上官云龍,上官玉龍,李棟國

(1.吉林大學建設工程學院,長春130026;2.吉林省交通科學研究所,長春130012;3.吉林省交通規(guī)劃設計院,長春130021;4.長春工程學院土木工程學院,長春130012)

1 工程介紹

北京地鐵四號線北宮門車站位于頤和園北宮門東向,頤和園北側頤和園路下,北宮門站東側,南面是頤和園圍墻,北面為大有商業(yè)用地,東面為中央黨校校門,北宮門車站平面。北宮門站為地下車站,雙層雙跨矩形框架結構,長175.2 m,寬18.7 m,高13.73 m。車站圍護結構采用 Φ 800@1400 mm和Φ 1 000@1 500 mm的鉆孔灌注樁,樁頂設冠梁,樁間采用掛網(wǎng)噴射混凝土保持樁間土穩(wěn)定。主體建筑面積7 544 m2,總建筑面積11 638 m2。頂板覆土厚約3.0 m,有效站臺中心處軌面埋深14.238 m,采用明挖法施工,因此開挖之前必須對場地進行有效的降水,以保證工程安全順利地進行。

2 場地土層性質及水文地質條件

2.1 土層性質

北宮門車站開挖范圍內主要涉及地層從上到下依次為粉質黏土②3層、粉土③層、粉質黏土③1層、粉細砂③3層、粉質黏土④層、粉土④2層、粉細砂④3層、卵石—圓礫⑤層,內夾不連續(xù)分布的黏性土層,車站主體結構基底持力層為第⑤層的卵石—圓礫層,該層屬低壓縮性土,承載力特征值為 500 kPa。開挖范圍各主要土層的分布情況見圖1,其物理力學性質如表1所示。

從表1和圖1可以看出,在開挖深度內,土層的滲透性較好。尤其是滲透性較大的卵石—圓礫層及粉細砂層共占了開挖量的70%以上,由于局部存在黏性土夾層,因此在降水過程中應注意地層中細顆粒物質的流失,防止基槽邊坡擾動出現(xiàn)坍塌,從而影響基槽開挖和基坑施工。

圖1 開挖范圍內地層統(tǒng)計圖

2.2 水文地質條件

場地勘察深度范圍內,存在潛水與層間潛水兩層地下水。潛水的含水層為粉土③層及粉細砂③3層,水位埋深為4.9～9.2 m,該層水為第四紀孔隙潛水,地層中的粉質黏土④層、粉土④2層為其相對隔水層。大氣降水、地表水體的補給和側向徑流補給為主要補給源;以側向徑流、“天窗”和向下越流補給地下水,同時以側向徑流方式向下游方向排泄。與后湖等地表水體聯(lián)系密切,受其滲漏影響,本層地下水水位較高。層間潛水的主要含水層為粉細④3層、中粗砂④4層、砂卵石—圓礫⑤層及中粗砂⑤2層,水位埋深為13.5～18.2 m,因為場地內不具有承壓性,所以稱其為層間潛水。地層中的粉質黏土⑥層、粉土⑥2層為其相對隔水層。本層地下水連續(xù)分布,滲透系數(shù)大,為強透水層。主要接受潛水的垂直下滲補給,側向徑流補給及越流補給,以側向徑流方式排泄。

表1 開挖范圍內土層物理力學性質統(tǒng)計表

場地內兩層地下水對車站施工均有巨大影響,在開挖過程中,粉細砂③3層、粉細砂④3層可能造成流砂、坍塌現(xiàn)象。

3 降水方案設計

工程場地西北側有清河、京密引水渠,南側有頤和園后湖,前兩者有防滲襯砌處理,對施工影響不大,頤和園后湖未經(jīng)過防滲襯砌處理,對施工有直接影響。所以降水過程中需采取有效措施疏干上層滯水和潛水。由于基坑開挖深度在潛水含水層以下,因此需將潛水疏干。另一方面,由于基底深度已在部分層間潛水含水層頂面以下3 m左右,因此必須降低層間潛水,將下層的層間潛水水位降低至結構底板以下0.5 m,以滿足車站施工需要。

3.1 排水量計算

采用潛水完整井模型來計算需要疏干的潛水水量,計算公式見式(1)。

式中:Q——基坑涌水量(m3/d);

k——滲透系數(shù)(m/d);

H——潛水含水層厚度(m);

S——基坑(降水井壁外側)水位降深(m);

R——降水影響半徑(m);

r0——基坑等效半徑(m);

a、b— —基坑邊長。

計算過程中r0=34.06 m,H=5 m,S=7 m,R=185 m,根據(jù)地質詳勘資料加權平均并且考慮到頤和園后湖影響及以往經(jīng)驗值,將滲透系數(shù)值取為k=35 m/d,計算得場地內降水過程中潛水排水量為 Q1=1 241.357 m3/d。

采用潛水完整井模型,利用式(1)來計算需要疏干的層間潛水水量,計算過程中r0=34.06 m,H=6.5 m,S=7 m,R=252.4 m,根據(jù)地質詳勘資料加權平均并且考慮到頤和園后湖影響及以往經(jīng)驗值,取滲透系數(shù)值為k=50 m/d,經(jīng)計算得場地內降水過程中層間潛水的排水量為Q2=3 101.9 m3/d。

所以場地內總排水量為 Q=Q潛—車站+Q層間潛水=4 343.2 m3/d。

3.2 降水方案設計

根據(jù)場地地質條件及現(xiàn)場施工條件,并充分考慮施工對交通的影響,選擇采用基坑外管井井點降水方案,管井為無砂水泥管管井,井點距結構外墻距離≥2 m,降水井布設時注意避開地下管線和盾構區(qū)間,井點布置在汽車道和綠化帶之間或自行車道與綠化帶之間,路口部分的降水井和排水管線均設在地下,降水井口做成工作井,上蓋承重井蓋。

利用式(2)計算單井出水量為q=95.52 m3/d(過濾器為單位長度)。設計采用480 m3/d潛水泵(200QJ20-40/3)抽水,能滿足過濾器有效工作長度 ＞1.0 m,因此所需降水井數(shù)為50眼。

式中:l——過濾器有效長度(m);

r——管井半徑(m);

K ——滲透系數(shù)(m/s)。

以理論計算配井數(shù)為基礎,以場地內基底任意點水位降深S≥6.5 m(基底下0.5 m)為約束條件,做群井抽水的水量Q、降深S和開泵數(shù)N優(yōu)化方案調整后,實際開泵總數(shù)為60眼,排水量約5 254 m3/d,即能滿足降深要求。

根據(jù)上述結果及方案,對降水井的結構進行了設計,主要參數(shù)見表2。

表2 降水井設計參數(shù)表

4 降水方案總結

降水方案的設計是根據(jù)場地水文地質資料、土層性質及環(huán)境特征來進行的,排水量為全面積降水施工時的最大理論值,設計過程中利用場地試驗井的抽水試驗得到了準確的地層滲透系數(shù),是成功設計降水方案的前提。在實際降水施工過程中,建立了沿線地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)和沉降監(jiān)測網(wǎng),利用監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工,同時監(jiān)測結果也表明了所設計的降水方案的可行性。

[1]程新民.基坑降水對周圍建筑物的影響[J].陜西建筑,2007(8):130-132.

[2]瞿成松.基坑降水系統(tǒng)及其應用[J].上海地質,2001(4):48-52.

[3]曹來虎.建筑工程中深基坑降水設計探討[J].基礎工程設計,2011(1):85-87.

[4]郭新偉.深基坑降水方案的確定[J].山西建筑,2010(6):95-96.

[5]GB 50007—2002,建筑地基基礎設計規(guī)范[S].

[6]張永波,孫新忠.基坑降水工程[M].北京:地震出版社,2002:26-44.