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深基坑工程中承压水危害的综合治理方法(上)
?
上海建设科技2008年第4期?
深基坑工程中承压水危害的综合治理方法★(上)
朱雁飞
上海隧道工程股份有限公司
摘要在大量工程案例调查的基础上,提出了对承压水危害”以水位控制为前提,以沉降控
制为中心”的综合治理新思路和勘察,设计,施工等方面的具体措施,并以上海轨道交通9号线宜
山路站工程为例,介绍了实施过程和工程实效.
关键词深基坑承压水危害降水围护沉降
AbstractBasedoninvestigationtogreatamountofengineeringcases,theauthorputsforwardnew
comprehensivetreatmentidea”ideathattakelevelcontrolingasprerequiste,settlementcontrolingasmain
task”againstconfinedwaterharmandcommonmeasuresforgeologicsurvey,designandconstruc—
tion.TakingYishanStationengineeringofShanghaiNo.9metroasexample,theexecutionandpractical
effectarealsointroduced.
Keywordsdeepfoundationpitconfinedwaterharmdewaterenclosuresettlement
0引言
在各类地下工程中,深基坑工程受承压水危害
最为直接,最为广泛,在地下空间开发蓬勃发展的社
会背景下,承压水问题已逐渐成为业内关注的焦点,
这一领域目前面临的形势可概括为:
”老问题,新挑
战,新思路”.
所谓”老问题”,是指工程界对处理承压水问题
已经有数十年的经验,仅在上海地区,自1985年起
就有近百个工程成功地进行过降承压水施工.
所谓”新挑战”,是指随着工程数量,规模,难度
的提高,承压水处理的方法面临风险控制和沉降控
制两方面的严峻挑战.一方面,随着深基坑建址和深
度范围扩展,地质工况更显复杂,承压水危害的表现
形式也日趋多样化,仅仅考虑抗突涌稳定的传统思
路已不能确保工程和周围环境的安全,因此必须提
高相关的风险控制能力.另一方面,随着大量地下工
程展开施工,降水已成为诱发上海大地沉降的重要
因素,2006年颁布的《上海市地面沉降防治管理办
法》已明确要求对降水严格限制和管理.同时,城市
中重要建构筑物,如运营中的轨道交通线路等的保
护标准日益严格,其沉降控制分解指标仅数毫米,过
去可以接受的沉降量目前已无法满足要求.
所谓”新思路”,即针对现实的社会需求,提出了
对承压水危害”以水位控制为前提,以沉降控制为中
心综合治理承压水危害”的新思路,摆脱以往单纯
★《深基坑工程中的承压水危害综合治理方法》为上海市科委登山
计划(062012004)项目和上海市学科带头人计划(06XD14223)项目
一
16一
控制水位的局限,进行”全方位,全过程”的治理,从
而比较彻底地解决承压水问题对深基坑工程的制
约,其技术体系框架见图1所示.
图1技术体系框架
本文拟结合示范工程——上海轨道交通9号线
宜山路站的工程实践,对其中的关键环节作说明和
解释,仅供业内相关人士参考和探讨.
1承压水对深基坑工程的危害模式
现有规范中,针对深基坑工程中承压水危害的
内容主要是防止坑底突涌.我们根据大量工程案例
调研总结,认为这一描述并不全面,承压水危害至少
可以概括为以下5种模式:
1.1顶托破坏
其表现为坑底突涌,这是工程界最早认识到的
承压水危害形式,包括坑底顶裂,坑底流砂,坑底”沸
腾”等多种形式,上海地区多表现为坑底薄弱处涌
水,涌砂.起因可能是抗突涌安全系数不足,也有可
能是地质探孔未封闭等因素.前者案例包括上海
1985年发生的煤气管过江工作井突涌…,2003年
漳州中银大厦坑底突涌t2】,后者包括1995年上海
金茂大厦坑底涌水事件….这种模式也可能发生于
沉井工程.
1.2开挖面突涌
其表现为围护结构缺陷造成开挖面以上渗漏.
这种模式不仅限于深基坑工程,也可发生于盾构,
顶管等类型的地下工程.从渗流角度看,潜水的压
力由水自重形成,属于无压渗流,水头随着渗漏降
低较快;反之,承压水渗漏属于有压渗流,其水头不
会随着渗漏快速降低.因此,承压水渗漏危害程度
比潜水严重得多.例如,上海地铁1号线北延伸段
某深基坑工程开挖面潜水突涌后,形成相对稳定的
盆状土坡,影响范围仅30m左右;而上海地铁4号
线某区间隧道承压含水层中冻结失败后连续涌水7
d,坍陷区长达300m左右.
1.3异常管涌
此模式即开挖面以下围护结构渗漏导致坑底
涌水,其机理与”开挖面突涌”不同,是由于坑内外
存在压力差,而围护结构施工不当,插入部分不能
起到止水效果,发生了异常的管涌.这种危害模式
俗称”开裤衩”,在基坑工程中颇为常见,仅在上海
地铁7号线就发生了包括耀华路站,新村路站和浦
江耀华站n等多起险情,而潜水地层中的此类事故
也有发生,例如2004年杭州地铁1号线秋涛路站t41
案例.
1.4有效应力丧失
发现这一现象最早在上海地铁4号线溧阳路
站l,该案例中并没有管涌,流砂等现象的出现,但
坑底出现了很大的回弹,且无法控制围护墙体踢脚
位移.在上海地铁10号线的个别车站施工中也出
现了类似情况,其中,某车站在施工正常的情况下,
1d之内踢脚位移超过10mm.这些案例表明了一种
以往未揭示的承压水危害模式,潜藏着较大的风险.
这一模式的机理解释如下:
对于坑底下卧(微)
承压含水层而言,基坑开挖过程就是总应力降低过
程,如未采取降压措施,则其孔隙水压不会降低,于
是必然导致有效应力降低.当抗突涌安全系数降低
至1.0以下时,土体有效应力将趋向零,此时土颗
粒处于悬浮状态,无法提供侧向抗力,这样就产生
了大量的踢脚位移;同时,坑底土体正常回弹叠加
了承压水的顶托作用,使得基坑回弹量异常偏大.
由于上海地区④,⑤,层土等浅层流塑性粘土的特
性,即使发生很大变形也不一定开裂,因此这种情
?
上海建设斟技2008年第4期?
况下不一定会有明水涌出.鉴于这一破坏模式的直
接原因是有效应力大幅降低,故将其命名为”有效
应力丧失”模式.
1.5过量沉降
以往工程界对降承压水引起的沉降不够重视,
认为只要采取坑内设井,按需降水,诱发的沉降都在
可接受范围内.但调查发现,一些工程案例由于降承
压水导致了周围地层沉降超标,影响了周围管线和
建构筑物的正常使用.例如,地铁7号线某车站降微
承压水诱发沉降达85mmt引,南京地铁2号线某车
站由于降水诱发大量沉降,导致周边居民住宅损坏
【7l
.因此,降水诱发周围地层过量沉降无疑也是承压
水危害的重要表现形式之一.在基坑周边有高标准
保护建构筑物的情况下,必须采取”水位控制为前
提,沉降控制为中心”的思路,以确保安全.
2综合治理承压水危害的措施
要实现”水位控制为前提,沉降控制为中心”,就
必须对承压水危害进行”全方位,全过程”的综合治
理,即在勘察,设计和施工全过程,针对承压水危害
的各种模式,采取系统的措施,既要确保工程安全,
又要减小周围环境影响.
2.1针对承压水危害治理的水文地质调查
首先必须准确地搞清楚建址的水文地质状况.
目前,深基坑工程的勘察工作在承压水方面的常见
缺陷包括:
微承压水含水层一般根据经验判定,一旦
失误则可能发生”有效应力丧失”模式的危害;详勘
报告一般不揭示各含水层和覆盖层之间的水力联
系,计算沉降时压缩层厚度的取值多为假定;地层
“尖灭点”位置不准确,如假定其处于坑内或坑外降
深可能相差数倍,带来安全隐患.
因此,深基坑工程施工前如存在上述疑问,应进
行针对承压水危害的水文地质调查,可采用静力触
探和现场降水试验等手段,彻底查明有关的水文地
质状况,消除风险源.
2.2围护一降水一体化设计
基坑和水利工程的实践已经证明¨l,在降水条
件下,插入含水层的围护结构(或帷幕)可以造成围
护内外的水头差,”围护结构与降水一体化设计”就
是利用了这一现象.按此方法进行围护设计时,针对
地面沉降控制值,逐步调整井点深度和围护结构插
入深度,算出对应的坑外水头降落,再按渗流场驱动
应力场的耦合原则,计算降水引起的地层沉降,直到
满足沉降允许值.这一过程需通过三维渗流沉降计
一
17—
?
上海建设科技2008年第4期?
算软件来完成.由上海隧道股份和同济大学联合研
制的《3W3D》就是这样一种面向结构专业人员的
围护降水一体化辅助设计软件.
理论计算和工程实践表明,在满足降深要求的
前提下控制周围地层沉降并不一定要切断含水层,
对应一定的井点滤管深度,总有一个合理深度的围
护结构,达到这个深度,坑外水头下降即大幅度减小
而超过这个深度则效果提高不明显,性价比降低.
2.3”降水最小化”的降水设计和施工
为减少周围地层沉降,降水设计和施工应按”降
水最小化”原则进行,即在确保安全的前提下,尽量
少量,短时抽水.具体措施包括”分层降压”和”按需
降水”两方面.
“分层降压”是指对存在水力联系的多含水层
组,利用地层渗透性差异将上部渗透性较差的含水
层疏干后作为下部含水层的覆盖层计算,而不是传
统的连为一体考虑,以最大限度压缩设计降深.例
如:
在上海地区的⑥层缺失区,⑤z层往往与⑦层
相连,对控制沉降非常不利.如采用”分层降压”技
术,可利用两者之间渗透系数性差异,在⑤层下部
设置井点,将其减压后视作⑦层的覆盖层,由此大
幅度减小⑦层的设计降深.其中⑤层降压井既可
单独设置,也可与疏干井结合,形成混合井.
“按需降水”是指进一步深化传统的”按需降水”
方法,措施包括:
严格制订井点运行计划;实施高精度
降深控制;动态优化安全系数;优化结构回筑方案等.
上述三方面的措施涵盖了勘察,设计和施工阶
段,条件允许的情况下可将三者结合使用,效果最为
显着;如没有条件,也应尽量从”综合治理”的角度出
发,制订更为全面的措施,避免片面强调水位控制可
一
18一
能带来的副作用.
3示范工程应用
上海轨道交通9号线宜山路站位于凯旋路与宜
山路交叉处,与已运营的3号线宜山路站,4号线宜
山路站共同组成宜山路枢纽,是上海市轨道交通网
络的重要换乘节点之一.基坑最大开挖深度达30.6
m,是目前上海地区开挖最深的地铁车站.
车站建址地层中⑥层缺失,第1,II承压含水层
连为一体,深度超过100m.覆盖层粘土和粉土亚层
交错分布,⑤一层和④层均为微承压含水层,与
承压含水层存在水力联系,水文地质条件非常复杂.
该车站开挖深度0.5倍范围内除分布着1幢高
层建筑,3幢商场外,正在运营的轨道交通3号线高
架区间距基坑仅7m,3号线另外一侧即为正在运营
的4号线,见图2所示.该基坑面积超过5000m2,
被封头墙分割为4个基坑,分3次施工完成,施工顺
序为:
z1一z2一z3+z4.基坑开挖,化整为零分3
次施工,减小了基坑开挖对周围环境的影响,但延长
了降水时间,对控制沉降不利.
3.1对水文地质状况进行补充调查
3.1.1地质补勘
针对原有的地质勘察报告中关于承压水问题存
在的疑问,施工前进行了4次施工补勘,如表1所
示.补勘手段以静力触探为主,彻底搞清楚了基坑位
置含砂地层的分布,消除了东端头井附近人为设置
的⑤层”尖灭点”,为下阶段大幅度优化设计降深
打下了坚实的基础.
3.1.2现场降水试验
为掌握建址地层之间咱勺水力联系和降水过程中
的沉降反应,施工前进行了调查渗流固结规律的现
金银岛
17层钢混框支剪力墙结构,距离约14m地’F2层车站,离基坑
50m钻L灌注桩,下部26m为素桩最近处为23m
图2宜山路站与周边建构筑物示意
表1补勘成果汇总
场降水实验,试验设施由降压井群,观测井群,监测
系统三部分组成.其中,降压井群包括呈等腰三角形
分布的3口深井井点(见图3),其滤管深入⑦层
中,长度分别为11m,9m和7m.观测井群形成了
⑤层,④层水位观测点和1个⑦层水位观测剖
面,观测井均有对应的孔隙水压计,数据可相互验
证.监测系统包括成组设置的孔隙水压力,分层沉
降,地表监测点和重要建构筑物监护测点等,构成了
以降压井群为中心的80m半径范围内”五环四射”
的放射状监测剖面,见图4.
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e,④层水位观测井,
图例
图3降压并和观测并布置示意
图4测点布置示意
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上海建设斟技2008年第4期?
降水试验采用非完整井,非稳定流的方法进行
抽水试验,先后做3次单井抽水试验和1次群井抽
水试验,历时15d.图5和图6分别是降水过程中
⑦层和⑤层各亚层的孔隙水压力降低过程.
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图6⑤a一,/⑤a—层孔压变化
通过现场实验,不仅准确掌握了本区地下水位,
准确获得本场地的水文地质参数,而且通过各层孔
隙水压力确认第⑤层最下部的亚层与⑦层存在水
力联系,为下一阶段围护一降水一体化设计打下了
坚实的基础.
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拟【J】.上海地质,1995(3):
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(未完,待续)
(收稿日期:
2008—05—30)
一
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