宁波轨道交通某车站深基坑工程承压水降压抽水试验及数值模拟

2012-07-05张国良

城市轨道交通研究 2012年3期

张国良

（中铁十三局集团第三工程有限公司，124021，盘锦，辽宁省∥工程师）

宁波轨道交通1号线一期工程某车站位于中山东路下，为地下三层岛式车站。车站为双柱3跨结构，长为172 m，宽为19.3 m，站台中心处基坑最大开挖深度约24.4 m，标准段基坑深度为22.3～22.6 m，端头井基坑深度为23.96 m。围护结构采用1 000 mm厚的地下连续墙，在西端站台处插入深度约42.0m（位于⑤5层砂质粉土层底部），在标准段插入深度约40.0m（位于⑤5层砂质粉土层），在东端头井插入深度约43.0m（位于⑥2层粉质黏土层顶部）。地下连续墙穿越主要地层的物理力学指标见表1所示。

本工程主体结构的基坑采用6道支撑系统，首道为钢筋混凝土支撑。下二层板采用逆作法施工，在下二层板及坑底采用抽条加裙边进行加固。

试验井所处地质及水文地质条件复杂，周边环境复杂，能否安全解决承压水问题并有效控制对环境的影响，是本工程设计及施工的关键因素之一。

1 车站基坑突涌稳定计算

基坑开挖范围内（①1－1层—⑤2层）多以淤泥质及软塑状土层为主。根据岩土工程勘察报告和设计图纸，基坑坑底进入④2层粉质黏土底部，其下部第⑤3、⑤5层的承压水有突涌的可能性。采用安全系数法对不同开挖深度的基坑进行安全突涌可能性计算，计算结果见表2。

根据计算结果，在基坑开挖过程中，第⑤3、⑤5层承压含水层会对车站主体结构开挖有影响，可能造成突涌现象。为确保基坑施工安全，需对其进行减压处理。为有效控制地下水及减小降水对周边环境的不利影响，需要准确分析本工程场地的水文地质特征，对承压含水层进行专项承压水抽水试验。

2 抽水试验过程及分析

抽水试验利用基坑内已有降水井进行，编号为J1—J6、JG1、JG2，共有8口试验井，另外还有坑外观测井G1、G2。抽水试验井位置见图1，试验井结构见图2。结合承压含水层第⑤3、⑤5层单井涌水量小且降深较大，本试验进行单落程非稳定流抽水试验。

表1 地下连续墙穿越土层的主要物理力学指标

表2 基坑突涌可能性计算表

先采用单孔抽水试验，通过其它孔观测承压水水头，以进行非稳定流抽水试验，获取水文地质参数。

当单孔抽水试验结束后，水位完全恢复时，进行4组群井抽水试验。群井抽水试验分为2口井试验、3口井群井试验和6口井群井试验，并通过观测井观测基坑内外水位变化情况。

图1 抽水试验井布置示意图

图2 抽水试验井结构示意图

2.1 单井抽水试验

根据单井抽水试验获得的曲线（见图3所示），利用Aquifer test抽水试验软件，对试验期间的数据进行参数求解，求得第⑤3、⑤5层渗透系数约3.74×10－4cm／s，贮水系数为2.97×10－4。

2.2 群井抽水试验

在单井试验后，进行了两组不同降深的6井群井抽水试验。抽水从2009年7月2日7：50开始至7月7日9：00结束，坑内减压降水24h，其余为水位恢复时间。水泵下入深度为30～35m，单井涌水量1.5～2.5m3／h。试验结果如图4、图5所示。经本组试验验证，在抽水24h后，基坑内观测孔水位降深达17.5m以上，能满足基坑安全降深要求。

3 三维渗流数值模拟

采用国际上常用的Visual Modflow地下水渗流数值模拟软件（4.0版）进行水文模型数值模拟计算。根据场区的实际水文地质结构条件及几何形状进行三维剖分。因承压含水层渗透性大，确定以基坑中心点为基点、各方向延伸1 000m作为模拟计算区域。模型的水文地质参数根据勘察报告提供的地质资料及试验取得的水文地质参数等进行实际等效处理，承压含水层模型边界采用通用水头进行处理。

利用抽水试验期间取得的观测资料进行验证，利用实际条件下抽水情况进行模型计算，得出模型计算观测孔水位与实测水位对比，如s－t（水位－时间）曲线图，具体验证如下。

3.1 单井抽水试验数值模型识别与验证

单井试验时，J2井抽水时间为675min，单井涌水量约2.5m3／h，且围护结构施工已完成。数值验证采用相同条件进行验证。其观测孔J3的实测数据与模型计算曲线拟合如图6所示。

图6 观测孔J3的水位拟合曲线图

通过对数值模型的识别与验证，数值模拟的结果与实测的观测井数据基本一致，该数值模型比较符合实际。

3.2 群井抽水试验数值模型识别与验证

群井试验时，J2—J5、JG1、JG2井的抽水时间为115h，单井涌水量约1.0～2.0m3／h，且围护结构施工已完成。数值验证采用相同条件进行验证。其坑内观测孔J6和坑外观测孔G2的实测数据与模型计算曲线拟合如图7、图8所示。

通过对数值模型的识别与验证，数值模拟的结果与实测的观测井数据基本一致，数值模型比较符合实际。

经两组抽水试验数据的模拟拟合验证，建立的三维渗流数值模型与实际抽水试验情况较吻合，能够反映实际条件下的地下水渗流情况。因此，可采用三维渗流数值模拟的方法来验证降水方案的可行性，进行各工况下按需降水模拟、减压期间地下水动态特征状况预测，以及对周边环境的影响性分析。

4 承压水减压方案设计

4.1 承压水减压方案

根据抽水试验期间地下水位观测资料，按最不利条件下进行减压降水设计。实际施工时可根据实际情况进行基坑降水控制，根据观测孔水位来调整减压运行方案，在满足基坑安全施工的同时，做到按需降水，减小对周边环境的影响。本基坑内共布置减压井6口，观测兼备用井2口，具体平面位置同图1，井的结构同图2。

图9 各工况运行控制（横断面）图

表3 减压降水各工况运行控制表

根据施工工况编制表3及图9，并以此为依据进行减压模拟预测。当基坑开挖至－14.1m时，在下一层土开始开挖的前一天启动减压井，直到基坑开挖至－17.9m，

承压水水位控制在－9.7m；在下一层土开挖前继续进行减压降水，在基坑开挖至－21.0m时，承压水水位控制在－15.0m；在基坑开挖至底板及底板施工，

直到底板强度达到设计强度的80%以上时，承压水水位控制在－20.7m。在底板强度尚未达到设计强度的80%以上时Fs以1.10进行控制。当底板强度达80%以上时，因下二层板逆作法施工，基坑安全水位可控制在－11.7m，当下一层板施工时基坑安全水位可控制在－8.0m，直到顶板施工，基坑满足抗浮要求后，停止减压降水。此阶段Fs以1.00进行控制。

4.2 减压方案数值模拟

4.2.1 开挖阶段降水控制模拟

在基坑开挖至－14.1m时，根据突涌可能性计算需要开启降压井。在基坑开挖至－17.9m前基坑范围内第⑤3、⑤5层最小安全降深为6.4m（即水位埋深为－9.7m）。

开启降压井J1、J3、J6进行降压，单井涌水量20.0～25.0m3／d，预测此阶段须减压降水10d。

在持续减压抽水10d后基坑内降深为6.6m，基坑外侧100m范围内降深在1.0～3.5m。此时基坑内承压水水位能够满足基坑安全开挖至17.9m的要求。

在基坑开挖至－17.9m～－21.0m时，第⑤3、⑤5层最小安全降深为11.7m（即水位埋深－15.0m）。开启降压井J1—J6进行降压，单井涌水量为20.0～25.0m3／d，水泵放置在降压井20～25m深度附近。由数值计算可知，在持续减压抽水20d后基坑内降深在12.0m左右，基坑外侧100m范围内降深在3.0～7.0m。此时基坑内承压水水位能够满足基坑安全开挖至－21.0m要求。

在基坑开挖至底板范围内第⑤3、⑤5层时，最小安全降深为17.4m（即水位埋深－20.7m）。开启降压井J1—J6进行降压，单井涌水量为30.0～60.0m3／d，在持续减压抽水40d后基坑内降深为18.2m，基坑外侧100m范围内降深为4.0～10.0m。此时基坑内承压水水位能够满足基坑安全开挖和底板施工的要求。

4.2.2 底板浇筑阶段降水控制模拟

在基坑底板施工直至其强度达到设计强度的80%期间第⑤3、⑤5层最小安全降深为17.4m（即水位埋深－20.7m）。开启降压井J1—J6进行降压，单井涌水量为30.0～60.0m3／d，水泵在井内放置在－30～－35m深度，在持续减压抽水20d后基坑内降深为18.2m，基坑外侧100m范围内降深为4.0～10.0m。此时基坑内承压水水位能够满足基坑的安全开挖和底板的施工要求。

4.2.3 底板浇筑后的降水控制模拟

在底板浇筑后，底板强度达到一定强度，能够抵抗部分承压水顶托力时，宜减少启动的降压井数量。具体开启的降压井数量宜由设计单位根据底板及结构强度进行计算后确定，具体水位降深和降压性降水持续时间应根据计算后确定。

底板强度达设计强度的80%以上且在上一层板施工前，开启降压井J1、J3、J6进行降压。单井涌水量为30.0～40.0m3／d，水泵在井内放置在－20～－25m深度，在持续减压抽水30d后基坑内降深为11.0m左右，基坑外侧100m范围内降深为3.0～5.5m。

上一层板施工后，开启降压井J1、J6进行降压，单井涌水量为20.0～30.0m3／d，在持续减压抽水20d后基坑内降深为5.0m左右，基坑外侧100m范围内降深为2.0～2.5m。