和设备选择，应根据施工现场的砂质岩层渗透系数，施工要求降低地下水水位深度及工程特点，进行技术、经济节能比较后确定。依据设计院所提供的火车翻车机房地质资料，对降水井点进行环形布置，经过现场试验对比(单层轻型井点、多层轻型井点、喷射井点、管井井点、砂渗井点及真空吸水降水等)，考虑降水井使用条件和水位降低深度要求，青海矿业煤基多联产项目火车翻车机房基坑采用管井井点降水施工方案。2.2降水设计原则和主要设计参数针对本工程施工环境和现场条件：(1)降水施工不能影响地面交通，不得影响周边环境。(2)降水施工方案设计必须考虑对地表沉降、对周边建筑物的影响。(3)降水井距基坑外缘最小距离不小于1.2m。(4)基坑底施工需要无水作业，地下水疏干需要一定的周期，而地下砂层透水系数非常大，因此，必须保证开挖面至未开挖地段50m范围内的降水井同时降水。降水井采用管井井点，管井井点的沉设采用钻孔法施工，井管采用内径为Φ800mm的无砂管，无砂管外侧四周包2层密目滤网，密目网外侧用6号铁丝绕成螺旋状保护层，每2节无砂管之间用宽为5cm的竹片夹绑。无砂管四周填充3～15mm的碎石滤料保护层，孔口3～5m用黏土封填并夯实，降水井结构如图2所示。图2降水井结构示意(单位：mm)2.3降水井施工要点在技术放设的点位施工围挡，砌筑泥浆池、施工排水管道和布置降水设备。降水井采用QJ200—1型反循环工程钻机(配星型钻头)，钻孔过程中使用的泥浆护壁用离心泵抽至泥浆运输车运走。钻至设计高程后及时下放无砂管，然后稀释泥浆比重接近1．08，在无砂管四周投放碎石滤料，最后进行洗井工作，洗井完毕，在孔口填塞黏土并下泵抽水。降水井施工过程中要注意以下几点：(1)降水井护筒外侧必须用黏土封堵密实，防止钻井施工用水渗漏造成塌孔；(2)水井施工到设计深度时，必须经现场技术人员验收合格后，方可进行下阶段操作；(3)井管系统安装完毕后进行试抽水记录出水量及水位变化情况，检算降水井降水能力，以备及时调整降水方案，并保证基坑内水位在开挖面1．0m以下：(4)降水工作与开挖施工密切配合，根据开挖的顺序、开挖的进度等情况及时调整降水井的运行数量；(5)受潜水含水层底板凹凸不平的影响，或存在局部黏性土夹层，在含水层底部会产生残留水，这部分水若处理不好将带出地层中大量的细粒物质，使基坑边土扰动出现坍塌，影响基坑开挖和基础施工。出现这种情况应放慢开挖速度，及时采取措施防止水流将基坑底细粒物质带走造成基底土扰动。(6)在降水井施工时，优先采用泵吸反循环工艺，严格控制泥浆稠度，保证井壁稳定；防止因抽取地下水带出地层细颗粒物质造成地面沉陷，抽出的水含砂量粗砂含量1／50000，中砂含量1／20000，细砂含量1／100003降水监测工作(1)降水前对自然水位进行统一量测并形成表格资料。(2)降水井运行后在水位未达到设计深度前，必须对降水井水位、出水量每天进行3次观测。(3)降水期间监测组必须对降水井、观测井、基坑底部水位和地表沉降进行同步监测。(4)水位达到设计深度并且基坑底部水位稳定以后，每天观测1次。(5)对监测结果进行记录、分析整理，绘制出水量Q与时间t和水位降低值h的过程变化曲线；分析水位出水量下降趋势，预测实现设计降水深度所需时间。(6)选择具有代表性的管井，在降水监测期和水位维护期前后各采集水样作水质分析。抽取水样含砂率应符合有关规定，发现含砂率过大要及时分析原因并采取处理措施，防止泥砂流失引起地面沉降。(7)根据地下水水位、降水井排水量及基坑作业面的水位变化情况，及时判断降水情况是否正常，若出现异常现象及时调查产生原因，提出补救措施保证降水达到施工要求。(8)加强地表沉降观测，地表沉降s与降水时间t的变化曲线、沉降速率，分析沉降趋势。当通过沉降监测发现沉降已达到预警标准时，应及时查明引起沉降的具体原因，并应根据建筑物沉降的情况采取回灌、注浆等措施处理。4降水计算基坑总涌水量（方坑部分）：Q=3.14k{(H2-h2)/[ln(1+R/r0)+（(hm-l)/l)*ln(1+0.2hm/r0)｝=22959m3hm=(H+h)/2式中：Q,基坑总涌水量；k,渗透系数，25m/d；H,含水层厚度，取60m；h,降水后基坑内的水位高度，43m；R，降水影响半径，R=2Sw(kH)1/2=1317m，Sw,井水位降深，取17m；r0,基坑等效半径，m；r0=(A/3.14)=43.2m，A，基坑面积，A=L×B=93×63=5859m2；l，过滤器进水部分长度，取4m。管井的出水能力q0=120×3.14×rslk(1/3)=882m3；rs，过滤器半径，取0.2m；拟采用30m3/h的潜水泵，每天出水量720m3/d；降水井数n=1.1Q/720=35。地下皮带走廊部分降水井间距参考方坑部分布设，共10口井。合计45口井，另在坑定布设2口观测井，兼顾降水。当单井出水量过大时，增加单井泵数。井点布置如图3所示：图3井点布置图5基坑的边坡支护由于基坑的深度达到18.9m，随着基坑的开挖，对于基坑的稳定控制越来越重要，针对基坑边坡的支护，采取以下系列措施：（1）从基坑顶部到基坑底部，经过三级放坡。其中第一级放坡从地表高程+4.1m处到高程+0.8m处，放坡比例1:1.5。第二级放坡从+0.8m处到-4.0m处，放坡比例1:1.3。第三级放坡从-4.0m处到-11.5m处，放坡比例1:1。从-11.5m到-18.9m处未经放坡处理，垂直到底。其中第一级放坡平台宽3m，第二级放坡平台宽2m，第三级放坡平台宽2.3m，如图4。（2）对基坑边坡采取喷射混凝土护面，从距基坑边缘1.5m的地表知道坑底。在喷射混凝土之前在土质边坡上覆盖10目的钢板网，钢板网用Φ12的螺纹钢筋固定于边坡表面，混凝土强度采用C20。（3）对第三级放坡使用土钉墙进行支护，从上到下共有四排土钉，横向间距1.5m。（4）对-11.5m处到-18.9m处垂直下落段使用悬挂式止水帷幕，止水帷幕用直径1m的护坡桩中间配0.6m高压旋喷桩，护坡桩深入基坑底10m，高压旋喷桩深入基坑底2m，止水帷幕顶端加筑一圈冠梁。（5）对于止水帷幕，采用锚索锚固在土体上，设置两道腰梁，使锚索一端锚固在腰梁上，腰梁采用22号槽钢。支护图如图4所示。图4基坑边坡支护6监测（1）基坑开挖完成，全部降水井都开始工作，都能够正常降水，由于某些井出水量较大，增加了12台泵在分布在部分降水井里。基坑底部换填1m碎石，使得基坑底部的水流能够在砂石垫层内横向流动，使得基坑底部无明水，基坑可以顺利进行施工。对基坑总的出水量进行监测，在集水管末端有一段直圆管，在直圆管前端投下一个乒乓球，开始计时，直到乒乓球从直圆管末端冲出，计时结束，历时t。测量直圆管的过水断面弦长，计算过水断面面积，测量直圆管前段和后端过水断面面积求平均面积A。直圆管长度l。结果测量，结果如下。历时t（s）长度l（m）面积A（m2）流量Q（m3/d）4343.3393.30.22441669.794344后期对降水井中的水位进行持续测量，各降水井中水位基本维持在一个固定的高度，没有出现大幅变化。（2）从基坑开挖之前在基坑周围设置沉降观测点，并且随着基坑开挖的进行，在不同高度处设置沉降观测点，基坑开挖完成之后，持续观测基坑沉降。在开挖初期，变形较大，后期沉降逐渐稳定。结果如图5所示。由于基坑开挖完成之后，对于基坑底鼓现象的监测显示，基坑底部并未出现底鼓现象。图5、沉降观测结果7结语建设工地周围人烟稀少，在沉降范围之内没有建筑物存在，故而对于周围沉降控制并无太多要求。但是项目处在盆地内，而且土层主要为细砂层，周围有水源，其含水量巨大，降水和边坡支护为其最主要问题。（1）经过布设多层环形降水井点，是火车翻车机房在整个建设周期内都处在一个相对干燥的施工环境中。（2）采取多种边坡支护方式同时保证边坡的安全，其中采用的悬挂式止水帷幕即能起到保护边坡安全的作用，又能够降低坑内排水压力。参考文献：[1]金小荣,俞建霖,祝哨晨,龚晓南.基坑降水引起周围土体沉降形状分析[J].岩土力学,2005,26(10):1575-1581.JINXiao-rong,YUJian-lin,ZHUShao-chen,GONGXiao-nan.Anal