天津于家堡金融起步區(qū)一期工程基坑降水方案設(shè)計

一、大面積基坑群降水策略對于地鐵基地或傳統(tǒng)建筑基地的降水設(shè)計方法相對成熟。水下沉淀的目的是干燥，采用大井法，通過含水層的供水量估計基地的排水量，并通過排水量計算調(diào)整井的數(shù)量和配置。一般來說，抗彎壓力降水口的壓力處理通常是為了計算基地的抗彎壓力水，并結(jié)合含水層的位置、厚度和相水幕的深度來設(shè)計抗高血壓井。而對于大面積基坑群的降水策略則較少研究,本文的研究對象則是一個大面積基坑群,場區(qū)內(nèi)不同位置開挖深度有所差異。對于大面積基坑群來說,各基坑之間的協(xié)同降水十分必要,否則將發(fā)生某一塊地下水抽不干或者不同地區(qū)水位差異較大的情況,從而對基坑的開挖造成影響。因而有必要對大面積基坑群的降水策略進(jìn)行研究。本文主要基于天津于家堡地區(qū)某大面積基坑群開展降水策略研究,并用數(shù)值模型對降水方案進(jìn)行模擬。結(jié)果表明采用分區(qū)分層降水,將大面積基坑群轉(zhuǎn)化為若干個小面積基坑并實施單獨降水,并考慮相互之間的影響,同時設(shè)置一定數(shù)量的備用降水井可以確保大面積基坑群降水施工的順利進(jìn)行,從而不影響施工工期,以確保基坑開挖的順利進(jìn)行。二、基坑開挖基本情況擬建天津于家堡金融服務(wù)區(qū)占地3.46km2,位于海河北岸,北至新港路,東、西、南三面環(huán)水。根據(jù)建設(shè)規(guī)劃,選取金融區(qū)內(nèi)1.1km2土地作為起步區(qū),該區(qū)涵蓋Y-1-18~20,26~28六個地塊。一期基坑平面尺寸約為400m×250m,占地約100000m2,普遍開挖深度13~14m,塔樓局部開挖深度15m。其中包括南北向與東西向兩條地鐵線路,南北向地鐵基坑開挖深度為16.05m,東西向地鐵開挖深度為23.1m。根據(jù)工程不同部位的開挖深度,為便于本次降水方案設(shè)計,將本次一期基坑按照開挖深度的不同劃分為16個區(qū)。本工程設(shè)計地面相對標(biāo)高為-2.85m,絕對標(biāo)高為+2.00m,各分區(qū)開挖深度和圍護(hù)情況如下表1所示。該場區(qū)的地層分布見表2。三、物流方案1、基坑開挖對降水的影響分析(1)淺層潛水降水不當(dāng)影響基坑開挖場地淺層潛水含水層以粉質(zhì)黏土為主,部分區(qū)域分布有一定厚度(約4m)的粉性土。這層潛水含水層水位埋深淺,含水量相對較豐富,若不采取降水措施或降水不當(dāng),對基坑開挖將會產(chǎn)生一定的影響。對此,需要采取合理的疏干降水措施,并采取針對性的管理措施,提高疏干降水效果。(2)承壓水突涌場地最淺23.00m見承壓含水層,而商務(wù)區(qū)基本開挖深度為13.00~15.00m,南北向地鐵開挖深度為16.00m,東西向地鐵開挖深度為23.10m。部分基坑開挖已進(jìn)入承壓含水層中。因此,在工程施工過程中,承壓水突涌是本工程施工過程中最大的風(fēng)險之一。針對承壓水突涌風(fēng)險,布設(shè)降壓井進(jìn)行減壓降水是常用的工程降水措施。在本工程中,根據(jù)基坑抗突涌穩(wěn)定性驗算結(jié)果,在需要進(jìn)行減壓降水的區(qū)域布設(shè)降壓井進(jìn)行減壓降水,確保基坑安全。2、承壓水頂托力基坑開挖后,基坑與承壓含水層頂板間距離減小,相應(yīng)地承壓含水層上部土壓力也隨之減小;當(dāng)基坑開挖到一定深度后,承壓含水層承壓水頂托力可能大于其上覆土壓力,導(dǎo)致基坑底部失穩(wěn),嚴(yán)重危害基坑安全。因此,在基坑開挖過程中,需考慮基坑底部承壓含水層的水壓力,必要時按需降壓,保障基坑安全。基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件:基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。即:Σh·Υs》FS·Υw·H式中:h是基坑底至承壓含水層頂板間距離(m);γs是基坑底至承壓含水層頂板間的各層土厚度加權(quán)平均重度(kN/m3);H是承壓水位高于承壓含水層頂板的高度(m);γw是水的重度(kN/m3);Fs是安全系數(shù)(根據(jù)天津市《巖土工程技術(shù)規(guī)范》本工程取1.2)。根據(jù)勘察報告,本工程主要需考慮的承壓含水層為第一微承壓含水層組(6)層粉土層、(7)2層粉砂層。按照最不利原則,選取(6)層層頂絕對標(biāo)高-21.5m來進(jìn)行驗算,承壓水初始水位絕對標(biāo)高取-6.74m,土的平均重度取19.5kN/m3。計算承壓水最大頂托力:Fs·γw·H=1.2×10×[(-6.74)-(-21.50)]=177.1kPa為了保證基坑穩(wěn)定,根據(jù)最小覆土壓力等于承壓水最大頂托力計算基坑抗突涌穩(wěn)定臨界開挖深度,計算結(jié)果見表2。為此,參照基坑開挖分區(qū)示意圖,可知E、G、I、J、L五個區(qū)基坑開挖深度分別為16.05m、15.05m、14.85m、23.10m、16.05m,大于該工程基坑抗突涌穩(wěn)定臨界開挖深度,故需要針對以上區(qū)進(jìn)行詳細(xì)的降深計算,計算結(jié)果見表3。J區(qū)基坑開挖面接近承壓含水層頂面,實際水位控制以開挖面以下1.00m(標(biāo)高-22.10m)為準(zhǔn),故實際降深應(yīng)達(dá)到15.36m。3、無砂疏干井施工(1)疏干井布設(shè)參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范,結(jié)合降水設(shè)計評審專家組意見,本次降水工程疏干井單井有效抽水面積a井取400m2?？觾?nèi)疏干井?dāng)?shù)量計算公式:n=A/a井式中:n是基坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量(口);A是基坑面積(m2);a井是單井有效降水面積(m2)。計算得出本基坑需要布設(shè)的疏干井?dāng)?shù)量如下:n=A/a井=99324/400≈248口。按照基坑形狀,實際布設(shè)疏干井243口。鋼管疏干井一次性成井,根據(jù)基坑開挖程度布設(shè)深度為19m~22m;布設(shè)無砂疏干井的區(qū)域第一步開挖成井深度為10m,第二層開挖深度內(nèi)主要的潛水含水層為(3)3層淤泥質(zhì)黏土、(3)4層粉質(zhì)黏土、(4)層粉質(zhì)黏土、(5)層粉質(zhì)黏土根據(jù)開挖情況疏干井管井深度分別為14m~17m。(2)疏干效果預(yù)估根據(jù)計算的疏干井?dāng)?shù)量,結(jié)合土層分布概況,預(yù)估疏干效果。預(yù)測計算中,考慮圍護(hù)效果較理想的狀態(tài)下可以忽略基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,參考工程地質(zhì)手冊,土層重力水給水度取0.03。計算單井有效面積內(nèi)可疏干重力水水量為:Q=250(單井有效疏干面積)×15(有效疏干土層厚度)×0.03(重力水給水度)=112.5T。根據(jù)類似工程的工程經(jīng)驗,抽水前期(25天內(nèi))。根據(jù)以上疏干井流量變化趨勢,估算本工程疏干井降水效果見表4。由表4可知,在坑內(nèi)疏干降水時,為了保障15.0m以內(nèi)土層的疏干效果,至少宜提前15天開啟疏干降水井。對于基坑地板大面積處于(3)3黏土、淤泥質(zhì)黏土中,本次工程降水設(shè)計中疏干井濾管段均穿過該層且深于基坑底板5~6m,利于降落漏斗的有效形成以及該層水的疏干。4、降壓井深度確定(1)降壓井?dāng)?shù)量參考勘察報告,考慮J區(qū)(6)層、(7)2層理論上已被圍護(hù)隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。在隔水邊界的影響下,水力梯度較大,降水曲線較陡,降壓井間距取約30.00m。參考類似工程,E區(qū)、I區(qū)降壓井間距也取約30.00m。結(jié)合基坑形狀,E區(qū)實際布設(shè)12口降壓井。J區(qū)實際布設(shè)12口降壓井,I區(qū)實際布設(shè)6口降壓井。J區(qū)坑外布設(shè)12口觀測井。(2)降壓井深度根據(jù)本工程降水特點,坑內(nèi)降壓井深度根據(jù)下式確定:H=H1+h+JL+l1+l2+s2式中:H是降壓井深度,(m);H1是基坑開挖深度,(m);h是基坑開挖面至濾料頂面之間的距離,(m);J是水力梯度;L是相鄰降水井之間水平距離的1/2,或降水井至基坑邊水平距離,(m);l1是過濾器最小工作長度,(m);l2是沉淀管長度,(m);s2是井的水頭損失(井損)。E、L區(qū):基坑開挖深度H1為16.05m;h取7.00m;根據(jù)E、L區(qū)水位降深,J取約1/10,L約15.00m;根據(jù)經(jīng)驗,砂質(zhì)粉土及粉砂層中,l1取約6.00m;l2一般取1.00m;井損s2取約6.00m。則H=16.05+7.00+15.00×1/10+6.00+1.00+6.00=37.55m。實際設(shè)計E、L區(qū)降壓井深度為38.00m。J區(qū):基坑開挖深度H1為23.10m;h取1.00m;根據(jù)J區(qū)水位降深,J取約1/7,相鄰降水井間距約15.00m;根據(jù)經(jīng)驗,砂質(zhì)粉土及粉砂層中,l1取約6.00m;l2一般取1.00m;井損s2取約6.00m。則H=23.10+1.00+15.00×1/7+6.00+1.00+6.00=39.3m。實際設(shè)計J區(qū)降壓井深度為40.00m。四、減壓降水三維值分析1、計算區(qū)域邊界外擴(kuò)在進(jìn)行數(shù)值模擬計算分析時,為了消除邊界對模擬結(jié)果的影響,應(yīng)將計算區(qū)域邊界外擴(kuò)一定范圍。根據(jù)前期的抽水試驗報告,計算降壓井影響半徑約為443.0m,本次模擬計算取邊界外擴(kuò)約500m,實際計算區(qū)域約為1273m×1000m。2、計算模型的建立按照計算的平面范圍、地層概化以及初始條件、邊界條件,同時考慮抽水井、觀測井、帷幕在離散模型中的空間位置,對計算區(qū)域進(jìn)行離散,建立三維計算數(shù)值模型。其中,根據(jù)抽水井濾管位置及帷幕深度進(jìn)行了分層。在網(wǎng)格剖分中,對計算區(qū)域進(jìn)行了局部加密。3、坑內(nèi)水位最小降深(1)E區(qū)預(yù)測降深云圖根據(jù)初步降水設(shè)計,E區(qū)開啟坑內(nèi)10口降壓井(2口作為降壓備用兼觀測井),進(jìn)行降水預(yù)測。E區(qū)開啟坑內(nèi)10口降壓井(2口作為降壓備用兼觀測井),坑內(nèi)水位最小降深約在2.8m,可以滿足基坑降水的需求。(2)J區(qū)預(yù)測降深云圖根據(jù)初步降水設(shè)計,J區(qū)開啟坑內(nèi)10口降壓井(2口作為降壓備用兼觀測井),進(jìn)行降水預(yù)測。由圖9可知,J區(qū)開啟坑內(nèi)10口降壓井(2口作為降壓備用兼觀測井),坑內(nèi)水位最小降深約在14.4m,可以滿足基坑降水的需求。(3)L區(qū)預(yù)測降深云圖根據(jù)初步降水設(shè)計,L區(qū)開啟坑內(nèi)5口降壓井(1口作為降壓備用兼觀測井),進(jìn)行降水預(yù)測。L區(qū)開啟坑內(nèi)5口降壓井(1口作為降壓備用兼觀測井),坑內(nèi)水位最小降深約在2.80m,可以滿足基坑降水的需求。五、降水設(shè)計結(jié)果與分析1、大面積基坑降水時候可以降其劃分