基坑工程地下水问题.

基坑降水计算需解决的问题杨建民，博士、副教授天津大学，土木工程系2011.11.1提纲1、基坑工程地下水问题的产生2、工程地下水问题的特点3、我国某几个典型城市的地下承压水分布4、基坑工程地下承压水要解决的问题5、地下水引发的几个典型事故案例6、工程解决方法7、设计计算方法何谓地下水？承压水隔水层潜水毛细水土壤水地面饱水带包气带不透水层上层滞水不透水层深大断裂山体海水承压水承压水潜水承压水透镜体何谓含水层？如何取得含水层的“属性”？主要依靠井流试验其他如示踪剂方法、同位素方法等根据降深－时间曲线的特征如斜率、拐点等值反演参数；应用标准曲线簇配线法；根据降深函数调试参数拟合实测曲线法；应用数值计算方法建立模型应用实测结果调试参数或优化参数法。1856年法国工程师达西Henry.Darcy达西同时代的法国人裘布依（J.Dupuit）1935年美国人泰斯（C.V.Theis）1946年，雅各布（C.E.Jacob）汉土什（M.S.Hantush）1964年，英国人博尔顿（N.S.Boulton）1975年，纽曼（S.P.Neuman）1925年，太沙基（KarlTerzaghi）承压含水层井流函数标准曲线潜水含水层井流函数标准曲线1、基坑工程地下水问题的产生70年代末：少数大型工程项目，开挖深度10米以上80年代后期、90年代：大量城市高层建筑如雨后春笋般建起，尤其是东部沿海城市经济快速发展，这些城市地势低缓，地下水丰富1996年：10层以上高层建筑达1亿多平米，100米以上超高层建筑150多幢，200米以上建筑20多幢，多带有1～3层地下室，开挖深度6～15米当前国内几个超深基坑：上海环球金融中心——27米深北京国家大剧院——32.5米深天津站交通枢纽工程——32米深润扬大桥北锚锭基坑——53米深地铁建设北京、上海、广州、天津、南京、沈阳、深圳已建杭州、苏州、武汉、沈阳、大连、长春、青岛、成都、西安将建上海环球金融中心建筑层数：地上101层、地下3层建筑高度：492米（世界第一）占地面积：14,400平米基坑直径：100米基坑面积：7855平米坑深：约27米上海环球金融中心位于陆家嘴金融贸易区,北侧为世纪大道,西侧为东泰路,东侧和南侧为规划绿化带,场地标高为+4.00m。该塔楼地面以上高度为492m,共101层,地下3层。塔楼基坑为直径100m的圆形基坑,面积约7855m2。基坑围护采用厚1m的地下连续墙,墙顶标高+1.65m,墙底标高-30.00m。基坑大部分底面标高约为-14.35m,电梯井、集水坑等最深处标高为-21.89m。该工程基坑开挖面积大,深度深,浅部为弱潜水含水层,其地下水位埋深为0.5～1.2m,水量不大,极易疏干。但基坑底部埋藏有高水头的承压含水层,分别为上更新统第Ⅰ、第Ⅱ承压含水层,中更新统第Ⅲ承压含水层,该三层承压含水层相互连通,构成了一个复合承压含水层,含水层顶标高为-23.88～-25.37m,底板标高为-138.83～-145.07,层厚度达117m左右,静水位标高约为-5.7m,对基坑底板的稳定性极为不利,为确保基坑开挖施工顺利进行,必须对下部承压含水层进行降水减压,将地下水位降至基坑底板以下。减压井基坑开挖示意图地层柱状图-37.0-24.0-19.0-13.01.02.03.淤泥质粘土粉细砂砂质粉土夹粉细砂粉质粘土粉质粘土粘土淤泥质粉质粘土填土-52.0-51.0填土滤管砂子-30.056.0-24.0-19.0粘土球井管273650+3.6（绝对标高）+3.6（绝对标高）1.65-14.15-21.89-30.0-24.0地下连续墙-55.0-3.0承压含水层212m143m46m国家大剧院占地面积2.55万平方米的主体建筑，大部分基础埋深在－26m，几个剧院的台仓部位基础最深达－32.5m，基础部位承压含水层的承压水头高于顶板2～6m，再下面一层的含水层承压水头超过顶板15m。图1北京市区工程地质背景与地下水分布条件示意图45.0024.0029.0035.000.005.0010m5m6m9m19m-26.0-32.5排桩加锚杆连续墙加锚杆连续墙帏幕⑨⑦⑤③图2地层剖面与支护方案示意图-32.5-26.0-15.5-12.5-17.5护坡桩＋锚杆连续墙＋锚杆薄壁连续墙武汉阳逻长江大桥南锚碇基坑工程外径达73米，深达46米，是目前国内最大的圆型深基坑，仅开挖土方就达16.6万立方米，竣工采用厚1.5米、内径70米，深60米的圆形地下连续墙围护，整座基坑混凝土浇灌量达21万立方米。润扬长江公路大桥北锚碇基坑是一个长70米、宽50米、高50米的巨大长方体基坑。地连墙支护结构，长236米，厚1.2米，深53米，相当于17层楼高。开挖过程中，地连墙支护结构变形较大，为保证安全，基坑外围再筑一道高喷防渗“帷幕”，形成二道防线；在“帷幕”和基坑围墙之间开挖63口深层降水、减压和观测井，加强防渗减压保障。南锚锭基坑长70.5米，宽52.5米，基坑开挖深度29米，达到基岩面。以140根直径为1.5米的嵌岩钻孔桩作为基坑的挡土结构，利用地下冻结技术在排桩外侧形成厚1.3米的冻土帷幕作为基坑的挡水结构。开挖过程中监测点温度回升至15℃，冻结止水失效，后采用液氮冻结法。施工场区平面位置如图所示。其中地下工程整体为三层，局部为地下四层结构。基坑开挖面总面积近7万平方米，地下三层结构开挖深度约23～28米，地下四层结构开挖深度约31.5米。基坑工程共分为四个标段，其中Ⅰ、Ⅱ标段采用盖挖逆作法施工，Ⅲ、Ⅳ标段为明挖法施工。目前Ⅰ、Ⅱ标段仍在施工阶段，其围护结构采用地下连续墙，厚1.2米，墙底标高分段分别至-40.5米、-45.5米、-49.9米、和-53米。第二承压层水头变化过程（帧/3天）地面沉降变化过程（帧/15天）2、工程地下水问题的特点同岩土工程：地域性强如北京、上海、天津三地差别很大基于水文地质学，但更注重工程应用，强调力学安全的定性分析，在定性的基础上讲求定量如：水文地质中影响甚微的局部透镜体含水砂层对其上部基坑可能有致命危险影响同土力学密切结合3、我国某几个典型城市的地下承压含水层分布⑦217.00(-13.11)14.90(-11.01)4.00(-0.11)2.90(0.99)中山南路⑤④②0①1-13.20(0.35)14.70(-11.15)16.50(-12.95)1.00(2.52)3.50(0.02)14.80(-11.28)17.40(-13.88)16.10(-12.33)18.50(-14.79)16.30(-12.59)8.30(-4.53)7.10(-3.33)5.70(-1.99)4.90(-1.19)16.80(-14.00)5.00(-2.20)18.00(-14.61)4.80(-1.41)3.50(-0.11)17.00(-13.45)5.00(-1.45)5.90(-6.78)11.00(-11.88)13.00(-13.88)9.80(-11.05)5.50(-6.75)3.00(-8.33)5.50(-10.83)8.20(-13.53)28.00(-24.45)23.70(-20.15)28.90(-25.01)24.00(-20.11)22.80(-19.28)29.30(-25.78)24.80(-21.03)29.00(-25.23)27.90(-24.19)24.50(-20.79)23.30(-20.50)27.70(-24.90)24.40(-21.01)28.00(-24.61)29.40(-25.85)25.50(-21.95)22.80(-23.68)19.00(-19.88)18.60(-19.85)16.50(-21.83)20.50(-25.83)20.50(-25.83)31.00(-36.33)22.80(-23.68)34.50(-35.38)37.00(-33.45)28.00(-24.61)37.00(-33.61)29.40(-25.85)27.90(-24.19)37.00(-33.29)37.00(-33.23)29.00(-25.23)⑦129.30(-25.78)37.00(-33.48)35.90(-32.01)28.90(-25.01)28.00(-24.45)36.00(-32.45)⑦1⑥⑦2⑤⑦1⑥第一类基坑降水特征图第二类基坑降水特征图第三类基坑降水特征图图1北京市区工程地质背景与地下水分布条件示意图第一含水组：埋深100米之内，潜水层——地面至埋深20米微承压含水层——埋深20～40承压含水层——40～80（100）沈阳工程地质条件较好，地铁沿线为黏性土、粉土、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土。地铁线路的车站顶板埋深，一般在地表下3.5米左右，底板埋深在地表下17米左右，地铁线路所通过的地质，既不是软土也不是岩石，而是中密至密实的砂类土及圆砾土，这种工程地质条件十分适宜修建地铁。沈阳市地下水位高，埋深一般在8.3—10.9米的地铁沿线含水层渗透系数大。这种水文地质条件对修建地铁十分不利。4、基坑工程地下承压水要解决的问题抗突涌（水压力太大引起的）如底板突水管涌、流土、潜蚀（渗流力太大引起的）如管线渗漏、流土涌砂、塌方控制地面沉降如临近建筑开裂附加好处：减少水压力、增加土体抗剪强度基坑降水要达到以下三个目的：疏干基坑内储水，为基坑开挖创造干式作业条件；降低坑底承压含水层水头，保证抗突涌稳定安全，避免渗流破坏；控制降水引起的面沉降，避免产生较大差异沉降。为此要着手从以下课题展开研究：水文地质模型识别即含水层类型判定；含水层水文地质参数反演；井点降水设计，包括井数、井距、涌水量等；抗突涌稳定演算及减压井布置和减压设计；应急分析和应急预案设计；井点降水数值计算分析；地面沉降数值计算分析。5、地下水引发的几个典型事故案例上世纪90年代，台北某地铁车站基坑采用明挖顺作法施工，基坑宽23.25m、长560m，开挖深度24.5m，基坑围护结构采用1m厚、44m深的地下连续墙。基坑地面标高+104.5m，地处台北闹市区的一条主要街道。首先封闭了主干道的北行车道，在事故区域回填约1.1万m3回填料。然而，回填料未能封堵涌水。随后启用附近600mm直径的供水主管向坑内灌水以平衡渗流水压力。最后整个560m长地铁基坑灌水至+88.0m，才将事故恶化的趋势控制住。控制住局势后，对事故发生区域的地面沉降较大的46m长中心区域(A、B、C区)采用注浆方式进行地基处理，注浆处理地基体积为2.1万m3，注浆总费用85万美元。经修复，事故发生1年后开工。上行线510环处坝址172754621上行线1400环处坝址约-29.737172175251212SK11+832.0412SK12+106.091SK11+879.6封门-9.88412312212封门-7.376611221上海地铁四号线隧道事故东基坑中基坑西基坑地下连续墙65米黄浦江完好隧道（充满水）完好隧道（充满水）江中围堰及平台完成贯通破损隧道管片对接段水平冻结垂直冰冻垂直冰冻隧道内建立混凝土封堵墙对接段水平冻结破损隧道切割清除破损隧道切割清除隧道内建立混凝土封堵墙矿山法暗挖矿山法暗挖2003年7月1日，上海地铁四号线隧道事故7月1日9时许，流沙涌入建设中的上海地铁四号(浦东南路至南浦大桥)区间隧道中的浦西联络通道，造成严重的地面沉降6、工程解决方法降水（坑内降水、坑外降水）堵水（地连墙、止水帷幕）引灌冻结灌水水中作业注浆固底7、设计计算方法规范公式，井流公式数值计算数值计算软件：MODFLOW,Feflow,Seep3DPlaxisAbaqus,Adina,Midas感谢大家！！欢迎交流探讨[e-mail]