南京长江隧道工程江北盾构工作井基坑降水设计方案研究

强盈　幽　南京长江隧道工程江北盾构工作井基坑降水　设计方案研究　文０付道兴（南京长江隧道有限责任公司江苏）　摘要：针对长江堤外滩地处深大基坑　降水设计方案研究，对基坑涌水量的估　算、降水井的深度验算、降水井结构方案　比选及对周围环境影响的评估与监测，为　Ｙ　～一水的重度。　成果综合确定。　其中，盾构井区域因坑底已经揭穿含　水层顶板，承压水势必对开挖造成影响，　（二）基坑涌水量的估算　计算方法：按稳定流承压环形非完整　其它取段根据突涌验算，坑底突涌抗力分　井考虑。　类似工程降水设计提供参考。　关键词：盾构工作井；降水；设计方案　一、工程概况　南京长江隧道隧道总长度３　７１　０ｍ，其　中盾构段２　８　３　０ｍ，江北盾构工作井基坑长　２６ｍ×宽４９．４ｍ，基坑开挖面积约１４０００ｍ２，　其安全等级为一级。地层结构除填土层　外，地表有“硬壳层”，覆盖层具有二元结　构特征，上部为静水沉积相粘性土，下部　为长江冲洪积相砂类地层。基坑处于长江　堤外滩地，临近长江水域，地下水位随长　江水位的起落而升降，地下水极为丰富，　属于典型的富水深大基坑，在国内尚无类　似工程事例，基坑开挖施工风险极大。　二．基坑降水的必要性　一般基坑工程随着开挖深度增加，承　压含水层中的承压水对隔水顶板的水压逐　渐增大，而坑底下隔水顶板土体随着厚度　变薄，土体自重应力逐渐减少，而承压水　水压超过顶板土体自重应力，或挖穿顶板　土体，就会产生涌水、流砂，形成地下水　水患。　该区段地面标高在５．４　５～６．５　０　ｍ之　间，承压水含水层为上部５层粉细砂、７　１层粉细砂、７—２层粉土、８层粉细砂等，　其顶板埋深在地面下９．３０～１９．９０ｍ（绝对　标高约为一４．１　７　一１４．８８　ｍ）左右。参考　岩土工程勘察报告及抽水试验报告，勘察　期间处于枯水季节，承压水位标高按３．　８２ｍ，即埋深２．００ｍ，根据设计文件要求，　为确保坑底稳定，降低坑底承压水头高　度，按开挖深度的不同，分段采用疏干降　水和减压降水。　按开挖到垫层底时进行突涌验算，采　用以下公式，进行抗承压水突涌稳定性验　算：　：零　霉　式中：ｖ　一一坑底突涌抗力分项系　数，对于大面积普遍开挖应大干１．２；对　于局部承台分别开挖，应大干１．０；　Ｄ一一坑底至承压水层顶板的距离；　Ｙ一一Ｄ范围内土的平均天然重度；　Ｈ　～一承压水水头高度；　８６　项系数及降水设计要求见下表：　计算结果表明，当基坑施工开挖到底　板底时，均极易发生承压水突涌或管涌问　题，因此，为保证深基坑开挖及盾构始发　井施工的顺利进行，必须对场地承压水进　行有效治理，近几年大量的经验表明，深　井降水作为治理承压水是一项行之有效，　质量便于控制的常用方法，所以本基坑采　取深井降水是最佳措施。　三，降水方案设计　对于长江隧道基坑填土中赋存的上层　滞水，采用连续墙止水帷幕及桩间高压旋　喷止水帷幕阻隔，在开挖过程中，不会对　工程造成不利影响。对于深层地下水水，　考虑承压水头较高，为防止发生突涌或管　涌问题，为保证深基坑开挖及地下室施工　的顺利进行，必须对场地承压水进行有效　治理Ｉ２】。　因此，对于该场地地下承压水治理采　用侧向帷幕结合深井降水方法。以下结合　该工程的具体条件对降水方案进行设计。　（一）设计原则　１、本设计方案处理对象为深层承压　水，粉土夹层中的地下水因滞后效应难以　一　疏干，采取地下连续墙、搅拌桩侧向止水　帷幕对其阻隔；　２、盾构井ＪＢ１６节攀　（ＬＫ３＋５７４．３８７～　６００）基坑已经揭穿过渡含水层（粉土）顶　板，降水设计按疏干法考虑；　３、由于明挖段Ｊ　Ｎ　Ｏ　５～Ｊ　Ｎ　１　６　（ＬＫ３＋３２６～５７４．３　８７）开挖底板底距离含　水层顶板有一定距离，降水设计按减压法　考虑；　４、根据明挖段开挖段深度由深至浅　的特点，采用降水井间距由密变疏的原则　布设；　５、利用含水层渗透性能由浅至深逐　渐增大的特性，采用非完整井，以减小涌　水量，保证降深；　６．及时降低下部承压水层的水头高　度，防止基坑深挖过程中发生突涌现象。　加固基坑内和坑底下的土体，提高坑内土　体抗力，从而减少坑底隆起和围护结构的　变形量，防止坑外地表过量沉降；　７、设计参数结合规范、现场抽水试验　（１）江北盾构井及ＪＢ１４节　ＪＢ１６节段　采用大井法［１】对基坑最大涌水量进行概　算。　计算公式：口擘　式中：Ｑ～一基坑涌水量（ｍ　３／ｄ）；　Ｋ～一含水层渗透系数（取值１　６ｍ／　ｄ）；　Ｍ一一含水层厚度（取值５　０ｍ）；　Ｒ一一抽水影晌半径（取值ｌ　２０ｍ）；　Ｓ——基坑内承压水降深（取值２１．５０ｍ，　即承压水由初始值一２．０ｍ降至一２３．５０ｍ）；　ｒ　——基坑折算半径（取值２９．９ｍ，盾　构井及ＪＢ１　４节　ＪＢ１　６节基坑概化面积为　２７０３ｍ２）　将上述参数代入公式可得：Ｑ：　６７Ｏ３７ｍ’／ｄ。　考虑地下连续墙对周边水头有一定阻　渗作用，考虑水量２　０％衰减；Ｑ　：　６７０３７ｍ’／ｄ×８０％＝５３６３０ｍ’／ｄ＝２２３５ｍ３／ｈ　根据计算所得到的基坑涌水量，如果　单井抽水量设计为５０ｍ　３／ｈ，则共需的井数　为４　５口；如果单井抽水量设计为８０ｍ’／ｈ，　则共需的井数为２　８口。考虑基坑面积较　小，故同时采用５Ｏｍ３／ｈ　８Ｏｍ３／ｈ深井泵交　错使用，则需降水井３　Ｏ口　（２）对ＪＮＯ２　ＪＮＯ５段进行估算：　ｓ＝　扣　Ｒ　［２１　式中：ｓ一一承压水位下降设计值（按　设计要求分段取值）；　Ｋ（综合渗透系数）、Ｍ（含水层厚度）、　Ｒ（抽水影响半径）同上；　Ｑ．一一单井抽水量（ｍ　／ｄ）；　ｒ．任意点距抽水井的平面距离　（ｍ）。　由于明挖段平面形状为长条形，不能　采用大井法估算涌水量。以设计降深要求　作为控制原则，利用“天汉软件　进行多　种井位与流量情况下的试算，以确定最合　理的降水方案。　经设计，盾构井及ＪＢｌ４～ＪＢ１６节区域　布置降水井３　０口，２口观测井；明挖段　维普资讯 http://www.cqvip.com ＳＨＥＮＧ　ｔＨＡＮ　Ｖ／Ｘ／ＡＮ　（ＬＫ３＋３２６～５７４．３８７）基坑布置２５口降水　（３）尽量避开格构柱、内支撑、地梁　等位置；　因为该地段粘性土层较厚，其垂直方　向上渗透系数很小，故地面沉降量随时间　的增值比较缓慢，其沉降量在降水启动　后，沉降滞后效应非常明显，在合理的降　水设计和良好的施工质量的前提下，降水　引起的地面沉降量一般小于预测计算值，　井，２口观测井。该方案技术合理，造价　经济，完全满足基坑施工降深要求，保证　了不同施工区域减压降水的合理降深要　（４）不影响基坑及地下室结构施工，　便于布设排水管；　（５）所有降水井均必须经验收合格，　方可投入运行，验收标准包括井结构参　（６）所有井管都要求圆直，成井时井　管下到预计深度后，其环状间隙，应尽快　按设计要求填充砾料及优质干粘土球。　２、降水维持期的施工要求　（１）安装好排水系统，采用管道排水，　求，避免了无谓的超降，有利于控制降水　对周边环境造成的沉降影响。　左右；明挖段根据设计开挖要求的不同，　井距在ｌ　８～２　８米左右，均可以加大井间水　头降幅，利于地下水的疏干。　采用“天汉深基坑设计软件”验算，结　果详见设计计算书。　经验算，盾构井段井距大部分在ｌ　０米　数、单井出水量和水的含砂量。　且沉降比较均匀。即使如此，考虑到预测　计算值，应充分重视对进行深井降水对周　围环境可能造成的不利影响。在深基坑开　挖过程中，应根据挖土程序的需要及基坑　的施工进度，合理调整抽水井开启数量，　减小基坑周边水位降幅。　降水施工时，应先施工ｌ～２口抽水　井，复核设计参数，并据此对设计方案作　适当调整。　（三）降水井的深度及降水井结构　至于降水井的深度，因抽取承压水的　目的是为了降低承压水位，故在具体降水　过程中要尽量减少抽水量，同时又要保证　降水井的含砂量不超过有关规范要求。结　合场区实际地质条件，降水井采用中深　井，深度可定为３　５～３　８ｍ（根据初期成井　试验资料确定实际深度）。　根据相关规范以及该区地质条件，结　合类似工程经验，降水井布置原则：必须　保证基坑内每一点的降深均满足设计要　求；尽量减少因基坑内抽水对周围环境造　成的不利影响。　降水井结构必须满足以下技术要求：　ｌ、降水井井深３　５米～３　８ｍ（降水井　底端以不进入ｌ　０层砾砂为原则）【３】。　其中：地面以下０～２５ｍ为实管，２５１ＴＩ　以下为滤水管。　基坑内降水井为防止土方开挖对其造　成破坏，建议采用　２５０～３００钢管，基坑外　降水井采用　３　０　０水泥管。　２、井管与孔壁之间下部回填填滤料，　上部填置粘土球，滤料的填置高度以７一ｌ　层或７—２层粉砂、粉土顶端进行控制。　３．单井涌水量不小于５０ｍ　／ｈ，单井　抽水含砂量不超过ｌ／ｌ０００００。　４．洗井充分，水位反映灵敏。　综上所述，可以设计出降水井的结构　并制定相关施工工艺流程。　（四）施工技术措施　１．成井施工技术要求　为有效保证明挖段施工工期，降水井　的施工建议分阶段进行，前期施工基坑内　降水井，为土方开挖提供施工场地，后期　施工坑外降水井，与上部土方开挖同步进　行。在施工过程后随时进行群井抽水试　验，进一步校核设计参数，优化设计方案。　（１）必须保证基坑内每一点的降深均　满足设计要求；　（２）根据基坑分区开挖深度要求，合　理布置；　将抽出的地下水排入有排泄能力的市政排　水系统，防止倒流。　（２）配备有安全装置的供配电系统，　供电量不小于５　５　０ＫＷ，并配备双回路电源　（备用发电机），以便在主电源临时停电　时，在ｌ　０ｉＴＩｉｎ内能继续供电抽水。其它设　备用电不得干扰降水用电或串入降水供电　线路内用电。为保障水泵运转和正常使　用，对电机设备要配有补偿保护装置。　（３）降水维持期间可以根据实测的承　压水高度调节降水高度。　（４）降水维持适宜采用分段分级降　水，按开挖进度及降水要求逐渐开启降水　井数量，严格控制因降水引起的周边地层　不均匀沉降。　（５）整个抽水维持期内，应当根据基　坑的施工状况，进行信息法管理，以最适　当的排水量，确保达到深基坑具有干燥的　作业空间，严禁随意开启或关闭水泵。　（６）成立现场专班，作好各项记录，确　保各抽水、排水和供配电系统的正常运　行，发生设备等故障和基坑险情时，能及　时反馈并采取有效措施加以排除。　（７）各种施工机械要避免碰撞损坏降　水设备、供电线路，排水渠道要保持畅道，　不得向渠道内倾倒垃圾及堆放物品，不得　损坏降水设施。　四．对周围环境影响的评估与监测　基坑开挖及降水后，承压水位降低将　使周边土层产生附加荷载而导致相应的沉　降，对周围建筑物及市政设施会构成不同　程度的危害。鉴于此，对可能发生的危害　程度做出正确的评估是非常必要的。根据　相关技术规定，估算因降水而引起的地面　最大沉降量可用下式计算：　式中　△Ｓｗ　为承压水水位下降引起　的地面沉降量；矗　旁　Ｍ磅如　！　甄　Ｍｓ取经验数值０．３０～０．９０；　６　ｗｉ一为承压水下降引起ｉ层的附加　应力（ｋＰａ）；　Ａ　ｈｉ　为ｉ层厚度（ｃｍ）；　Ｅｓｉ一为ｉ层的压缩模量（ＭＰａ）。　五、封井措施　根据长江堤防有关规定，深井降水完　毕后，应采取有效措施封堵井孔，避免承　压水沿井孔及井壁上涌，根据该工程的特　点封井的原则及具体措施如下。　（一）承台底板施工时，应在降水井管　壁加焊两层止水圈，止水圈采用圆形钢环　焊接，钢环直径　５　００ｍｍ，焊接部位为：　下层为底板底以上ｌ　０～２０Ｃ１ＴＩ，上层为底板　面以下ｌ　０　２０Ｃ１ＴＩ，防止承压水沿井壁上涌　［４　（二）基坑底板施工完毕并达到一定　强度后，为减小降水井井管对施工造成影　响，应根据施工季节的地下水位，在充分　考虑底板的强度的基础上，合理调整开启　井的数量，对不再开启使用的降水井及时　封堵。　（三）降水井的封堵宜采用“先里后　外，先深后浅”的原则，封堵前，先加大　该井周边的降水力度，使待封井管内水位　降至最低进行封堵，对最后封堵的降水　井，应慎重处理【５】。　（四）对前期底板施工后封堵的井孔　应充分考虑后期洪水季节水位的上涨是否　对地下结构施工造成影响。　（五）±ｏ．ｏｏ施工完毕后，采取“以砂　还砂，以土还土”的原则，封堵井孔，并　加焊封口钢板。　六．结束语　在方案设计过程中，结合水文地质条　件，通过不同的降水方案比选，最后确定　了本方案。目前，南京长江隧道工程江北　工作井基坑主体结构已顺利完成，在基坑　开挖过程中，严格按本降水设计方案取得　了良好效果，在过江盾构工作井施工中具　有推广价值。　参考文献：　［Ｉ］湖北省深基坑工程技术规定（ＤＢ４２／Ｉ　５　９—　２００４）　［２］长江南京上游过江通道抽水试验报告　２００６；　［５］供水管井设计技术规范（ＧＢ５０２９６—９９　［４］建筑基坑支护技术规程（ＪＧＪ１　２０／９９￣，　［５］陶兴文．井点降水施工实践探索［Ｍｊ　探矿工　程．１　９９４（１）２２－２　８７