唐 辰

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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上海某大型深基坑降水設(shè)計(jì)

唐 辰

(同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

以上海某工程為例，通過分析該工程的地層及水文地質(zhì)分布特征，按規(guī)范要求進(jìn)行了基坑降水設(shè)計(jì)，并提出了基坑降水方案，基于解析法，驗(yàn)證該降水方案的可行性，為相似工程設(shè)計(jì)積累了經(jīng)驗(yàn)。

深基坑，降水方案，承壓含水層，降水井

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市化進(jìn)程的加快，人口的增長，地面空間顯得越來越緊張。為了利用有限的土地，人們不得不將視角轉(zhuǎn)向高層空間與地下空間。近年來，大量高層建筑的涌現(xiàn)，地下工程如地鐵、地下商業(yè)街、地下電廠、泵房等紛紛上馬是這種發(fā)展趨勢的必然結(jié)果。

在高層建筑和地下工程的構(gòu)筑中，深基坑工程占了極大的比例，它越來越成為一種優(yōu)選的施工方法。但是，工程建設(shè)中由地下水引發(fā)的工程地質(zhì)與環(huán)境問題日益突出，如基坑開挖中由于地下水引起的坑底突涌和土體位移、地下水滲流對圍護(hù)結(jié)構(gòu)和邊坡的穩(wěn)定性影響、地下工程施工中引起的流砂和管涌、砂土液化等。在工程實(shí)踐過程中發(fā)生與工程地下水有關(guān)的各種地質(zhì)問題與工程事故，已經(jīng)引起了研究人員和工程技術(shù)人員的高度關(guān)注。如何更好地對工程實(shí)踐中積累起來的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)加以總結(jié)，以避免或減輕由于地下水問題引發(fā)的工程地質(zhì)問題與環(huán)境問題，已成為工程建設(shè)中一項(xiàng)具有重大意義且迫切需要解決的工作[1]。

同時(shí)地面沉降問題已經(jīng)成為沿海發(fā)達(dá)城市面臨的一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題，控制基坑降水引起的地面沉降是基坑降水方案設(shè)計(jì)過程中不可或缺的一部分。

本文以上海某工程為例，根據(jù)場區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件及滲流理論，進(jìn)行基坑降水方案設(shè)計(jì)，并采用解析法進(jìn)行方案驗(yàn)證，為類似工程提供寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程背景

本工程西側(cè)距離滬杭客運(yùn)鐵路專線約為15.5 m，場地北側(cè)距離寶城路地道中心線約20 m，場地東側(cè)距離梅隴西路中心為20 m，距離西側(cè)住宅小區(qū)為63 m，如圖1所示。

基坑開挖總面積約為49 500 m2，基坑采用分區(qū)開挖即分3個(gè)區(qū)域，其中①區(qū)基坑開挖深度為11.27 m～20.72 m，②區(qū)開挖深度為19.42 m～20.72 m，③區(qū)基坑開挖深度為19.42 m?；娱_挖采用明挖，最大開挖深度為22 m，基坑邊坡防護(hù)采用地下連續(xù)墻。

本工程開挖面積大、深度深，屬于大型深基坑，且臨近滬杭鐵路，周邊環(huán)境復(fù)雜、地下管線密布、人流車流繁忙、場地施工空間有限，對周邊環(huán)境的影響及地面沉降控制要求均很高。

2 場地地質(zhì)條件

2.1 地層分布

擬建場地位于上海市西南(閔行區(qū)莘莊鎮(zhèn))，地貌類型為濱海平原，地形起伏不大，擬建場地地表主要為水泥地坪和建筑垃圾，地面標(biāo)高變化不大，約為4.23 m～4.66 m，平均為4.48 m。根據(jù)地基土的成因、結(jié)構(gòu)及土性等綜合分析,本場地共劃分9大層,如表1所示。

表1 場地地層分布 m

2.2 水文地質(zhì)分布

場地淺部地下水屬潛水類型，主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，水位隨季節(jié)而變化，潛水水位埋深約在0.3 m～1.5 m，按照勘測資料，地下水靜止水位埋深在0.70 m～1.40 m間。

場地深部地下水為承壓水含水層，由于擬建場地第⑧層粘性土層缺失，第⑦層承壓含水層和第⑨層承壓含水層連通。根據(jù)上海地區(qū)的區(qū)域資料，承壓水水位一般低于潛水水位，呈周期性變化，埋深一般為3.00 m～12.00 m。

3 降水方案設(shè)計(jì)

3.1 降水方案的選擇

降水時(shí)基坑底板的穩(wěn)定條件為：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力。需要進(jìn)行抗突涌驗(yàn)算，按式(1)進(jìn)行驗(yàn)算：

(1)

式中：F——基坑底面突涌安全系數(shù)[2]，取1.1；

γm——透水層以上的土的飽和重度，kN/m3；

t——透水層頂面距基坑底面的深度，m；

Pw——含水層水壓力，kPa。

驗(yàn)算結(jié)果見表2。

表2 抗突涌驗(yàn)算

經(jīng)驗(yàn)算，降水目標(biāo)為降低除①1外第⑦層承壓含水層水頭16 m。

根據(jù)勘察所得地層特性降水方法選用管井降水法。管井降水方法具有排水量大，降水深，不受吸程限制，排水效果好，井距大，對平面布置干擾小等優(yōu)點(diǎn)，且可用于各種情況[3]。因本工程對周邊沉降要求非常高，故采用坑內(nèi)降水。

3.2 降水設(shè)計(jì)

由表2可知本次工程的設(shè)計(jì)降深為16 m，則進(jìn)行降水設(shè)計(jì)：

1)基坑的引用半徑r0：

(2)

式中：A——基坑面積，m2。

計(jì)算得r0=125.5 m。

2)降水影響半徑R：

(3)

式中：S——設(shè)計(jì)降深，m；

K——含水層滲透系數(shù)，m/d。

計(jì)算得R=295 m。

3)選用均質(zhì)含水層，承壓水非完整井基坑涌水量計(jì)算公式[4]計(jì)算基坑總涌水量Q：

(4)

式中：M——含水層厚度，m；

l——濾水管長度，m。

計(jì)算得Q=15 446.1 m3/d。

4)單井最大出水量q：

(5)

式中：d——濾水管外徑，m。

計(jì)算得q=1 467.0 m3/d。

5)所需管井?dāng)?shù)量n：

n=1.1Q/q

(6)

計(jì)算得n=12，加一口井作為備用井，則設(shè)計(jì)13口井進(jìn)行降水。

降水井布置如圖2所示。

3.3 降水井設(shè)計(jì)

井的結(jié)構(gòu)主要分為三部分，最上部為井壁管，不能透水；中間為過濾管，地下水主要通過過濾管滲進(jìn)井中；最下面的為沉砂管。降水井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見表3。

表3 降水井結(jié)構(gòu)

3.4 方案驗(yàn)證

1)降深驗(yàn)證。

根據(jù)非完整井的非穩(wěn)定流公式[5]：

(7)

經(jīng)計(jì)算機(jī)迭代計(jì)算得不間斷抽水20 d單井最大降深為22 m，坑內(nèi)最小降深為16.2 m，大于16 m，符合降水目標(biāo)。

2)沉降驗(yàn)證。

承壓水條件下考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水作用的單層土層基坑涌水量的計(jì)算方法[6]為：

(8)

式中：H0——初始水頭值，m；

l2——圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部至基坑內(nèi)水位的距離，m；

l3——圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部至下部隔水層間的距離，m；

h——基坑內(nèi)水頭值，m；

Sw——基坑外水位最大降深，m；

h′——圍護(hù)結(jié)構(gòu)底中心軸線位置的等水頭線的水頭值，m；

R′——降水影響范圍，m。

由Qin=Qout及0

(9)

式中：SS——土層收縮量，m；

γw——水的重度，kN/m3；

Δh——水位降深，m；

hi——各土層厚度，m。

根據(jù)李衛(wèi)超、王偉等人[7]的研究成果，上?；娱_挖引起的地面沉降的調(diào)整系數(shù)介于0.90～1.25之間，出于安全考慮，本次設(shè)計(jì)取1.25，則：

Sd=Ψ·SS

(10)

經(jīng)計(jì)算本次基坑開挖引起的周邊沉降最大值為6.93 mm,符合降水沉降要求允許值。

4 結(jié)語

1)本工程的降水目標(biāo)為降低第⑦層承壓含水層水頭16 m，采用管井降水方案。管井井點(diǎn)直徑較大，出水量大，可滿足大降深、大面積的要求，施工簡單、效果好、成本低。基坑臨近滬杭鐵路，周邊環(huán)境復(fù)雜、場地施工空間有限，對周邊環(huán)境的影響及地面沉降控制要求均很高，故采用坑內(nèi)降水方案。

2)經(jīng)計(jì)算，基坑涌水量為15 446.1 m3/d，在基坑內(nèi)布置降水井13口，井間距70 m，單井出水量為1 467.0 m3/d，不間斷抽水20 d基坑內(nèi)最小降深為16.2 m，大于設(shè)計(jì)的16 m，說明基坑中任意點(diǎn)的降深深度均滿足降水設(shè)計(jì)要求。

3)經(jīng)解析法驗(yàn)證，降水引起的基坑外最大沉降為6.93 mm,符合降水沉降要求允許值。

[1] 唐益群,楊 坪,王建秀，等.工程地下水[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2011.

[2] GB 50007—2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 張 陽,范冉冉.華潤鳳凰城深基坑降水方案設(shè)計(jì)[J].地質(zhì)災(zāi)害與環(huán)境保護(hù),2008(3):86-89.

[4] 吳林高.工程降水設(shè)計(jì)施工與基坑滲流理論[M].北京:人民交通出版社,2003.

[5] 薛禹群.地下水動(dòng)力學(xué)[M].北京:地質(zhì)出版社,1997.

[6] 劉慶方,劉繼強(qiáng),譚佩蓮,等.考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水作用的基坑涌水量計(jì)算[J].隧道建設(shè),2013(2):142-146.

[7] 李衛(wèi)超,王 偉,王瑞祥,等.上?；娱_挖引起地面沉降估算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)探討[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010(S2):73-76.

Dewatering design of a large deep foundation pit in Shanghai

Tang Chen

(TongjiUniversity，Shanghai200092，China)

Taking the engineering in Shanghai as an example, through analyzing the engineering geology and hydrological distribution features, the paper carries out the foundation dewatering design according to the norms, puts forward the foundation dewatering scheme, and finally testifies the dewatering scheme feasibly on the basis of analytical method, which has accumulated experience for similar engineering design.

deep foundation, dewatering scheme, pressure aquifer, dewatering well

1009-6825(2016)16-0071-03

2016-03-21

唐 辰(1991- )，男，在讀碩士

TU463

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