中-弱透水互层深基坑降水方案优化研究

2022-07-13王强

铁道建筑技术 2022年6期

王强

(中国铁建大桥工程局集团有限公司设计研究院分公司天津 300300)

1 引言

近年来，因降水不当或帷幕设计缺陷而导致基坑及其周边环境破坏的案例时有发生，造成了巨大的经济损失甚至人员伤亡。大量深基坑工程事故调查及原因分析表明，地下水处理不当引起的事故占比高达22%[1]。因此，地下水控制对深基坑工程的安全施工及周边环境保护意义重大[2-4]。

近年来，国内外大量学者对此做了研究[5-6]。冯晓腊等[8]通过群井抽水试验分析了落底式止水帷幕条件下深基坑涌漏的组成及其渗流规律。张志红等[9]提出了设置悬挂式止水帷幕的深基坑控水设计优化方法，并在北京市某场地进行应用。李维宏[9]通过现场实验证实了京张高铁东花园隧道深基坑地下水与官厅水库存在水力交换，并制定了“自动降水监测及预警系统”[10]。Wang等[11]研究了井体滤水管与止水帷幕的深度对基坑降水及周边地下水动态的影响。上述研究成果提供了不同地层下基坑降水单项控制措施，但中-弱透水互层深基坑降水多措施综合治理技术的研究鲜有报道，因此综合考虑工程造价和对地下水环境保护提出系统性控制降水井数量、止水帷幕深度及滤水管插入含水层深度的技术具有重要意义。

本文以榆安隧道明挖段中-弱透水互层深基坑为工程背景，根据现场水文地质条件和抽水试验数据，分别通过理论计算、数值仿真与监测数据进行了对比，得出数值仿真能更准确反映场地地下水动态的结论。在此基础上，采用数值模拟方法对降水井数量、止水帷幕深度及滤水管插入含水层深度等主要控制措施进行研究，基于深基坑降水效果，提出了优化建议。

2 工程概况及降水设计

2.1 工程背景

榆安1号隧道起讫里程为DK32+700～DK37+250，隧道总长4 550 m，为单洞双线。该地区地层含水层主要由中透水粉砂层和弱透水粉土层构成，属于典型的中-弱透水层互层，如图1所示。区内地下水为第四系孔隙潜水，局部具微承压性，主要由含水层侧向径流补给，含水层侧向径流和人工开采排泄。

图1 研究区水文地质条件

基坑侧壁分布有较厚的粉砂中透水层和粉土弱透水层，采用止水帷幕+坑内管井进行降水。本文选取开挖深度大、地下水位降幅大的DK33+324～DK33+405段为典型研究区，对深基坑降水设计进行优化研究。研究区内基坑开挖深度25.3 m、长81 m，开挖前地下水位高程4.05 m，坑底高程约-3.7 m，如图2所示[12-13]。

图2 DK33+324～DK33+405深基坑横剖面

2.2 基坑降水设计

2.2.1 降水系统设计

按“按需排水、动态调整”的排水原则进行基坑降水。止水帷幕采用φ850＠600水泥搅拌桩，紧贴灌注桩外边缘搭设。为确保基坑在没有明水的条件下开挖土方，对地下水位高于基坑底以下0.5 m的段落采取地下水控制措施。基坑内打设降水井，降水井间距12 m，横向间距6 m，基坑两侧对称布置。水位观测井均匀布设于深基坑两长边外的土体中，距围护墙外2～3 m处。井点布置如图3所示。

图3 深基坑降水井布置

2.2.2 降水井点设计

降水井采用直径650 mm管井。管井采用反循环钻孔桩成孔，桩径0.65 m，比设计孔深超钻0.3～0.5 m作为沉砂段。井管采用φ273 mm、壁4 mm厚的钢质井管。含水层范围内设置桥式滤水管，滤水管长度大于含水层厚0.6 m。现场抽水泵型号为Q6-43/4-1.5，功率1.5 kW，流量6 m3/h，扬程43 m。配管内径40 mm，由于疏干层仍含泥砂，滤水管外包一层40目尼龙网。

3 基坑降水优化分析

3.1 理论分析

对于设置悬挂式止水帷幕的基坑，地下水绕过止水帷幕进入基坑，需考虑侧向径流补给；对于落底式止水帷幕的基坑，完全切断基坑内外的水力联系，基坑降水效果仅与抽水井的数量、抽水速率及滤水管插入深度等因素相关。

悬臂式止水帷幕条件下的基坑涌水量可按式(1)计算[9]:

式中:Qw为基坑涌水量，m3；kz为竖直方向的渗透系数，m/d；rw为等效的圆形基坑半径，m；h0为帷幕底中轴线位置等水头线的水头值，m；hd为基坑设计水位处的水头值，m；ξ为基坑内渗流路径折减系数，一般取ξ＝0.8；hc为止水帷幕插入深度，m。

根据天津市工程建设标准《建筑基坑降水工程技术规程》，落底式止水帷幕条件下基坑涌水量可按式(2)计算:

式中:Q1为基坑坑内含水层释水量，m3；Q2为坑底下伏的承压含水层越流量，m3；Δh1为基坑降水设计水位与发生越流承压含水层水头的水头差，m；Δhi为第i土层的水位降深值，m；A为基坑降水面积，m2；kv为越流范围内土层垂直等效渗透系数，m/d；μi为第i土层给水度；i为地下水位下降范围内的土层数；m为基坑降水设计水位与越流含水层顶板之间的土层厚度，m；t为基坑降水所用时间，d。

根据本工程按需排水、动态调整的特点采用非稳定流计算更为合理。可按式(3)计算抽水过程中的任一点水位降深:

式中:s为水位降深，m；H为静止水位至潜水含水层底板的距离，m；am为含水层导水系数，m2/d；K为渗透系数，m/d；r1，r2，…，rm为基坑内任一点到各降水井的距离。

从式(1)～式(3)可知，基坑涌水量及基坑内外地下水位降深和止水帷幕深度、滤水管深度、抽水井的空间分布等因素相关。为了真实反映研究区基坑降水过程，结合数值模拟分析进行三维、非均质、各向异性的地下水非稳定流计算。对比选择更为接近监测实测结果的计算方法，用于降水方案优化研究。

3.2 数值模拟

3.2.1 建立模型

为了克服边界影响，研究区模型竖向计算深度取75 m，沿深基坑横向、纵向分别取300 m、81 m，土体参数相近的概化为一层，模型根据土层分布共分为5层，参数见表1。模型四周含水层处根据稳定流计算结果设定水头边界，底部设不透水边界，井点位置设井流边界[12]。

表1 模型参数选取

3.2.2 计算方法选取及模型校核

本文选取JG-1观测井的数值模拟、理论计算结果和监测数据进行对比分析。从图4可知，数值模拟计算结果较为接近监测数据；理论计算结果与监测数据差距较大，主要是由于选用的基坑涌水量Qw为理论计算值，与实际排水量存在差异，并且未考虑三维空间各向异性的影响。因此后文采用三维模型进行优化研究。

图4 JG-1井实测曲线与理论计算、数值模拟曲线对比

3.3 优化计算结果

3.3.1 降水井数量对深基坑降水影响

基坑降水井的设计数量一般根据基坑涌水量与单井出水量之比确定。研究区的降水井设计数量为14口，为了分析降水井数量对中-弱透水互层条件下的基坑降水效果的影响程度，共计算6种工况(见表2)。

表2 降水井数量优化计算工况

基坑降水时间为地下水位降至坑底以下0.5 m所用时间。由图5可知，降水时间随降水井数量的增加而减少，曲线变化斜率逐渐减小。降水井数量在8～10口时，曲线斜率最大，每增加2口井降水时间减少35%；降水井数量在10～18口时，曲线斜率逐渐减小，每增加2口井降水时间减少20%～25%左右。结合成本进行分析(降水井每口造价约1 000元)，降水井数量为11口(A点)时，降水时间与成本之间的组合最优。优化后较原设计减少3口降水井，单井实际控制面积在180 m2左右，较原设计提高60%。

图5 基坑降水井数量、降水时间与成本关系曲线

3.3.2 止水帷幕深度对地下水位动态影响

根据止水帷幕插入中-弱透水互层深度的不同，共设计11种工况(见表3)进行计算[13]。由图6可知，坑内地下水位降深随止水帷幕深度的增加不断增大；止水帷幕在中、弱透水层以及弱透水层、隔水层之间过渡时，坑内地下水位出现突变，水位降深分别增大1.1 m、1.6 m；止水帷幕深度在16 m(B点)左右时，坑内地下水位达到设计要求；当止水帷幕深度超过17.1 m之后，继续增加止水帷幕深度对坑内地下水位的影响甚微。由图7可知，坑外地下水均呈漏斗状变化趋势，地下水位降深随止水帷幕深度的增加不断减少；止水帷幕在中、弱透水层(-10.8 m)以及弱透水层、隔水层(-17.1 m)之间过渡时，坑外同一位置处地下水位降深分别减少50%、80%；止水帷幕插入隔水层后，坑外地下水位降幅极小。根据本文数值模拟结果，建议将止水帷幕深度优化至16～17.1 m，即达到中-弱透水互层厚度的90%以上。

图6 止水帷幕深度与坑内水位变化关系曲线

图7 止水帷幕深度与坑外水位变化关系曲线

表3 模型计算工况

3.3.3 滤水管插入深度对地下水位动态影响

在保证止水帷幕深度(19.1 m)和抽水速率(100 m3/d)不变的条件下，分析不同工况(见表4)下深基坑内地下水位随滤水管插入中-弱透水互层深度变化。由图8可知，各工况下降水速率呈先快后平缓的变化趋势。随滤水管插入深度逐渐增大，坑内降水效果越来越好。滤水管深度在10.8～13.4 m(含水层厚度0.6～0.8倍范围)工况下，坑内降水效果最为理想；滤水管深度超过13.4 m之后，降水时间增加，降水效率减小。故在深基坑降水设计时，滤水管深度宜控制在0.6～0.8倍中-弱透水互层厚度范围内，且需控制在止水帷幕墙底2 m以上。