广州地铁五号线大坦沙南站深基坑渗流问题研究摘 要: 某地铁站基坑按不同区段分别采用地下连续墙或排桩支护, 因石灰岩地区地质和水文条件复杂, 需解决连续墙墙底绕流、排桩间渗漏和降水减压方案布置等问题, 文中针对渗流问题进行分析计算, 为施工提供安全保障。关键词: 渗流场; 减压井; 有限元; 地铁1 工程概况 广州市轨道交通五号线大坦沙南站位于广州市荔湾区双桥路, 基坑长 249.2m、宽 73.5m, 坑底设计高程为- 3.18m￣- 3.50m, 最大开挖深度约 11m, 场地平面如图 1 所示。
该场地位于双桥路, 部分地段为农田, 地形平坦, 地面高程 5.61m￣7.70m, 为珠江干流冲积形成的江心沙洲, 东西两侧均为珠江流域?；幽喜辔闳芳肮? 西面距基坑边 4m 处为木桩基础的某娱乐城, 附近为天然浅基础或木桩基础的民居。附近无高层建筑。 该处地段为石灰岩区域, 岩面起伏大, 溶洞发育,岩面以上土层分别为淤泥质细砂、粗砂层及粘土层,其中大部分为强透水砂层; 岩面粘土层厚度为 1.5￣8.0m, 部分区域粘土层缺失, 岩面与砂层直接相连。场地地下水丰富, 平均高程 4.95m, 与珠江水存在水力联系。 基坑支护采用地下连续墙或“排桩+桩间旋喷桩”的方法, 但连续墙槽段较长, 墙底在粘土层缺失地段难以有效止水; “排桩+桩间旋喷”则存在桩间漏水流砂的可能。为了满足施工要求, 坑内需进行降水,但坑外一定范围的降水有可能产生地面沉降, 为确保施工的安全进行, 必须对基坑渗流问题进行研究。2 地质条件 本场地土层自上而下依次为: 海陆交互相淤泥、淤泥质土层(Q4mc)、海陆交互相沉积砂层(Q4mc): 冲积～洪积中粗砂层(Q3al+pl); 灰岩微风化带。场地内溶洞发育, 石灰岩分布地段钻孔见洞率达 74%, 大部分地段还发育有多层串珠状溶洞, 高 0.15￣10.6m, 平均1.84m, 洞内大部分无充填物, 局部充填流塑～可塑的粘性土或砂土。3 墙底绕流渗流分析 从表 1 可知, 即使连续墙底距岩面仅 5cm, 各区弱透水层的最大承压水头仍高于允许值, 故需设置减压井进行减压, 以确?；椎陌踩榷ā?IMG style="BORDER-LEFT-COLOR: #000000; FILTER: ; BORDER-BOTTOM-COLOR: #000000; BORDER-TOP-COLOR: #000000; BORDER-RIGHT-COLOR: #000000" alt="" src="http://www.qitianmall.com/static/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.qitianmall.com/uploads/allimg/200912/2009121814580491.gif" border=0>4 排桩渗流稳定分析 排桩方案的优点是桩径较小, 对岩层变化具有较好的适应能力, 对岩层上部的砂层可完全封堵; 但缺点是排桩净间距有 10cm, 主要依靠排桩之间的旋喷桩止水, 而该区域上方为广佛放射线, 施工净空不足, 旋喷桩施工质量较难保证, 出现漏洞的机会较大, 漏洞区的水力坡降很大, 通常均超过砂发生流土破坏的极限值, 但是否发生破坏还与漏洞和基坑底面的相对位置有关, 会产生不同的后果。 采用剖面渗流有限元计算程序进行计算分析,假设排桩中出现 1 个 10cm 漏洞, 其所处位置有以下4 种工况: ①位于基坑底面以上 3m 处; ②位于基坑底面处; ③位于基坑底面以下 0.75m 处; ④位于基坑底面以下 3m 处。 工况①、②的漏洞位于基坑深度(基坑内侧临空)范围内, 其发生流土破坏的控制因素是水平水力坡降。从表 2 可知, 其水平水力坡降均远大于砂发生流土破坏的极限值(0.07), 因此若漏洞处发生流土破坏, 则基坑以外漏洞高程附近的砂就会迅速被淘蚀, 以致发生大规模涌砂而导致排桩失效。 工况③、④的漏洞位于基坑面以下一定深度, 其发生流土破坏的控制因素是垂直水力坡降。从表 2可知, 两种工况下排桩内侧基坑底面处的垂直水力坡降均小于 0.99(根据太沙基公式)且安全系数均大于 1.5, 表层不发生垂直渗透破坏, 这两种工况就不存在流土破坏的问题, 但渗流量就比较大。5 降水减压5.1 计算方法 为了满足基坑坑底和结构底板的抗浮要求, 需采取减压降水措施, 主要解决减压井的布置问题, 分析减压降水效果, 得出基坑内设减压井后基坑内部和周围地层水头的变化和分布情况, 同时要计算分析基坑减压后地面沉降对周边重要建筑物和道路管线的影响, 控制沉降在允许范围内。 根据地层特点, 渗流计算采用改进的水平二向渗流有限元计算程序[1], 它适用于对强弱透水层相间地层内的地下水渗流场进行分析, 其计算地质层数最多为 4 层, 计算范围可达数公里, 可方便地模拟地表沟塘引起的覆盖层变化, 并可考虑防渗墙、减压井等各种措施对空间渗流场的影响。5.2 计算区域 渗流计算区域为基坑外向北 600m, 向东、南、西侧各延伸约 600m, 除北侧 AB 边外其余各计算边界均取在江边, 如图 1 所示粗线范围内的区域。5.3 减压井的布置 由于地质条件复杂和施工工艺的限制, 围护结构无法完全封堵连续墙底与石灰岩岩面之间的透水砂层, 且连续墙底与岩面之间缝隙处的水平水力坡降较大, 浅层靠近连续墙处的垂直水力坡降较大, 而此部位也是布置减压井后较易因抽水而发生管涌、流砂等险情的地方。因此减压井布置在基坑中央, 使其与周边连续墙有一定距离, 井口直径取 300mm,滤管长约 5m, 伸入下层强透水层, 顶部在上层弱透水层底面以下约 1～2m, 井管在基坑内居中布置, 其布置如图 2 所示?？悸欠奖闶┕? 按施工方要求共布置 8 口减压井, 当井口高程为- 3m 时, 因高于基坑底面(高程- 3.43m), 故采取自流方式; 当调整井口高程为 - 5m 时, 因低于坑底高程, 故采取抽水减压方式。5.4 计算结果 ⑴ 连续墙与岩面之间漏缝 50cm 对于连续墙下粘土层缺失而直接为砂层的地方,考虑到岩面起伏, 取 50cm 的漏缝, 即石灰岩上有砂层或粘土层厚度过小处不进行摆喷施工。 对两种不同井口高程的基坑底部覆盖层的抗浮验算结果见表 3, 可见当减压井井口高程为- 3m 时,Ⅱ区～Ⅴ区不满足抗浮要求; 当井口高程为-5m时, Ⅱ区和Ⅴ区不满足抗浮要求; 但Ⅱ区覆盖层仅厚 0.23m,可采取挖穿弱透水层, 回填石粉或粗( 中) 砂作为反滤的方法减压, 便可解决抗浮问题。 当降低井口高程抽水时, 对周围建筑物的影响会增大, 但最大沉降仅为 33mm, 未超出规范规定的50mm 的限值。 ⑵ 连续墙与岩面之间漏缝 5cm 考虑到施工的现实性和可行性, 假设摆喷仅封堵了 90%的砂层, 连续墙底与岩面之间仍留有 5cm的透水间隙, 对此进行计算分析。 从表 3 可以看出, 当减压井井口高程为-3m 时,Ⅱ区采用挖穿弱透水层的方法后, 只有Ⅲ区和Ⅴ区不满足抗浮要求; 当井口高程为-5m 时, 各区域均满足要求。采用强抽时基坑周边最大沉降量为 27.3mm,小于规范所规定的限值。6 结论 6.1 当连续墙墙底进入到石灰岩面以上粘土层内1m 或墙底与石灰岩面之间采用有效的摆喷注浆处理时, 均可对墙底绕流进行有效封堵, 此时墙底渗流量很小甚至是完全得到控制, 也不存在基坑底弱透水层的抗浮问题。 6.2 当连续墙墙底与石灰岩岩面之间存在 50cm 的强透水砂层时, 此工况是考虑了施工中可能出现的最不利情况。由计算结果可发现, 通过布置减压井,大部分区域均可达到消减弱透水层底压力的目的;当弱透水层厚度较小时, 可考虑挖穿弱透水层并铺设反滤料进行排水减压。 6.3 当连续墙墙底与石灰岩岩面之间封堵了 90%的强透水砂层, 仍有 5cm 的砂层未能有效封堵时,相比上一种工况, 基坑内弱透水层底的水头相对减小, 但渗流量仍较大, 说明连续墙底只要有缝, 渗流量都会很大, 因此应尽量封堵好连续墙底与岩面之间的漏缝。 6.4 对于排桩支护时桩间的渗漏问题, 如排桩在基坑底面或以上部分存在漏洞, 则会成为砂发生流土破坏的出口; 若排桩在基坑底面以下部分有漏洞, 则无发生流土破坏的危险, 但渗流量较大, 所以基坑底面以上排桩间的漏洞应确保完全封堵, 基坑底面附近排桩间的漏洞也应尽量封堵。如施工过程中发现基坑底- 5.0m 以上存在漏洞时, 建议采用两种方案进行处理, 一是用旋喷补喷进行堵漏; 二是利用淤泥质砂各向异性的特点, 在排桩后面相距 1.2m处加设f 500@350 搅拌桩墙, 搅拌桩应施工至基坑底-5.0mm以下。 6.5 通过在基坑内布设一定数量的减压井, 可很好地满足基坑坑底和结构底板的抗浮要求, 当需要更严格控制沉降或因抽水减压而导致基坑周边沉降过大时, 可在基坑周边设置回灌井注水来满足沉降控制要求。参 考 文 献[1] 曹洪, 张挺, 陆培炎. 北江大堤石角段强透水堤基渗流分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2001(6)
该场地位于双桥路, 部分地段为农田, 地形平坦, 地面高程 5.61m￣7.70m, 为珠江干流冲积形成的江心沙洲, 东西两侧均为珠江流域?；幽喜辔闳芳肮? 西面距基坑边 4m 处为木桩基础的某娱乐城, 附近为天然浅基础或木桩基础的民居。附近无高层建筑。 该处地段为石灰岩区域, 岩面起伏大, 溶洞发育,岩面以上土层分别为淤泥质细砂、粗砂层及粘土层,其中大部分为强透水砂层; 岩面粘土层厚度为 1.5￣8.0m, 部分区域粘土层缺失, 岩面与砂层直接相连。场地地下水丰富, 平均高程 4.95m, 与珠江水存在水力联系。 基坑支护采用地下连续墙或“排桩+桩间旋喷桩”的方法, 但连续墙槽段较长, 墙底在粘土层缺失地段难以有效止水; “排桩+桩间旋喷”则存在桩间漏水流砂的可能。为了满足施工要求, 坑内需进行降水,但坑外一定范围的降水有可能产生地面沉降, 为确保施工的安全进行, 必须对基坑渗流问题进行研究。2 地质条件 本场地土层自上而下依次为: 海陆交互相淤泥、淤泥质土层(Q4mc)、海陆交互相沉积砂层(Q4mc): 冲积～洪积中粗砂层(Q3al+pl); 灰岩微风化带。场地内溶洞发育, 石灰岩分布地段钻孔见洞率达 74%, 大部分地段还发育有多层串珠状溶洞, 高 0.15￣10.6m, 平均1.84m, 洞内大部分无充填物, 局部充填流塑～可塑的粘性土或砂土。3 墙底绕流渗流分析 从表 1 可知, 即使连续墙底距岩面仅 5cm, 各区弱透水层的最大承压水头仍高于允许值, 故需设置减压井进行减压, 以确?；椎陌踩榷ā?IMG style="BORDER-LEFT-COLOR: #000000; FILTER: ; BORDER-BOTTOM-COLOR: #000000; BORDER-TOP-COLOR: #000000; BORDER-RIGHT-COLOR: #000000" alt="" src="http://www.qitianmall.com/static/image/lazy.gif" class="lazy" original="http://www.qitianmall.com/uploads/allimg/200912/2009121814580491.gif" border=0>4 排桩渗流稳定分析 排桩方案的优点是桩径较小, 对岩层变化具有较好的适应能力, 对岩层上部的砂层可完全封堵; 但缺点是排桩净间距有 10cm, 主要依靠排桩之间的旋喷桩止水, 而该区域上方为广佛放射线, 施工净空不足, 旋喷桩施工质量较难保证, 出现漏洞的机会较大, 漏洞区的水力坡降很大, 通常均超过砂发生流土破坏的极限值, 但是否发生破坏还与漏洞和基坑底面的相对位置有关, 会产生不同的后果。 采用剖面渗流有限元计算程序进行计算分析,假设排桩中出现 1 个 10cm 漏洞, 其所处位置有以下4 种工况: ①位于基坑底面以上 3m 处; ②位于基坑底面处; ③位于基坑底面以下 0.75m 处; ④位于基坑底面以下 3m 处。 工况①、②的漏洞位于基坑深度(基坑内侧临空)范围内, 其发生流土破坏的控制因素是水平水力坡降。从表 2 可知, 其水平水力坡降均远大于砂发生流土破坏的极限值(0.07), 因此若漏洞处发生流土破坏, 则基坑以外漏洞高程附近的砂就会迅速被淘蚀, 以致发生大规模涌砂而导致排桩失效。 工况③、④的漏洞位于基坑面以下一定深度, 其发生流土破坏的控制因素是垂直水力坡降。从表 2可知, 两种工况下排桩内侧基坑底面处的垂直水力坡降均小于 0.99(根据太沙基公式)且安全系数均大于 1.5, 表层不发生垂直渗透破坏, 这两种工况就不存在流土破坏的问题, 但渗流量就比较大。5 降水减压5.1 计算方法 为了满足基坑坑底和结构底板的抗浮要求, 需采取减压降水措施, 主要解决减压井的布置问题, 分析减压降水效果, 得出基坑内设减压井后基坑内部和周围地层水头的变化和分布情况, 同时要计算分析基坑减压后地面沉降对周边重要建筑物和道路管线的影响, 控制沉降在允许范围内。 根据地层特点, 渗流计算采用改进的水平二向渗流有限元计算程序[1], 它适用于对强弱透水层相间地层内的地下水渗流场进行分析, 其计算地质层数最多为 4 层, 计算范围可达数公里, 可方便地模拟地表沟塘引起的覆盖层变化, 并可考虑防渗墙、减压井等各种措施对空间渗流场的影响。5.2 计算区域 渗流计算区域为基坑外向北 600m, 向东、南、西侧各延伸约 600m, 除北侧 AB 边外其余各计算边界均取在江边, 如图 1 所示粗线范围内的区域。5.3 减压井的布置 由于地质条件复杂和施工工艺的限制, 围护结构无法完全封堵连续墙底与石灰岩岩面之间的透水砂层, 且连续墙底与岩面之间缝隙处的水平水力坡降较大, 浅层靠近连续墙处的垂直水力坡降较大, 而此部位也是布置减压井后较易因抽水而发生管涌、流砂等险情的地方。因此减压井布置在基坑中央, 使其与周边连续墙有一定距离, 井口直径取 300mm,滤管长约 5m, 伸入下层强透水层, 顶部在上层弱透水层底面以下约 1～2m, 井管在基坑内居中布置, 其布置如图 2 所示?？悸欠奖闶┕? 按施工方要求共布置 8 口减压井, 当井口高程为- 3m 时, 因高于基坑底面(高程- 3.43m), 故采取自流方式; 当调整井口高程为 - 5m 时, 因低于坑底高程, 故采取抽水减压方式。5.4 计算结果 ⑴ 连续墙与岩面之间漏缝 50cm 对于连续墙下粘土层缺失而直接为砂层的地方,考虑到岩面起伏, 取 50cm 的漏缝, 即石灰岩上有砂层或粘土层厚度过小处不进行摆喷施工。 对两种不同井口高程的基坑底部覆盖层的抗浮验算结果见表 3, 可见当减压井井口高程为- 3m 时,Ⅱ区～Ⅴ区不满足抗浮要求; 当井口高程为-5m时, Ⅱ区和Ⅴ区不满足抗浮要求; 但Ⅱ区覆盖层仅厚 0.23m,可采取挖穿弱透水层, 回填石粉或粗( 中) 砂作为反滤的方法减压, 便可解决抗浮问题。 当降低井口高程抽水时, 对周围建筑物的影响会增大, 但最大沉降仅为 33mm, 未超出规范规定的50mm 的限值。 ⑵ 连续墙与岩面之间漏缝 5cm 考虑到施工的现实性和可行性, 假设摆喷仅封堵了 90%的砂层, 连续墙底与岩面之间仍留有 5cm的透水间隙, 对此进行计算分析。 从表 3 可以看出, 当减压井井口高程为-3m 时,Ⅱ区采用挖穿弱透水层的方法后, 只有Ⅲ区和Ⅴ区不满足抗浮要求; 当井口高程为-5m 时, 各区域均满足要求。采用强抽时基坑周边最大沉降量为 27.3mm,小于规范所规定的限值。6 结论 6.1 当连续墙墙底进入到石灰岩面以上粘土层内1m 或墙底与石灰岩面之间采用有效的摆喷注浆处理时, 均可对墙底绕流进行有效封堵, 此时墙底渗流量很小甚至是完全得到控制, 也不存在基坑底弱透水层的抗浮问题。 6.2 当连续墙墙底与石灰岩岩面之间存在 50cm 的强透水砂层时, 此工况是考虑了施工中可能出现的最不利情况。由计算结果可发现, 通过布置减压井,大部分区域均可达到消减弱透水层底压力的目的;当弱透水层厚度较小时, 可考虑挖穿弱透水层并铺设反滤料进行排水减压。 6.3 当连续墙墙底与石灰岩岩面之间封堵了 90%的强透水砂层, 仍有 5cm 的砂层未能有效封堵时,相比上一种工况, 基坑内弱透水层底的水头相对减小, 但渗流量仍较大, 说明连续墙底只要有缝, 渗流量都会很大, 因此应尽量封堵好连续墙底与岩面之间的漏缝。 6.4 对于排桩支护时桩间的渗漏问题, 如排桩在基坑底面或以上部分存在漏洞, 则会成为砂发生流土破坏的出口; 若排桩在基坑底面以下部分有漏洞, 则无发生流土破坏的危险, 但渗流量较大, 所以基坑底面以上排桩间的漏洞应确保完全封堵, 基坑底面附近排桩间的漏洞也应尽量封堵。如施工过程中发现基坑底- 5.0m 以上存在漏洞时, 建议采用两种方案进行处理, 一是用旋喷补喷进行堵漏; 二是利用淤泥质砂各向异性的特点, 在排桩后面相距 1.2m处加设f 500@350 搅拌桩墙, 搅拌桩应施工至基坑底-5.0mm以下。 6.5 通过在基坑内布设一定数量的减压井, 可很好地满足基坑坑底和结构底板的抗浮要求, 当需要更严格控制沉降或因抽水减压而导致基坑周边沉降过大时, 可在基坑周边设置回灌井注水来满足沉降控制要求。参 考 文 献[1] 曹洪, 张挺, 陆培炎. 北江大堤石角段强透水堤基渗流分析[J]. 岩石力学与工程学报, 2001(6)
