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深路堑地下水处理方案研究
阿布贾地区深挖方路堑地下水处理方案研究
摘要阿布贾城铁深路堑段施工,基床表面渗水严重,影响基床稳定,影响列车运行和加大后期维护。
文章对深路堑段的工程地质情况进行了阐述,剖析了渗水原因,对渗水量进行了水力计算,提出了路堑式路堤及盲沟排水等方案进行探讨,并进行了技术经济评价。
通过对现场实验和应用检测表明,实施效果良好。
本文关于路堑渗水处理方案研究对类似工程有一定的借鉴意义。
关键词深路堑渗水水力计算盲沟无砂管造价
1.前言
阿布贾城铁lot3线K2+800—K4+950段路基设计采用路堑方案,路堑一般段挖深为8米到9米,最大挖深达到13米左右。
施工过程中,下挖到基床表层附近时出现地下水渗出情况,造成基床土受浸泡而变松软,无法进行下步施工,现场采取了在线路一侧挖设排水沟疏导地下渗水的临时措施,使地下渗水得到疏排。
根据设计要求,基床表层需要换填50cm的A、B料加固基床表层,但由于地下水渗漏严重,需要解决地下水的渗漏涌出问题,现场停止了施工并对旱季和雨季的地下水位情况进行观察。
现场选取了国家公园站(K3+440)坡度平缓处进行观察,经过观察,渗出地下水位标高基本处于基床表层,旱季和雨季最大水位上下变动0.5m左右,雨季水位较高。
2.深路堑设计缘由及地下水渗出原因分析
2.1路基设计缘由
根据首都地区部对阿布贾城市的规划,阿布贾城铁和尼铁现代化进入市区段位于同一个走廊内,而且规划了配套公路。
走廊规划宽度120m,两侧已完成小区建设。
由于尼铁现代化铁路已于2008年完成设计并获得交通部批准。
因此城铁设计必须依据完成的现代化铁路设计进行线路设计。
尼铁现代化起点站为阿布贾市中心站,规划设计为8个站台,规模较大。
距离中心站4km设计为尼铁现代化铁路起点段车辆段,连接线路共有四条,道岔密集。
尼铁现代化铁路按照160km/h最大运行速度进行设计,限坡为9‰。
阿布贾城铁按照双线设计,最大运行速度为100km/h进行设计,限坡为30‰。
因此,阿布贾城铁在选线上相对灵活,受地形限制较小。
尼铁现代化铁路在K2+800—K4+950段采取了深路堑方案,城铁线路为最大限度的减少工程量降低工程造价,充分考虑尼铁规划进行路基设计。
典型路基断面图如图1所示,图中虚线断面为尼铁线路设计方案。
图1路基横断面图
2.2地质勘查情况
通过对现场地质勘探报告解析,现场地质情况和水文情况如下。
1)地质情况
路堑段内上覆第四系全新统坡残积层(Q4dl+el)粉质黏土;下伏前寒武系(Pt)之(Pcb)混合岩。
地层岩性<4-1>粉质黏土(Q4dl+el):
棕黄、棕红色,坚硬-硬塑,含较多碎石、角砾,局部分布铁钙质胶结层,广泛分布于测区坡面,厚2~6m,属Ⅱ级普通土,C组填料。
<8-1>混合岩(Pcb):
灰、紫红、灰白夹灰黑、灰褐色等杂色,粗粒结构,块状构造,节理不甚发育,据钻探揭示,风化层厚度变化较大,全风化带(W4)厚0~30m,属Ⅲ级硬土,C组填料;强风化带(W3)厚0~5m,属Ⅳ级软石,B组填料;弱风化带(W2)属Ⅴ级次坚石,A组填料。
岩土物理力学指标值如下表1所示。
表1岩土物理力学指标值
层次
岩土
类型
时代
成因
状态或
风 化
程 度
天然
密度
ρ(g/cm3)
凝聚力
c
(kPa)
内摩擦角
φ(°)
基底摩
擦系数
f
边坡率
基本承载力
σ0
(kPa)
钻孔灌注桩极限摩阻力
fi
临时m′
永久m
<4-1>
粉质黏土
Q4dl+el
硬塑
1.9
25
25
0.3
1:
1
1:
1.5
180
60
<8-1>
混合岩
Pcb
W4
2.1
20
25
0.35
1:
0.75
1:
1.25
200
60
W3
2.4
/
45
0.5
1:
0.3
1:
1
500
120
W2
2.7
/
65
0.6
1:
0.3
1:
0.5
800
/
2)现场水文情况
区内无明显沟渠,地表水不发育,坡面仅雨季时汇流面流水。
根据地形地貌及地下水的赋存条件,地下水可分为孔隙潜水、基岩裂隙水等。
第四系孔隙潜水:
主要埋藏于地表土层中,由于土层砂性较重,其孔隙大,渗流较快,主要由大气降水补给。
基岩裂隙水:
主要赋存于基岩全风化-强风化带中,一般埋深5~7m,最大可达10m左右。
其水位面随地形的起伏变化而变化,主要由孔隙潜水补给。
经对区内附近地段取钻孔水作地下水水质分析,其水质类型为HCO3-—Na+型,根据TB10210-2001判定:
该水对砼无侵蚀。
管段内水文地质状况见图2水文地质纵剖面图。
图2水文地质纵剖面图
2.3渗水原因分析
从地质纵断图可以看出,K3+300-K4+800地层分布呈盆状,形成一个较大的的地下水汇集区域,由于路基采用深挖方形式通过,并且地下水埋深较浅,只有5-7米,地下孔隙潜水丰富,因此开挖形成一条深沟,地下水向此处汇集,从而出现开挖面积水情况。
由于尼铁现代化铁路设计早于城铁设计,但由于尼方投资额巨大,政府无力全面开工建设。
阿布贾城铁市中心段先于尼铁开工,因此出现了地下水汇集于城铁路堑的情况,造成基床表面大量渗水,影响施工和线路运营。
3.渗水量统计分析
3.1地下渗水量计算
地下水渗入基坑的涌水量与土的种类、渗透系数、水头大小、坑底面积等有关。
一般采用公式如下:
式中 Q:
基坑总涌水量(m3/d)
K:
土的渗透系数(m/d) 按下表2选用
S:
抽水时坑内水位下降值(m)
H:
抽水前坑底以上水位的高度(m)
R:
抽水影响半径(m),按下表3选用
r0引用半径(m),对矩形基坑r0=η(a+b)/4;对不规则形基坑,a/b<2/3时,r0=0.565A;a/b>2/3时,r0=U/π
a、b为基坑边长(m)
U为基坑周长(m)
A为基坑面积(m2)
η为系数,按下表4选用
m0 从基坑底到下卧不透水层的距离(m)
表2土的渗透系数K值
土的
名称
渗透系数K
土的名称
渗透系数K
m/d
cm/s
m/d
cm/s
粘土
<0.005
<6×10-6
匀质中砂
35-50
4×10-2-6×10-2
粉质粘土
0.005-0.1
6×10-6-1×10-4
粗砂
20-50
2×10-2-6×10-2
粉土
0.1-0.5
1×10-4-6×10-4
匀质粗砂
60-75
7×10-2-8×10-2
黄土
0.25-0.5
3×10-4-6×10-4
圆砾
50-100
6×10-2-1×10-1
粉砂
0.5-1.0
6×10-4-1×10-3
卵石
100-500
1×10-1-6×10-1
细砂
1.0-5
1×10-3-6×10-3
无充填物卵石
500-1000
6×10-1-1×10
中砂
5-20
6×10-3-2×10-2
稍有裂隙岩石
20-60
2×10-2-7×10-2
含粘土的中砂
20-25
2×10-2-3×10-2
裂隙多的岩石
>60
>7×10-2
表3抽水影响半径R值
土的种类
极细砂
细砂
中砂
粗砂
极粗砂
小砾石
中砾石
大砾石
粒径(mm)
0.05-0.1
0.01-0.25
0.25-0.5
0.1-1.0
1.0-2.0
2.0-3.0
3.0-5.0
5.0-10.0
所占质量(%)
<70
>50
>50
>50
>50
—
—
—
R(m)
25-50
50-100
100-200
200-400
400-500
500-600
600-1500
1500-3000
表4系数η值
b/a
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
η
1
1.12
1.14
1.16
1.18
1.18
相关参数取值:
现场路基开挖后形成一长条状基坑,为计算方便,可以取100m长度路基进行计算。
根据现场取3m深土样筛分试验:
获得细粒土含量(<0.075mm颗粒)分别为70.8%、55.8%、34.4%,综合平均为53.67%。
根据表3抽水半径R值可取极细砂栏,为25-50m,为保证现场排水水量安全可靠,可取大值R=50m
现场基坑宽度为路基基床表面开挖宽度b=16.3m
长度方向取100m作为计算:
a=100m
因此b/a=0.163,故修正系数η按照表4内插计算η=1.11
由于路基挖方基本以粉质粘土为主,故K值按照表2取K=0.1m/d
r0=η(a+b)/4=1.11×(100+16.3)/4=32.27
根据路基基床要求,基床表层为50cm,基床底层为150cm,因此基坑需排水至基床下2m才能保证路基本体稳定,故S取2m。
H为地下水位高,雨季埋深5m,旱季埋深7m左右,取雨季大值,则H=8m
m0 根据地址剖面图,取平均值为m0 =12
将上述参数带入公式则可计算出每100米路基每天的渗水量为:
Q=30.28m3/d
3.2排水管道直径分析计算
根据线路设计坡度可看出,K3+940-K4+240车站段坡度平缓,只有0.3‰,是水力流速的控制部位。
该段长度300m,上游来水段长度641.57m,该段总的排水量为:
Q总=(641.57+300)×30.28/100=285.11m3/d
考虑路基双侧设置排水管沟,则单侧排水量为142.56m3/d.。
为了计算管道直径,我们先按照250mm的一般混凝土管道计算流量能否满足要求。
首先按照下式计算水的流速:
式中:
V—流速m/s
R—水力半径m(过水断面积A与湿周x的比值:
R=A/x,圆管R=0.25d)
I—水力坡度,管道坡度m/m
nb—管道粗糙系数或称流速系数,可按照表5获取,本式取0.013
表5管道粗糙系数(流速系数)
管渠材料
nb
管渠材料
nb
铸铁管、陶土管
0.013
砖砌砖渠道
0.015
混凝土管、钢筋混凝土管
0.013-0.014
浆砌块石渠道
0.017
水泥砂浆抹面渠道
0.013-0.014
干砌块石渠道
0.020-0.025
石棉水泥管、钢管
0.012
土明渠(带或不带草皮)
0.025-0.030
带入水力坡度I=0.0003,计算如下:
V=1/0.013*(0.25×0.25)2/3*0.00031/2=0.21m/s
计算流量Q,Q=AV,按照水力手册计算规定,对于0.2-0.3m管道填充度取0.5
则每日流量Q=0.5×π/4×0.252×0.21×60×60×24=445m3/d.,大于142.56m3/d.。
通过计算表明,采用250mm直径管道过于保守,因此可以按照200mm的一般混凝土管道计算。
通过计算流速为V=0.18m/s,计算每日流量为Q=244m3/d.,也大于142.56m3/d.,能够满足现场要求,储备保险系数为1.7,因此设计排水管道可以按照管道直径200mm进行排水设计。
4.地下水排出方案探讨
根据列车动力对路基作用实验表明,最大行车速度100km/h时,基床表层0.5m范围承受动荷载力最大,然后向下逐步递减,到达2.0m左右时,动荷载基本消失。
这也是阿布贾城铁路基基床表层设计0.5m、基床底层设计1.5m厚的原因。
结合基床的设计情况,为保证线路的稳定,需要将地下水位降至基床表层2m以下方可。
为此,我们提出两种方案分述如下。
4.1路堑式路堤方案
该方案设计思路为将路基下挖至设计基床以下2m,然后施做水沟排出地下水,水沟外侧设置10cm的反滤层,然后每隔0.5m埋设泄水管,排出地下水。
地下水从明沟疏排至附近河道。
具体做法如下图3.(图中虚线断面为原设计断面)。
图3路堑式路堤方案图
该方案新增工程量和工程直接费如下表6所示。
表6路堑式路堤新增工程量和工程费用统计表
序号
项目
单位
数量
造价(美元)
1
挖土
m3
256634
1,368,715
2
种草
m2
28027
56,054
3
混凝土骨架护坡
m3
2432
291,840
4
换填片石
m3
6762
247,940
5
反滤层碎石
m3
986
39,440
6
泄水管
m
5152
17,173
7
流水槽
m3
237
55,300
8
混凝土路肩挡块
m3
451
105,233
9
合计
2,181,695
4.2盲沟排水方案
该方案设计思路为在水沟下增设一条盲沟,用以排除基床表层的地表潜水保证路基的稳定性。
通过前面的地下水涌出量计算可采用内直径200mm的盲管,管材可选用无砂管、PVC管、塑料排水盲管等。
经过当地考察,现场主要有PVC管、无砂管,因此按照就地取材原则进行方案设计。
1)PVC管盲沟方案
具体方案图如下图4和下图5。
透水孔环向每隔10cm设置,纵向每隔30cm设置,孔径2-3cm。
该方案新增工程量和工程直接费如下表7所示。
图4盲沟基床方案设计图
(一)
图5盲沟基床方案设计图
(二)
表7盲沟基床新增工程量和工程费用统计表
序号
项目
单位
数量
造价(美元)
1
挖土
m3
43470
231,840
2
换填片石
m3
6601
242,037
3
中粗砂
m3
2302
99,753
4
复合土工膜
m2
23023
184,184
5
碎石
m3
3606
144,240
6
土工布
m2
2019
2,692
7
排水盲管
m
3233
150,873
8
出口混凝土
m3
11.6
2,707
9
合计
1,058,326
2)无砂管盲沟方案
无砂管具有取材方便,可以现场预制的特点,目前国内在盲沟、渗水井等方面有广泛应用,并且有专门的制作厂家,生产已经工厂化。
由于尼日利亚市场建筑工艺落后,没有成熟的生产设备和制品,需要现场预制。
圆管预制需要制作内模和外模,现场需要制作内径200mm的无砂管,小孔径管内模拆模非常不方便,难以保证现场大规模施工需要,结合现场实际情况,本文提出简易无砂管盲沟方案,具体做法如下图6所示。
C15
图6梯形盲沟做法图
该方案具有现场制作模板较为简便、并且施工拆模也方便的特点。
考虑现场安装方便,底板采用混凝土预制,并且预留2cm深的预制件对位槽,保证现场的安装精度。
施工时管沟外侧同样需要包裹一层土工布防止泥土渗入堵塞。
该方案每米造价和PVC管相比,通过技术经济比较每米节约11.5美元,总造价可节省1.85万美元。
4.3盲沟及塑料排水板方案
考虑换填片石后由于施工和地下水携带泥沙淤积片石空隙,造成地下水位上升,采用复合土工膜对于高地下水位隔水效果相对差一些,因此将复合土工膜砂垫层改为双层塑料排水板,一方面阻止底层水向上渗漏,一方面排出基床底层地下水。
目前国内材料采购价为2.5美元,运至现场施工综合价为7美元,该方案由于取消了底层土工膜,改设了双层塑料排水板,相比PVC盲沟排水方案增加造价约为2万美元。
4.4方案分析比较
1)工程造价分析
通过三种方案的造价对比,路堑式路堤方案造价明显高于盲沟排水方案,总造价增加一倍多。
因此从降低造价考虑,盲沟排水方案明显优于路堑式路堤方案。
2)施工难度评价
路堑式路堤方案由于路基已开挖至基床表层,重新开挖边坡有一定难度。
施工难度较大处在于路基边沟施工,由于地下水丰富,现场底板施做需要采取隔水措施,施工难度大。
盲沟排水方案开挖难度较大,尤其坡脚设计采用直立式,施工期间由于地下水的作用,坡脚需要放坡,造成开挖方量和碎石填料增加,并且要及时施做,防止坡脚坍塌。
换填过后基底形成片石渗水通道,利于盲管施工和回填土施工。
盲沟及塑料排水板方案难度同盲沟排水方案。
3)维护和耐久性评价
路堑式路堤方案泄水孔易堵塞,但维护方便,如果如果泄水孔堵塞可以随时疏导,且反滤层更换方便。
排水沟耐久性较好。
盲沟排水方案泄水管由于增设了土工布和碎石反滤层,不易堵塞,但出现堵塞情况维修困难,需要破坏侧向排水沟。
由于管道和土工布埋在地下,PVC管耐腐蚀,因此该方案耐久性亦较好。
5.实施效果评价
1)现场最终方案的确定
为了降低造价,项目实施决定采用盲沟排水方案。
阿布贾城铁项目2011年初制定了完成一环路至二环路段铺轨的总体施工计划,3月份完成方案设计。
由于大挖方段距离较长,并且施工难度大,雨季施工难度还会成倍增加,造成车辆无法进入,并且路基压实度无法保证。
因此项目安排旱季完成该段盲沟施工。
考虑排水板国内采购周期较长,一般半年左右,无法保证现场使用要求,因此现场采用了盲沟排水方案。
由于无砂管制作需要模具加工、预制等,没有PVC管使用方便,现场采用了PVC管作为排水管,但同时也对无砂混凝土配置进行了实验研究。
2)线路纵坡优化
在方案设计过程中,受尼铁现代化不进市中心总体规划影响,现场重新对盲沟方案进行优化,由于该段最大坡度为22‰,而城铁最大设计限坡为30‰,因此可以抬高轨面,减少进一步下挖换填。
方案调整K5+200至K4+600设计坡度为25‰,使线路抬高1.8m,减少换填挖方2.6万方,既减少了工程造价,又降低了施工难度,也降低了地下水位对线路稳定的影响。
3)换填段调整
现场施工中考虑排水顺畅,只能按照由下游向上游的工序进行盲沟施做,施做过程中,由于K4+900至K5+100段现场开挖较深,且地下水汇集严重,因此现场基床底层全部采用换填小粒径片石,基床表层采用A料,取消了砂垫层和复合土工膜,经过雨季检验,效果非常好,路基稳定。
4)现场实验及检测情况统计
①无砂管道实验
实验室做了C15的无砂混凝土实验,主要选材为普通32.5硅酸盐水泥、5-15mm碎石、15-25mm碎石。
通过几组实验数据,配合比中水灰比为0.35-0.4,水泥用量250-350kg,骨料用量1200-1400kg,由于骨料粒径对强度影响很大,要求骨料级配良好。
通过强度检测,7天在10-11Mpa,28天能够达到15Mpa,强度满足需要。
通过自来水龙头进行透水检测,基本透水率达到90%以上,能够较好满足现场需要。
②水流速检测
现场对K3+940-K4+240车站段水的流速进行了3次测试,分别选在雨季和旱季,其中雨季2次,旱季一次,流速分别为0.25m/s,0.20m/s和0.19m/s,基本与计算吻合,现场水得到疏导,未出现溢出盲沟现象。
6.结语
通过现场一个雨季的观测,盲沟排水效果良好,达到了预期目的。
本文对阿布贾地区的深路堑路基的地下水处理进行了研究和探讨,其中深基坑计算方法对桥涵等深基坑施工排水具有参考作用,盲沟排水方案可以为类似工程地下水处理提供借鉴,无砂管的配合比设计和施工方案可以应用到类似排水工程中。
参考文献
1吴亚斌,田迎春,洲头西站基坑涌水和塌方处理措施,水利水电设计,2004
(2)
2江正荣,建筑施工工程师手册,中国建筑工业出版社,1995
3孙慧珍.排水工程,中国建筑工业出版社,1999
4无砂透水混凝土的试验研究中国混凝土与水泥制品网,2006(12-26)
5阿布贾城铁路基设计施工图及地址勘察报告
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