廣州地鐵五號線大坦沙南站深基坑滲流問題研究摘 要: 某地鐵站基坑按不同區段分別采用地下連續墻或排樁支護, 因石灰巖地區地質和水文條件復雜, 需解決連續墻墻底繞流、排樁間滲漏和降水減壓方案布置等問題, 文中針對滲流問題進行分析計算, 為施工提供安全保障。關鍵詞: 滲流場; 減壓井; 有限元; 地鐵1 工程概況 廣州市軌道交通五號線大坦沙南站位于廣州市荔灣區雙橋路, 基坑長 249.2m、寬 73.5m, 坑底設計高程為- 3.18m￣- 3.50m, 最大開挖深度約 11m, 場地平面如圖 1 所示。
該場地位于雙橋路, 部分地段為農田, 地形平坦, 地面高程 5.61m￣7.70m, 為珠江干流沖積形成的江心沙洲, 東西兩側均為珠江流域。基坑南側為廣三鐵路及公路, 西面距基坑邊 4m 處為木樁基礎的某娛樂城, 附近為天然淺基礎或木樁基礎的民居。附近無高層建筑。 該處地段為石灰巖區域, 巖面起伏大, 溶洞發育,巖面以上土層分別為淤泥質細砂、粗砂層及粘土層,其中大部分為強透水砂層; 巖面粘土層厚度為 1.5￣8.0m, 部分區域粘土層缺失, 巖面與砂層直接相連。場地地下水豐富, 平均高程 4.95m, 與珠江水存在水力聯系。 基坑支護采用地下連續墻或“排樁+樁間旋噴樁”的方法, 但連續墻槽段較長, 墻底在粘土層缺失地段難以有效止水; “排樁+樁間旋噴”則存在樁間漏水流砂的可能。為了滿足施工要求, 坑內需進行降水,但坑外一定范圍的降水有可能產生地面沉降, 為確保施工的安全進行, 必須對基坑滲流問題進行研究。2 地質條件 本場地土層自上而下依次為: 海陸交互相淤泥、淤泥質土層(Q4mc)、海陸交互相沉積砂層(Q4mc): 沖積～洪積中粗砂層(Q3al+pl); 灰巖微風化帶。場地內溶洞發育, 石灰巖分布地段鉆孔見洞率達 74%, 大部分地段還發育有多層串珠狀溶洞, 高 0.15￣10.6m, 平均1.84m, 洞內大部分無充填物, 局部充填流塑～可塑的粘性土或砂土。3 墻底繞流滲流分析 從表 1 可知, 即使連續墻底距巖面僅 5cm, 各區弱透水層的最大承壓水頭仍高于允許值, 故需設置減壓井進行減壓, 以確保基底的安全穩定。4 排樁滲流穩定分析 排樁方案的優點是樁徑較小, 對巖層變化具有較好的適應能力, 對巖層上部的砂層可完全封堵; 但缺點是排樁凈間距有 10cm, 主要依靠排樁之間的旋噴樁止水, 而該區域上方為廣佛放射線, 施工凈空不足, 旋噴樁施工質量較難保證, 出現漏洞的機會較大, 漏洞區的水力坡降很大, 通常均超過砂發生流土破壞的極限值, 但是否發生破壞還與漏洞和基坑底面的相對位置有關, 會產生不同的后果。 采用剖面滲流有限元計算程序進行計算分析,假設排樁中出現 1 個 10cm 漏洞, 其所處位置有以下4 種工況: ①位于基坑底面以上 3m 處; ②位于基坑底面處; ③位于基坑底面以下 0.75m 處; ④位于基坑底面以下 3m 處。 工況①、②的漏洞位于基坑深度(基坑內側臨空)范圍內, 其發生流土破壞的控制因素是水平水力坡降。從表 2 可知, 其水平水力坡降均遠大于砂發生流土破壞的極限值(0.07), 因此若漏洞處發生流土破壞, 則基坑以外漏洞高程附近的砂就會迅速被淘蝕, 以致發生大規模涌砂而導致排樁失效。 工況③、④的漏洞位于基坑面以下一定深度, 其發生流土破壞的控制因素是垂直水力坡降。從表 2可知, 兩種工況下排樁內側基坑底面處的垂直水力坡降均小于 0.99(根據太沙基公式)且安全系數均大于 1.5, 表層不發生垂直滲透破壞, 這兩種工況就不存在流土破壞的問題, 但滲流量就比較大。5 降水減壓5.1 計算方法 為了滿足基坑坑底和結構底板的抗浮要求, 需采取減壓降水措施, 主要解決減壓井的布置問題, 分析減壓降水效果, 得出基坑內設減壓井后基坑內部和周圍地層水頭的變化和分布情況, 同時要計算分析基坑減壓后地面沉降對周邊重要建筑物和道路管線的影響, 控制沉降在允許范圍內。 根據地層特點, 滲流計算采用改進的水平二向滲流有限元計算程序[1], 它適用于對強弱透水層相間地層內的地下水滲流場進行分析, 其計算地質層數最多為 4 層, 計算范圍可達數公里, 可方便地模擬地表溝塘引起的覆蓋層變化, 并可考慮防滲墻、減壓井等各種措施對空間滲流場的影響。5.2 計算區域 滲流計算區域為基坑外向北 600m, 向東、南、西側各延伸約 600m, 除北側 AB 邊外其余各計算邊界均取在江邊, 如圖 1 所示粗線范圍內的區域。5.3 減壓井的布置 由于地質條件復雜和施工工藝的限制, 圍護結構無法完全封堵連續墻底與石灰巖巖面之間的透水砂層, 且連續墻底與巖面之間縫隙處的水平水力坡降較大, 淺層靠近連續墻處的垂直水力坡降較大, 而此部位也是布置減壓井后較易因抽水而發生管涌、流砂等險情的地方。因此減壓井布置在基坑中央, 使其與周邊連續墻有一定距離, 井口直徑取 300mm,濾管長約 5m, 伸入下層強透水層, 頂部在上層弱透水層底面以下約 1～2m, 井管在基坑內居中布置, 其布置如圖 2 所示。考慮方便施工, 按施工方要求共布置 8 口減壓井, 當井口高程為- 3m 時, 因高于基坑底面(高程- 3.43m), 故采取自流方式; 當調整井口高程為 - 5m 時, 因低于坑底高程, 故采取抽水減壓方式。5.4 計算結果 ⑴ 連續墻與巖面之間漏縫 50cm 對于連續墻下粘土層缺失而直接為砂層的地方,考慮到巖面起伏, 取 50cm 的漏縫, 即石灰巖上有砂層或粘土層厚度過小處不進行擺噴施工。 對兩種不同井口高程的基坑底部覆蓋層的抗浮驗算結果見表 3, 可見當減壓井井口高程為- 3m 時,Ⅱ區～Ⅴ區不滿足抗浮要求; 當井口高程為-5m時, Ⅱ區和Ⅴ區不滿足抗浮要求; 但Ⅱ區覆蓋層僅厚 0.23m,可采取挖穿弱透水層, 回填石粉或粗( 中) 砂作為反濾的方法減壓, 便可解決抗浮問題。 當降低井口高程抽水時, 對周圍建筑物的影響會增大, 但最大沉降僅為 33mm, 未超出規范規定的50mm 的限值。 ⑵ 連續墻與巖面之間漏縫 5cm 考慮到施工的現實性和可行性, 假設擺噴僅封堵了 90%的砂層, 連續墻底與巖面之間仍留有 5cm的透水間隙, 對此進行計算分析。 從表 3 可以看出, 當減壓井井口高程為-3m 時,Ⅱ區采用挖穿弱透水層的方法后, 只有Ⅲ區和Ⅴ區不滿足抗浮要求; 當井口高程為-5m 時, 各區域均滿足要求。采用強抽時基坑周邊最大沉降量為 27.3mm,小于規范所規定的限值。6 結論 6.1 當連續墻墻底進入到石灰巖面以上粘土層內1m 或墻底與石灰巖面之間采用有效的擺噴注漿處理時, 均可對墻底繞流進行有效封堵, 此時墻底滲流量很小甚至是完全得到控制, 也不存在基坑底弱透水層的抗浮問題。 6.2 當連續墻墻底與石灰巖巖面之間存在 50cm 的強透水砂層時, 此工況是考慮了施工中可能出現的最不利情況。由計算結果可發現, 通過布置減壓井,大部分區域均可達到消減弱透水層底壓力的目的;當弱透水層厚度較小時, 可考慮挖穿弱透水層并鋪設反濾料進行排水減壓。 6.3 當連續墻墻底與石灰巖巖面之間封堵了 90%的強透水砂層, 仍有 5cm 的砂層未能有效封堵時,相比上一種工況, 基坑內弱透水層底的水頭相對減小, 但滲流量仍較大, 說明連續墻底只要有縫, 滲流量都會很大, 因此應盡量封堵好連續墻底與巖面之間的漏縫。 6.4 對于排樁支護時樁間的滲漏問題, 如排樁在基坑底面或以上部分存在漏洞, 則會成為砂發生流土破壞的出口; 若排樁在基坑底面以下部分有漏洞, 則無發生流土破壞的危險, 但滲流量較大, 所以基坑底面以上排樁間的漏洞應確保完全封堵, 基坑底面附近排樁間的漏洞也應盡量封堵。如施工過程中發現基坑底- 5.0m 以上存在漏洞時, 建議采用兩種方案進行處理, 一是用旋噴補噴進行堵漏; 二是利用淤泥質砂各向異性的特點, 在排樁后面相距 1.2m處加設f 500@350 攪拌樁墻, 攪拌樁應施工至基坑底-5.0mm以下。 6.5 通過在基坑內布設一定數量的減壓井, 可很好地滿足基坑坑底和結構底板的抗浮要求, 當需要更嚴格控制沉降或因抽水減壓而導致基坑周邊沉降過大時, 可在基坑周邊設置回灌井注水來滿足沉降控制要求。參 考 文 獻[1] 曹洪, 張挺, 陸培炎. 北江大堤石角段強透水堤基滲流分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2001(6)
該場地位于雙橋路, 部分地段為農田, 地形平坦, 地面高程 5.61m￣7.70m, 為珠江干流沖積形成的江心沙洲, 東西兩側均為珠江流域。基坑南側為廣三鐵路及公路, 西面距基坑邊 4m 處為木樁基礎的某娛樂城, 附近為天然淺基礎或木樁基礎的民居。附近無高層建筑。 該處地段為石灰巖區域, 巖面起伏大, 溶洞發育,巖面以上土層分別為淤泥質細砂、粗砂層及粘土層,其中大部分為強透水砂層; 巖面粘土層厚度為 1.5￣8.0m, 部分區域粘土層缺失, 巖面與砂層直接相連。場地地下水豐富, 平均高程 4.95m, 與珠江水存在水力聯系。 基坑支護采用地下連續墻或“排樁+樁間旋噴樁”的方法, 但連續墻槽段較長, 墻底在粘土層缺失地段難以有效止水; “排樁+樁間旋噴”則存在樁間漏水流砂的可能。為了滿足施工要求, 坑內需進行降水,但坑外一定范圍的降水有可能產生地面沉降, 為確保施工的安全進行, 必須對基坑滲流問題進行研究。2 地質條件 本場地土層自上而下依次為: 海陸交互相淤泥、淤泥質土層(Q4mc)、海陸交互相沉積砂層(Q4mc): 沖積～洪積中粗砂層(Q3al+pl); 灰巖微風化帶。場地內溶洞發育, 石灰巖分布地段鉆孔見洞率達 74%, 大部分地段還發育有多層串珠狀溶洞, 高 0.15￣10.6m, 平均1.84m, 洞內大部分無充填物, 局部充填流塑～可塑的粘性土或砂土。3 墻底繞流滲流分析 從表 1 可知, 即使連續墻底距巖面僅 5cm, 各區弱透水層的最大承壓水頭仍高于允許值, 故需設置減壓井進行減壓, 以確保基底的安全穩定。4 排樁滲流穩定分析 排樁方案的優點是樁徑較小, 對巖層變化具有較好的適應能力, 對巖層上部的砂層可完全封堵; 但缺點是排樁凈間距有 10cm, 主要依靠排樁之間的旋噴樁止水, 而該區域上方為廣佛放射線, 施工凈空不足, 旋噴樁施工質量較難保證, 出現漏洞的機會較大, 漏洞區的水力坡降很大, 通常均超過砂發生流土破壞的極限值, 但是否發生破壞還與漏洞和基坑底面的相對位置有關, 會產生不同的后果。 采用剖面滲流有限元計算程序進行計算分析,假設排樁中出現 1 個 10cm 漏洞, 其所處位置有以下4 種工況: ①位于基坑底面以上 3m 處; ②位于基坑底面處; ③位于基坑底面以下 0.75m 處; ④位于基坑底面以下 3m 處。 工況①、②的漏洞位于基坑深度(基坑內側臨空)范圍內, 其發生流土破壞的控制因素是水平水力坡降。從表 2 可知, 其水平水力坡降均遠大于砂發生流土破壞的極限值(0.07), 因此若漏洞處發生流土破壞, 則基坑以外漏洞高程附近的砂就會迅速被淘蝕, 以致發生大規模涌砂而導致排樁失效。 工況③、④的漏洞位于基坑面以下一定深度, 其發生流土破壞的控制因素是垂直水力坡降。從表 2可知, 兩種工況下排樁內側基坑底面處的垂直水力坡降均小于 0.99(根據太沙基公式)且安全系數均大于 1.5, 表層不發生垂直滲透破壞, 這兩種工況就不存在流土破壞的問題, 但滲流量就比較大。5 降水減壓5.1 計算方法 為了滿足基坑坑底和結構底板的抗浮要求, 需采取減壓降水措施, 主要解決減壓井的布置問題, 分析減壓降水效果, 得出基坑內設減壓井后基坑內部和周圍地層水頭的變化和分布情況, 同時要計算分析基坑減壓后地面沉降對周邊重要建筑物和道路管線的影響, 控制沉降在允許范圍內。 根據地層特點, 滲流計算采用改進的水平二向滲流有限元計算程序[1], 它適用于對強弱透水層相間地層內的地下水滲流場進行分析, 其計算地質層數最多為 4 層, 計算范圍可達數公里, 可方便地模擬地表溝塘引起的覆蓋層變化, 并可考慮防滲墻、減壓井等各種措施對空間滲流場的影響。5.2 計算區域 滲流計算區域為基坑外向北 600m, 向東、南、西側各延伸約 600m, 除北側 AB 邊外其余各計算邊界均取在江邊, 如圖 1 所示粗線范圍內的區域。5.3 減壓井的布置 由于地質條件復雜和施工工藝的限制, 圍護結構無法完全封堵連續墻底與石灰巖巖面之間的透水砂層, 且連續墻底與巖面之間縫隙處的水平水力坡降較大, 淺層靠近連續墻處的垂直水力坡降較大, 而此部位也是布置減壓井后較易因抽水而發生管涌、流砂等險情的地方。因此減壓井布置在基坑中央, 使其與周邊連續墻有一定距離, 井口直徑取 300mm,濾管長約 5m, 伸入下層強透水層, 頂部在上層弱透水層底面以下約 1～2m, 井管在基坑內居中布置, 其布置如圖 2 所示。考慮方便施工, 按施工方要求共布置 8 口減壓井, 當井口高程為- 3m 時, 因高于基坑底面(高程- 3.43m), 故采取自流方式; 當調整井口高程為 - 5m 時, 因低于坑底高程, 故采取抽水減壓方式。5.4 計算結果 ⑴ 連續墻與巖面之間漏縫 50cm 對于連續墻下粘土層缺失而直接為砂層的地方,考慮到巖面起伏, 取 50cm 的漏縫, 即石灰巖上有砂層或粘土層厚度過小處不進行擺噴施工。 對兩種不同井口高程的基坑底部覆蓋層的抗浮驗算結果見表 3, 可見當減壓井井口高程為- 3m 時,Ⅱ區～Ⅴ區不滿足抗浮要求; 當井口高程為-5m時, Ⅱ區和Ⅴ區不滿足抗浮要求; 但Ⅱ區覆蓋層僅厚 0.23m,可采取挖穿弱透水層, 回填石粉或粗( 中) 砂作為反濾的方法減壓, 便可解決抗浮問題。 當降低井口高程抽水時, 對周圍建筑物的影響會增大, 但最大沉降僅為 33mm, 未超出規范規定的50mm 的限值。 ⑵ 連續墻與巖面之間漏縫 5cm 考慮到施工的現實性和可行性, 假設擺噴僅封堵了 90%的砂層, 連續墻底與巖面之間仍留有 5cm的透水間隙, 對此進行計算分析。 從表 3 可以看出, 當減壓井井口高程為-3m 時,Ⅱ區采用挖穿弱透水層的方法后, 只有Ⅲ區和Ⅴ區不滿足抗浮要求; 當井口高程為-5m 時, 各區域均滿足要求。采用強抽時基坑周邊最大沉降量為 27.3mm,小于規范所規定的限值。6 結論 6.1 當連續墻墻底進入到石灰巖面以上粘土層內1m 或墻底與石灰巖面之間采用有效的擺噴注漿處理時, 均可對墻底繞流進行有效封堵, 此時墻底滲流量很小甚至是完全得到控制, 也不存在基坑底弱透水層的抗浮問題。 6.2 當連續墻墻底與石灰巖巖面之間存在 50cm 的強透水砂層時, 此工況是考慮了施工中可能出現的最不利情況。由計算結果可發現, 通過布置減壓井,大部分區域均可達到消減弱透水層底壓力的目的;當弱透水層厚度較小時, 可考慮挖穿弱透水層并鋪設反濾料進行排水減壓。 6.3 當連續墻墻底與石灰巖巖面之間封堵了 90%的強透水砂層, 仍有 5cm 的砂層未能有效封堵時,相比上一種工況, 基坑內弱透水層底的水頭相對減小, 但滲流量仍較大, 說明連續墻底只要有縫, 滲流量都會很大, 因此應盡量封堵好連續墻底與巖面之間的漏縫。 6.4 對于排樁支護時樁間的滲漏問題, 如排樁在基坑底面或以上部分存在漏洞, 則會成為砂發生流土破壞的出口; 若排樁在基坑底面以下部分有漏洞, 則無發生流土破壞的危險, 但滲流量較大, 所以基坑底面以上排樁間的漏洞應確保完全封堵, 基坑底面附近排樁間的漏洞也應盡量封堵。如施工過程中發現基坑底- 5.0m 以上存在漏洞時, 建議采用兩種方案進行處理, 一是用旋噴補噴進行堵漏; 二是利用淤泥質砂各向異性的特點, 在排樁后面相距 1.2m處加設f 500@350 攪拌樁墻, 攪拌樁應施工至基坑底-5.0mm以下。 6.5 通過在基坑內布設一定數量的減壓井, 可很好地滿足基坑坑底和結構底板的抗浮要求, 當需要更嚴格控制沉降或因抽水減壓而導致基坑周邊沉降過大時, 可在基坑周邊設置回灌井注水來滿足沉降控制要求。參 考 文 獻[1] 曹洪, 張挺, 陸培炎. 北江大堤石角段強透水堤基滲流分析[J]. 巖石力學與工程學報, 2001(6)
