崔 濤

(北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院,100044,北京∥高級(jí)工程師)

寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗(yàn)及數(shù)值分析

崔 濤

(北京交通大學(xué)土木工程建筑學(xué)院,100044,北京∥高級(jí)工程師)

為降低深基坑工程的設(shè)計(jì)與施工風(fēng)險(xiǎn),有必要通過(guò)抽水試驗(yàn)確定各地層(特別是承壓含水層)的水文地質(zhì)參數(shù)。針對(duì)寧波地鐵市府站的復(fù)雜水文地質(zhì)條件,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)不同降壓工況的抽水試驗(yàn),并運(yùn)用三維非穩(wěn)定流有限差分法進(jìn)行了數(shù)值模擬及水文地質(zhì)分析。該抽水試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)、施工及風(fēng)險(xiǎn)控制提供了依據(jù),尤其是對(duì)于寧波地區(qū)后續(xù)軌道交通線路的建設(shè)具有借鑒作用。

寧波地鐵;深基坑;抽水試驗(yàn);有限差分法

Author's addressCollege of Civil Engineering,Beijing Transpotation University,100044,Beijing,China

寧波地鐵市府站是寧波地區(qū)首批開(kāi)工建設(shè)的地鐵車(chē)站之一,站內(nèi)地鐵1、2號(hào)線呈上下十字交叉,1、2號(hào)線間設(shè)有聯(lián)絡(luò)線連接,地區(qū)內(nèi)尚無(wú)同類(lèi)工程的施工經(jīng)驗(yàn)。寧波地鐵1號(hào)線市府站的車(chē)站基坑寬20.5～24.8 m,長(zhǎng)約168.6 m;西端頭井基坑深為25.3 m,標(biāo)準(zhǔn)段基坑深約23.8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)為1000 mm厚地下連續(xù)墻,深46～49 m;沿基坑深度方向水平設(shè)置六道支撐及一道臨時(shí)支撐。其中第一道為鋼筋混凝土支撐,第五道支撐結(jié)合下二層板邊框架逆作,其余均為鋼支撐。

試驗(yàn)井所處地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,抽水初期恢復(fù)比率大(水位恢復(fù)時(shí)觀測(cè)孔10 min恢復(fù)水位40%左右)、單井出水量大(單井開(kāi)采量800～1500 m3/d)、靜止水位高(距地表僅為5.0 m)、周邊環(huán)境復(fù)雜(毗鄰市政府、鬧市區(qū),建構(gòu)筑物密集)。能否安全解決承壓水問(wèn)題,并有效控制對(duì)環(huán)境的影響,是本工程設(shè)計(jì)及施工的關(guān)鍵因素之一。

1 車(chē)站基坑地質(zhì)條件及突涌性計(jì)算

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)(①1-1層-⑤2層)多以淤泥質(zhì)及軟塑狀土層為主。其地質(zhì)縱剖面圖如圖1所示。

對(duì)基坑有影響的承壓含水層主要賦存于⑧1層的粉砂、細(xì)砂、中砂含水層中,其透水性好,水量豐富,單井開(kāi)采量為800～1500 m3/d;含水層頂板埋深一般為45.0～62.0 m左右,含水層厚度10～15 m,層位穩(wěn)定,地下水基本不流動(dòng)。

采用安全系數(shù)法對(duì)不同開(kāi)挖深度的基坑進(jìn)行安全突涌可能性計(jì)算(計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1)。

式中:

Pcz——基坑底至承壓含水層頂板間土壓力,Pa;

Pwy——承壓水水壓力,Pa;

Fs——安全系數(shù) ,取 1.10。

計(jì)算表明:1號(hào)線端頭井、標(biāo)準(zhǔn)段及局部聯(lián)絡(luò)線通道有突涌可能性?；娱_(kāi)挖至22.5 m時(shí),需降低承壓含水層水位;開(kāi)挖至底板時(shí),承壓水層⑧1的安全水位宜控制在7.78 m以下。為有效控制地下水及減小降水對(duì)周邊環(huán)境的不利影響,需要準(zhǔn)確分析本工程場(chǎng)地的水文地質(zhì)特征,對(duì)承壓含水層進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)承壓水抽水試驗(yàn)。

表1 安全突涌可能性計(jì)算表

2 抽水試驗(yàn)過(guò)程及分析

抽水試驗(yàn)共布設(shè)3口試驗(yàn)井,分別為S1、S2、S3。試驗(yàn)井濾水管長(zhǎng)分別設(shè)置為10.0 m、5.0 m、8.0 m,并根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況在試驗(yàn)井四周共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)剖面,共60個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距約為10 m、15 m,編號(hào)為 C1-1～ C6-10,具體見(jiàn)圖 2、3。本試驗(yàn)從2009年7月20日進(jìn)場(chǎng)施工,至2009年10月1日提交抽水試驗(yàn)成果報(bào)告,歷時(shí)70 d左右。

圖1 地質(zhì)縱剖面圖

圖2 抽水試驗(yàn)井布置及監(jiān)測(cè)平面圖

2.1 水位觀測(cè)及沉降監(jiān)測(cè)

抽水前進(jìn)行靜止水位觀測(cè),測(cè)得承壓水水位標(biāo)高最淺在-1.25 m左右;水位具有一定的波動(dòng)性,水位波動(dòng)在20～25 cm左右(見(jiàn)圖4)。

試驗(yàn)時(shí)采用定流量非穩(wěn)定流抽水方法進(jìn)行抽水。抽水時(shí)S1、S3井平均單井涌水量分別為45.0 m3/h、21.0 m3/h,抽水井水位最大降深分別為3.76 m、9.31 m;觀測(cè)井S2水位最大降深為2.44m。試驗(yàn)期間取得抽水井、觀測(cè)井的水位降深隨時(shí)間變化曲線如圖5、圖6。

由抽水試驗(yàn)可知,抽水前期水位下降迅速,在抽水10 min時(shí)觀測(cè)孔水位降深占總降深的40%左右;30 min后水位變化較小,且逐漸趨于穩(wěn)定;停止抽水水位恢復(fù)時(shí),觀測(cè)井10 min時(shí)恢復(fù)水位40%左右,150 min即恢復(fù)水位60%左右,之后平均恢復(fù)速率較慢。

由圖7、8可知:各沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)在試驗(yàn)期間地表沉降值為0～3.0 mm,總體沉降量較小,沒(méi)有特別明顯的變化規(guī)律;在停止抽水后水位恢復(fù),孔隙水壓力增大,一部分地表沉降回彈。

2.2 水文地質(zhì)參數(shù)求解

根據(jù)場(chǎng)地實(shí)際情況待水位穩(wěn)定后,對(duì)S1、S3井分別進(jìn)行單井抽水試驗(yàn),并利用AquiferTest軟件(3.0版)中泰斯法、泰斯水位恢復(fù)法等對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的求解(詳見(jiàn)表2)。

圖3 抽水試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)圖

圖4 靜止水位觀測(cè)曲線圖

圖5 S1單井抽水試驗(yàn)時(shí)間-降深曲線

圖6 S1、S3雙井抽水試驗(yàn)時(shí)間-降深曲線

圖7 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn) C2-5、C2-6、C2-9、C2-10所測(cè)地表沉降曲線圖(2009年)

圖8 沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)C5-2～C5-10所測(cè)地表沉降曲線圖(2009年)

表2 水文地質(zhì)參數(shù)表

2.3 三維滲流與沉降模擬

采用國(guó)際上常用的Visual Modflow地下水滲流數(shù)值模擬軟件進(jìn)行水文模型數(shù)值模擬(4.0版)計(jì)算,在同等水文地質(zhì)條件、模型設(shè)置及剖分條件下采用Processing Modflow(5.3版)進(jìn)行場(chǎng)區(qū)沉降模擬預(yù)測(cè)。根據(jù)場(chǎng)區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀進(jìn)行三維剖分。因承壓含水層滲透性大,確定以基坑中心點(diǎn)為基點(diǎn)、各方向延伸1000 m作為模擬計(jì)算區(qū)域;剖分時(shí)在基坑附近對(duì)網(wǎng)格加密,平面上剖分為100×100個(gè)網(wǎng)格單元。模型的水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告提供的地質(zhì)資料及試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行實(shí)際等效處理,承壓含水層模型邊界采用通用水頭進(jìn)行處理。模型計(jì)算值與試驗(yàn)觀測(cè)值擬合曲線如圖9所示。

圖9 模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)水位擬合曲線圖

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)參反演建立有效數(shù)值模型后,對(duì)雙井抽水試驗(yàn)期間場(chǎng)地范圍內(nèi)的滲流情況及降水引起的沉降情況進(jìn)行模擬預(yù)測(cè)。具體如圖10、11所示。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)期間群井試驗(yàn)反演模擬,得出抽水試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)能夠反映場(chǎng)地內(nèi)實(shí)際地下水存儲(chǔ)、運(yùn)移狀態(tài),以及承壓水抽取后引起的土層壓縮規(guī)律。試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)和通過(guò)反演法建立的數(shù)值模型能夠模擬并預(yù)測(cè)基坑開(kāi)挖時(shí)減壓降水引起的場(chǎng)地內(nèi)水位變化及周邊環(huán)境變化情況;并以此驗(yàn)證和優(yōu)化承壓水減壓設(shè)計(jì),確保施工安全、控制對(duì)環(huán)境的影響。

圖10 群井試驗(yàn)期間場(chǎng)地滲流模擬圖

圖11 群井試驗(yàn)期間場(chǎng)地地面沉降模擬圖

3 承壓水減壓設(shè)計(jì)的優(yōu)化

在減壓設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮最不利的情況,以確?；庸こ痰陌踩┕ぁ８鶕?jù)試驗(yàn)結(jié)果建立的場(chǎng)地范圍內(nèi)水文地質(zhì)、沉降數(shù)值模擬模型,對(duì)基坑降水方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 抽水試驗(yàn)前的承壓水減壓設(shè)計(jì)方案

依據(jù)原有的勘察資料提供的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件,進(jìn)行基坑突涌可能性計(jì)算,并依據(jù)滲流公式對(duì)基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,本工程主體結(jié)構(gòu)的基坑共需布置第⑧1層的降水井6口以及備用井(兼觀測(cè)井)2口;井深60.0 m,濾水管深52.0～59.0 m。具體平面位置見(jiàn)圖12。

3.2 方案優(yōu)化

依據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果及建立的基坑降水?dāng)?shù)值模型,對(duì)原有設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后減少原方案聯(lián)絡(luò)線中的1口降水井,并依據(jù)抽水結(jié)果及圍護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)原有降水井位置及井深進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化后基坑共布置降水井5口,觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?口;井深63.0 m,濾水管深54.0～62.0 m。具體平面位置見(jiàn)圖13。以下進(jìn)行方案優(yōu)化后的模擬計(jì)算。

圖12 優(yōu)化前基坑降水平面布置圖

圖13 優(yōu)化后基坑降水平面布置圖

模擬啟動(dòng)基坑內(nèi)布置的5口降水井,平均單井抽水量40 m3/h。在抽水1 d后基坑內(nèi)降深在4.0～4.5 m,基坑外側(cè)100 m范圍內(nèi)降深在2.5～4.0 m左右(見(jiàn)圖14);在基坑中心100 m范圍內(nèi)沉降在1.7～3.5 mm左右。此時(shí)基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開(kāi)挖要求。

圖14 抽水1 d后水位降深等值線圖(單位:m)

在持續(xù)降壓抽水90 d后,基坑內(nèi)降深在5.0～6.0 m,基坑外側(cè)100 m范圍內(nèi)降深在3.5～5.5 m(見(jiàn)圖15)。基坑內(nèi)外水位持續(xù)抽水10 d后無(wú)明顯變化,此階段承壓水減壓降水處于穩(wěn)定狀態(tài),在基坑中心100 m范圍內(nèi)沉降在9.5～15.0 mm,基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開(kāi)挖要求。

圖15 抽水90 d水位降深等值線圖(單位:m)

在基坑內(nèi)設(shè)置觀測(cè)孔HG1、HG2,在基坑外側(cè)5 m 、50 m、100 m、200 m 處設(shè)置 4口G1～G4承壓水觀測(cè)井及相應(yīng)的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn),對(duì)減壓降水90 d進(jìn)行數(shù)值模擬及停抽后5 d內(nèi)進(jìn)行時(shí)程模擬。模擬結(jié)果表明:在距基坑邊界50 m、100 m、200 m 處降深分別約為 4.9 m、4.3 m、3.5 m,地面沉降量約為8.3～13.8 mm;停止抽水使水位完全恢復(fù)后,最終地面沉降量在5.5～6.5 mm左右。模擬的時(shí)間-降深、沉降曲線詳見(jiàn)圖16、17。

根據(jù)基坑突涌可能性計(jì)算,基坑開(kāi)挖至22.5 m時(shí)臨近最后一層土方,此前24 h內(nèi)須啟動(dòng)降水井并進(jìn)行減壓降水。根據(jù)開(kāi)挖工序和施工進(jìn)度,可先開(kāi)啟土方開(kāi)挖鄰近區(qū)域的2～3口降水井,其它降水井以觀測(cè)為主,通過(guò)水位觀測(cè)調(diào)整減壓運(yùn)行方案,做到“按需降水”。至土方開(kāi)挖結(jié)束,承壓水水位應(yīng)滿足基坑安全施工要求。同時(shí)為有效減小減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響,基坑內(nèi)水位不允許出現(xiàn)大幅度超降現(xiàn)象,宜控制在安全水位上下0.5 m左右。

圖16 不同點(diǎn)位處水位降深時(shí)程曲線(模擬)

圖17 不同點(diǎn)位處降水引起的地面沉降時(shí)程曲線(模擬)

根據(jù)計(jì)算,基坑減壓降水從啟動(dòng)至封閉區(qū)域內(nèi)基坑底板全部施工結(jié)束后的14 d內(nèi)需進(jìn)行持續(xù)減壓降水。在減壓降水過(guò)程中應(yīng)采用自動(dòng)觀測(cè)水位等有效手段監(jiān)控承壓水水位,同時(shí)在運(yùn)行期間采取備用電源和備用電源自動(dòng)切換技術(shù)實(shí)現(xiàn)減壓降水持續(xù)進(jìn)行。在基坑底板施工結(jié)束14 d后,根據(jù)底板隆起監(jiān)測(cè)結(jié)果,當(dāng)變形在設(shè)計(jì)可控范圍內(nèi)時(shí)逐步關(guān)閉降水井,并在關(guān)閉前通過(guò)降水井進(jìn)行場(chǎng)地承壓水水頭觀測(cè),當(dāng)基坑結(jié)構(gòu)完全滿足抗浮要求且不存在風(fēng)險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行降水井封井工作。

4 結(jié)語(yǔ)

寧波地鐵市府站屬于深基坑,其地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜,且在寧波地區(qū)缺乏同類(lèi)工程的經(jīng)驗(yàn),對(duì)于設(shè)計(jì)、施工的未知因素多風(fēng)險(xiǎn)大。為此進(jìn)行抽水試驗(yàn),經(jīng)有限差分法數(shù)值分析,作為設(shè)計(jì)的復(fù)核依據(jù)。

1)試驗(yàn)的必要性?；訙p壓性降水是工程的風(fēng)險(xiǎn)源之一,故應(yīng)重視對(duì)承壓水的減壓性降水的設(shè)計(jì)工作,以保護(hù)基坑的安全,減少對(duì)周?chē)h(huán)境的影響。

2)數(shù)據(jù)的有效性?；訙p壓性降水設(shè)計(jì)過(guò)程中,抽水試驗(yàn)所測(cè)得數(shù)據(jù)不僅能驗(yàn)證設(shè)計(jì)的減壓性降水方案的可行性,而且能指導(dǎo)基坑減壓性降水方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)及減壓性降水措施的實(shí)施。

3)環(huán)境的控制性。根據(jù)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立三維地下水滲流數(shù)值模型是必要的。通過(guò)數(shù)值計(jì)算獲得基坑承壓水水位的空間變化規(guī)律,驗(yàn)證減壓性降水方案的可行性,以指導(dǎo)基坑減壓性降水措施的實(shí)施,減少對(duì)周邊環(huán)境的影響。

[1]金葉,孫建軍,梁偉,等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程市府站基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)[R].上海:上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院,2009.

[2]潘永堅(jiān),肖承輝,邵再良,等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程市府站巖土工程勘察報(bào)告[R].寧波:浙江省工程勘察院,2009.

[3]朱成兵,張衛(wèi)國(guó),高世軒,等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程T J—Ⅲ標(biāo)市府站抽水試驗(yàn)報(bào)告[R].上海:上海地礦工程勘察有限公司,2009.

[4]JGJ/T 111—98 建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5]薛禹群,謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[6]駱祖江,李會(huì)中,付延玲.第四紀(jì)松散沉積層地下水滲流與沉降控制數(shù)值模擬[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

[7]姚天強(qiáng),石振華.基坑降水手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[8]施鑫源,阮淼森,王世杰,等.供水水文地質(zhì)手冊(cè)[M].北京:地質(zhì)出版社,1983.

[9]薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1986.

On Pumping Test and Numerical Analysis of Station Deep Pit in Ningbo Metro

Cui Tao

To reduce the design risk during deep pit foundation construciton,it is necessary to take a dedicated drawoff testing to determine the parameters of various geological layers at the pit,especially those of the confined aquifer.In relation to complicated hydro-geological conditions in Shifu Station of Ningbo Metro,by way of various hyper draw-off testing under different pressure lowering regimes,a model has been made on the draw-off test by means of three-dimensional unsteady flow finite differentiation method and hydro-geological analysis.This conclusion of the draw-off test and findings of expert examination could provide relevant technical support for the design and construction of rail transit lines in Ningbo City.

Ningbo metro;deep pit;pumping test;finit differentiation method

TU 46+3

2009-12-10)