大劇院基坑地下水控制方案及施工方法

1中國(guó)最表演藝術(shù)中心劇院項(xiàng)目位于東側(cè)的人民大會(huì)堂，西臨石板胡同，北臨西昌安街。天然土壤高度約為46.0m，0.00高度為44.75m。它是中國(guó)的象征性建筑之一，也是中國(guó)最大的表演藝術(shù)中心。該工程為一多功能特大型公共建筑,設(shè)計(jì)基礎(chǔ)埋深大部分在-26.0m,局部臺(tái)倉(cāng)(43.6m×32.3m)深達(dá)-32.5m。由于基坑面積較大,并且其開(kāi)挖深度在北京地區(qū)前所未有,如何經(jīng)濟(jì)有效地控制地下水,保證基坑各部位開(kāi)挖和地下結(jié)構(gòu)施工,成了國(guó)家大劇院工程的3大難題之一,也是專(zhuān)家們討論的焦點(diǎn)。2礦區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)存區(qū)2.1農(nóng)村地區(qū)5.0m場(chǎng)區(qū)位于永定河沖洪積扇中部,大部分區(qū)域地勢(shì)平坦,自然地面標(biāo)高46.0m左右。自然地面以下80m范圍內(nèi)地層主要為新近沉積層和第四紀(jì)沉積層,以粉質(zhì)粘土、砂土和卵石層交互出現(xiàn),卵石層級(jí)配較好,最大粒徑12cm,卵礫石⑤層厚度達(dá)15～17m(圖1)。2.2層間潛水排放與工程密切相關(guān)的地下水分別是上層滯水、層間潛水和第一、二、三層承壓水。上層滯水分布于①層和①1層中,水位標(biāo)高38.91～43.27m,變化較大,不具有連續(xù)水頭,主要由大氣降水和管道滲漏補(bǔ)給,經(jīng)大氣蒸發(fā)和垂向入滲補(bǔ)給層間潛水排泄。層間潛水分布于卵石③層和中細(xì)砂③1層中,水位標(biāo)高29.71～30.99m,含水層底板標(biāo)高28.16～30.17m,接受上層滯水的入滲補(bǔ)給和側(cè)向逕流補(bǔ)給,經(jīng)垂向滲漏和側(cè)向逕流排泄。第一層承壓水分布于卵石⑤層中,水位標(biāo)高26.59～29.83m,接受側(cè)向逕流和越流補(bǔ)給,經(jīng)側(cè)向逕流和人工開(kāi)采排泄。該含水層厚度大,滲透性能好(K=235m/d)。第二層承壓水賦存于砂卵石⑦層中,承壓水頭29.13m,從區(qū)域地質(zhì)條件及兩層承壓水的補(bǔ)排關(guān)系看,第一層和第二層承壓水具有相近的水頭標(biāo)高。第三層承壓水賦存于砂卵石⑨層中,其承壓水頭與上層承壓水基本相同。3物流設(shè)計(jì)3.1基坑疏干井施工基坑第一步開(kāi)挖至-15.7m,采用樁錨支護(hù),主要受上層滯水和潛水的影響,由于潛水和第一層承壓水的混合水位低于-15.7m,因此采用管井抽滲結(jié)合方案控制基坑周邊潛水補(bǔ)給以及疏干坑內(nèi)滯水和潛水?；拥诙介_(kāi)挖至-26m,采用連續(xù)墻加錨桿方案,連續(xù)墻作為基坑的支護(hù)結(jié)構(gòu),同時(shí)起隔水作用。為了疏干連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)第一層承壓含水層中的滯留水,并控制下部含水層對(duì)第一層承壓含水層的越流補(bǔ)給,在連續(xù)墻結(jié)構(gòu)內(nèi)-15.7m處布設(shè)疏干井。基坑第三步開(kāi)挖(即臺(tái)倉(cāng)部份從-26m～-32.5m)仍在第一層承壓含水層中進(jìn)行,根據(jù)連續(xù)墻的穩(wěn)定驗(yàn)算,第一層承壓水疏干水位不能超過(guò)-26.5m,因此在臺(tái)倉(cāng)開(kāi)挖部份采用素砼連續(xù)墻止水帷幕隔水,使202區(qū)大范圍第一層承壓水水位保持在-27m,而臺(tái)倉(cāng)部位水位需降至-33.5m,(臺(tái)倉(cāng)基底以下1.0m)。第三步開(kāi)挖后,第二層承壓水水位高于基底約17.0m,存在基坑底突涌破壞和基礎(chǔ)上浮問(wèn)題。通過(guò)分析,采用在臺(tái)倉(cāng)周邊布置管井,一方面將臺(tái)倉(cāng)部位的第一層承壓水水位控制在-33.5m,另一方面對(duì)臺(tái)倉(cāng)部位的第二層承壓水進(jìn)行減壓控制。3.2臺(tái)倉(cāng)壓實(shí)井設(shè)計(jì)(1)上層滯水、潛水抽滲井井間距8～10m,井深28m(進(jìn)入第一層承壓水含水層3m),孔徑?600mm,井?dāng)?shù)80眼,采用無(wú)砂水泥管包80目尼龍紗網(wǎng)。(2)基坑202區(qū)疏干井從-15.7m開(kāi)始施工,在平面內(nèi)30m間距呈梅花型布置33眼,井深23m,孔徑?600mm,井深23m,井管為?325mm鋼質(zhì)橋式濾水管和?400/300mm水泥濾水管2種,包80目尼龍紗網(wǎng),管外充填2～4mm豆石作過(guò)水濾料至孔口。(3)歌劇院臺(tái)倉(cāng)地下水控制,既要考慮開(kāi)挖范圍內(nèi)第一承壓水的疏干,又要考慮第二層承壓水對(duì)基坑的抗浮和突涌破壞。具體設(shè)計(jì)要點(diǎn)及設(shè)計(jì)成果為:①臺(tái)倉(cāng)外400mm厚素砼連續(xù)墻維幕穿過(guò)第一層承壓含水層進(jìn)入隔水層2m,臺(tái)倉(cāng)中間布設(shè)疏干井3眼,水位保持在-33.5m,臺(tái)倉(cāng)外側(cè)202區(qū)水位保持在-26.5m,以保證202區(qū)連續(xù)墻的穩(wěn)定及臺(tái)倉(cāng)開(kāi)挖要求。②臺(tái)倉(cāng)基底抗浮和抗管涌驗(yàn)算:抗浮驗(yàn)算:γm(H?H1)/(H?h)γw≥γRw=1.2γm(Η-Η1)/(Η-h)γw≥γRw=1.2式中:γm——土的重力密度(kN/m3);H——承壓水頂板標(biāo)高(m);H1——臺(tái)倉(cāng)開(kāi)挖標(biāo)高(m);h——水位標(biāo)高(m);γw——水的重度(kN/m3);γRw——安全系數(shù)?？构苡框?yàn)算:hγ′/γwh′≥γRw=1.5hγ′/γwh′≥γRw=1.5式中:h——承壓水頂板至臺(tái)倉(cāng)基底的地層厚度(m);γ′——承壓水頂板至臺(tái)倉(cāng)基底的地層土的浮重度(kN/m3);h′——臺(tái)倉(cāng)基底至承壓水壓力水位之間的高差(m);經(jīng)以上兩方面驗(yàn)算,需將第二層承壓水水頭控制在-26m以下,即需將第二層承壓水降低10m水頭,才能保證臺(tái)倉(cāng)部位基坑的穩(wěn)定性。③臺(tái)倉(cāng)部分將第二層承壓水水頭壓力降低10m時(shí)基坑涌水量計(jì)算,利用承壓水非完整井模型:Q=2.73M?Slg(1+Rr0)+M?lllg(1+0.2Mr0)Q=2.73Μ?Slg(1+Rr0)+Μ-lllg(1+0.2Μr0)式中:Q——臺(tái)倉(cāng)基坑第二層承壓水排水量(m3/d);r0——臺(tái)倉(cāng)基坑引用半徑(m)?r0=ηa+b4=29m(a(m)?r0=ηa+b4=29m(a、b:基坑的長(zhǎng)、短邊,η:修正系數(shù));M——第二層承壓含水層厚度(m);K——第二層承壓含水層滲透系數(shù)加權(quán)平均值(m/d),經(jīng)驗(yàn)值取K=150m/d;l——過(guò)濾器有效長(zhǎng)度(m),l=4.0m;根據(jù)上式計(jì)算,202區(qū)臺(tái)倉(cāng)部分將第二層承壓水頭下降10m時(shí),基坑涌水量約為2.0×104m3/d。④經(jīng)過(guò)布井、水位降深驗(yàn)算后,共設(shè)計(jì)臺(tái)倉(cāng)減壓井26眼,其中有6眼是作為安全儲(chǔ)備井。減壓井從基坑-15.7m開(kāi)始施工,沿臺(tái)倉(cāng)基坑開(kāi)挖上口邊線(xiàn)外2.0～3.0m呈封閉狀布置,間距8.0m,井深37m(以進(jìn)入第二層承壓含水層卵石層4m為準(zhǔn)),設(shè)計(jì)減壓降水井為承壓非完整井,井徑?600mm,井管為?325mm鋼管,在-42.0m以上為井壁管,以下為濾水管,濾水管外包纏80目尼龍紗布并充填2～4mm豆石濾料。-41.0m以上采用粘土封孔至-25.0m,井中安裝出32～50m3/h的潛水泵,日排水量21000m3/d。另外還設(shè)計(jì)了第一層承壓水觀測(cè)井2眼,第二層承壓水觀測(cè)井2眼,第三層承壓水觀測(cè)井1眼。井身結(jié)構(gòu)和基坑剖面如圖2。⑤第二層承壓水水位在-16m,為了防止井內(nèi)水突涌,井口設(shè)計(jì)在-15.7m,當(dāng)基坑開(kāi)挖至-26m后,搭平臺(tái)進(jìn)行設(shè)備安裝和抽水維護(hù)。3.3設(shè)置管道泵臺(tái)倉(cāng)減壓排水量大,排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度較大。采用二揚(yáng)排水裝置,把抽排水最終排放至地面雨污水管道。于基坑-26.0m處設(shè)立集水箱,各井泵與集水箱之間安裝集水管網(wǎng)集水箱外安裝6臺(tái)管道泵(其中2臺(tái)備用),用于二揚(yáng),型號(hào)SFG200-400(Ⅰ),用直徑219mm鋼管連接成主管道排至市政雨污水管道,管線(xiàn)總長(zhǎng)1200m,用電功率300kW,日排水總量達(dá)到21000m3。3.4min熱壓測(cè)臺(tái)倉(cāng)抽水試驗(yàn)表明,臺(tái)倉(cāng)減壓水位恢復(fù)極快,只有10min,即停電20min內(nèi)基坑就會(huì)遭到突涌破壞,后果非常嚴(yán)重,因此供電采用兩路,市電加備用發(fā)電機(jī),并且每路之間都有自動(dòng)切換裝置。3.5靜水位下降封井難度在臺(tái)倉(cāng)結(jié)構(gòu)施工至-26m時(shí)對(duì)減壓井進(jìn)行封井是一難題,主要是因?yàn)榻邓芨叱龌拥?2m,水位在-16m,高出臺(tái)倉(cāng)底(-32.5m)16.5m,靜水位高出最后截管位置10m,因此封井難度非常大。經(jīng)過(guò)計(jì)算和試驗(yàn),最后采用膨脹橡膠止水塞方案和灌注超流態(tài)砼進(jìn)行封井,使用效果非常好。4項(xiàng)目實(shí)施4.1成井速度由于卵石層較厚(達(dá)17m),且含有粒徑超過(guò)20cm的大卵石和漂石,因此成井困難,使用GPS-18反循環(huán)鉆機(jī)、CJF-12沖擊反循環(huán)鉆機(jī)和BG-12、BG-22旋挖鉆機(jī)進(jìn)行成井試驗(yàn)表明,反循環(huán)工藝成井困難,沖擊反循環(huán)成井速度快,護(hù)壁粘土使用少,便于洗井,但噪音大,開(kāi)孔輔助時(shí)間長(zhǎng),且場(chǎng)地占用大,事故多,而旋挖鉆機(jī)具有成井速度快,多個(gè)井共用一個(gè)泥漿池,施工場(chǎng)地整潔,但護(hù)壁泥漿和沉渣增加了洗井難度。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)條件,最后選用BG-12、BG-22旋挖鉆機(jī)進(jìn)行成井。4.2單井實(shí)水水質(zhì)洗井保證單井出水量的關(guān)鍵工序。實(shí)施過(guò)程中,綜合使用了浸泡礁磷酸鈉(軟化泥皮)、壓縮空氣負(fù)壓洗井、活塞洗井及壓縮空氣撈砂等方法,最后每個(gè)單井出水能力都在50m3/h以上,單井抽水降深都在1～5m,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。4.3試驗(yàn)設(shè)備及水位為了便于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)和施工是否達(dá)基坑開(kāi)挖要求,在臺(tái)中心布設(shè)了一個(gè)觀測(cè)井。試驗(yàn)分單井抽水試驗(yàn)和群井抽水試驗(yàn),單井抽水試驗(yàn)時(shí),觀測(cè)中心觀測(cè)井及鄰近井的水位變化,群井抽水試驗(yàn)觀測(cè)中心觀測(cè)井水位變化。試驗(yàn)可表明:①可以通過(guò)選擇泵型控制出水量來(lái)控制水位降深;②必須采用兩路市電加配用發(fā)電的配電方案,并且三路電要有自動(dòng)切換裝置,從切換到中心水位降到-26m時(shí)間不得超過(guò)40min。4.4膨脹橡膠止水塞封井方案比較減壓井封井分2次進(jìn)行,第一次封井6個(gè),第二次封井20個(gè)。第一次封井在結(jié)構(gòu)剛施工至-28m時(shí)進(jìn)行,經(jīng)核算仍需進(jìn)行減壓抽水,只能對(duì)施工有影響的6眼井提前封井,其它井正常抽水,因此被封井周?chē)貙又械叵滤幱诳焖倭鲃?dòng)狀態(tài),不能采用或注漿等方法進(jìn)行封井,后經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)和比較,采用膨脹橡膠止水塞方案比較可靠,并且操作簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理。第二次封井時(shí)地下水處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),采用灌注超流態(tài)砼封井方案。膨脹橡膠止水塞封井要點(diǎn):利用膨脹橡膠、海帶和木塞為膨脹止水材料,加工膨脹止水器,應(yīng)用Φ73mm鉆桿下至設(shè)計(jì)標(biāo)高,止水器遇水24h充分膨脹后,利用止水器與鉆桿之間連接反絲把鉆桿卸開(kāi)后從井內(nèi)提出,然后下入3m3/h泵把止水器以上的水抽出,用水位觀測(cè)計(jì)監(jiān)測(cè)井內(nèi)水位變化,確認(rèn)井已完全封死后,提出抽水泵,從設(shè)計(jì)標(biāo)高處把井管截?cái)?用鋼板把井口焊死,并確保井口焊縫處不滲水。灌注超流態(tài)砼封井要點(diǎn):應(yīng)用SBT-40型混凝土輸送泵及4寸導(dǎo)管管和高壓膠管組成的管路系統(tǒng),從井底以上0.5m開(kāi)始水下灌注C30超流態(tài)砼,一次使砼面上升至-25.5m標(biāo)高,然后提出導(dǎo)管,等砼達(dá)到初凝后,下入水泵抽出砼面以上水,觀察水位變化,確認(rèn)已封好后截?cái)嗑?管口用鋼板焊死。5平臺(tái)壓力控制工程于2000年5月開(kāi)工,經(jīng)過(guò)近3個(gè)月的施工,至10月8日工程已具備疏干和對(duì)臺(tái)倉(cāng)進(jìn)行減壓控制的條件。基坑第二步開(kāi)挖于10月到-26m