基于中心島施工工法下的基坑止降水技術(shù)研究
相關(guān)鏈接： 中國安全網(wǎng) 中國質(zhì)量網(wǎng) 中國論文網(wǎng) 中國資訊網(wǎng)
周鵬華1,2，朱海軍1,2，李繼承1，2，黃曉程1,2
（1．中建三局集團有限公司工程總承包公司，湖北 武漢 430070；2．湖北中建三局建筑工程技術(shù)有限責任公司，湖北 武漢430070）
[摘要]以武漢市凱德廣場深基坑工程為依托，采用三維有限元Midas GTS NX軟件和現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，研究了在武漢二元復(fù)雜地質(zhì)條件下，中心島法施工基坑采用不同止水帷幕時基坑內(nèi)外水位和孔隙水壓力變化規(guī)律。研究了TRD止水帷幕和三軸攪拌樁止水帷幕坑外沉降規(guī)律和止水效果；同時總結(jié)了超大型基坑采用中心島法施工時，所采用的分區(qū)開挖、分區(qū)降水技術(shù)。
[關(guān)鍵詞]深基坑；中心島法；地下水；降水；有限元分析
[中圖分類號]TU753[文章編號]1002-8498( 2016)07-0040-05
0 引言
基坑止降水是伴隨基坑支護和開挖施工而產(chǎn)生的，好的基坑止水設(shè)計與施工不僅可以減少基坑開挖施工過程中對周邊環(huán)境的影響，也可以確�；影踩┕ず凸�(jié)省工程造價。
深基坑降水不僅涉及基坑內(nèi)部正常施工和基坑安全問題，也涉及基坑周邊環(huán)境沉降問題。從確�；觾�(nèi)部正常土方開挖、結(jié)構(gòu)施工和基坑安全的角度來看，大量的基坑內(nèi)部抽取地下水、降低基坑內(nèi)水位有利于基坑開挖施工；但從保護周邊建筑環(huán)境和經(jīng)濟的角度，大面積、大體量抽取地下水將造成周邊環(huán)境嚴重沉降和資源浪費。
現(xiàn)階段對深基坑降水研究主要針對坑內(nèi)外土體降水過程中的滲流場、水土滲流耦合、固結(jié)沉降等問題，主要涉及基坑降水機理、基坑降水誘發(fā)坑外沉降機理等理論研究問題；但在涉及基礎(chǔ)理論研究之外，優(yōu)化的止降水設(shè)計、合理經(jīng)濟的現(xiàn)場施工工序部署、監(jiān)測與施工相結(jié)合的動態(tài)降水施工技術(shù)等也都值得總結(jié)研究，以便從施工和設(shè)計的角度來解決復(fù)雜深基坑的止降水技術(shù)問題。
本文以武漢凱德廣場古田項目深基坑工程為背景，采用三維有限元軟件和現(xiàn)場監(jiān)測對比分析，研究了在武漢二元復(fù)雜地質(zhì)條件下，中心島法施工設(shè)計基坑的TRD止水帷幕和三軸攪拌樁止水帷幕止水效果，坑外沉降差異等問題；同時也總結(jié)研究了中心島法施工基坑，土方開挖和地下水位監(jiān)測相結(jié)合的分區(qū)降水技術(shù)。
1 工程概況
凱德廣場基坑普挖深度15. 9m，局部坑中坑開挖深度17. 6m，屬于超深基坑�；訓|側(cè)為古田二路高架橋、基坑北側(cè)為輕軌1號線，基坑開挖面積6萬m2，采用中心島法全順作施工。
基坑支護體系采用雙排樁結(jié)合坑內(nèi)留土、基坑四角采用樁撐支護的形式。基坑東側(cè)、北側(cè)采用700mm等厚度水泥土攪拌墻止水帷幕，深度50m。其他側(cè)采用三軸攪拌樁止水帷幕。
基坑降水設(shè)計：基坑內(nèi)設(shè)置92口（管井）深井減壓井，43口（真空管井）淺井疏干井；基坑內(nèi)設(shè)置8口（管井）觀測井兼做備用減壓井。
2水文地質(zhì)條件
場地地貌單元屬于長江左岸沖積一級階地。場地地下水按其賦存條件分為上層滯水、孔隙承壓水兩種類型。其中上層滯水主要賦存于①雜填土層之中，孔隙承壓水主要賦存于場地③1粉細砂層及③2礫砂含卵石層中，以②1黏土、②2黏土、②3粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂層為相對隔水層。②2層下含有粉土、粉砂，呈稍密狀，顆粒松散，滲透性較強，且與下部砂土連通，與砂土構(gòu)成統(tǒng)一的承壓含水層，在滲透水流作用下易產(chǎn)生流土、流砂。場地地下水與長江有較強的互補關(guān)系，動儲量豐富，有較高的水頭壓力。
3 止水帷幕選型及止水效果有限元對比分析
在基坑周邊環(huán)境空曠、巖土水文地質(zhì)條件較好的條件下，一般不落底的三軸攪拌樁止水帷幕基本滿足要求，保障基坑正常施工和周邊環(huán)境安全；但在類似武漢長江一級階地等地下水豐富的富水水文地質(zhì)條件下，在類似凱德廣場等緊鄰軌道交通線高架的基坑工程中，相鄰構(gòu)筑物側(cè)必須采取有效的止水帷幕形式，以減小基坑周邊環(huán)境沉降，落底式的地下連續(xù)墻和TRD帷幕是首選的帷幕形式。
凱德廣場基坑工程東北側(cè)緊鄰武漢軌道交通1號線和古田二路高架，南西兩側(cè)為空曠在建工地，東北兩側(cè)坑外沉降控制要求較高，西南兩側(cè)較低，最終采用的設(shè)計方案為，東北兩側(cè)采用大深度TRD帷幕以減小基坑外沉降，西南兩側(cè)采用一般三軸攪拌樁止水帷幕。
為了對比分析TRD止水帷幕和一般三軸攪拌樁止水帷幕止水效果和對控制基坑外沉降的效果，應(yīng)用Midas GTS NX有限元軟件，采用應(yīng)力一滲流耦合模型，對基坑中部南北兩側(cè)建模計算，以對比坑外沉降值、地下水水位、孔隙水壓力值等參數(shù)變化規(guī)律，計算模型如圖1所示。分析對比TRD落底式止水帷幕和一般非落底式止水帷幕坑外沉降，探討TRD落底式止水帷幕在富水水文地質(zhì)條件下保障基坑周邊環(huán)境的效果。
有限元模型如下：以基坑中部南北兩側(cè)支護體系為數(shù)值模擬計算模型，模型深度106m，寬度為20m，長度為1 060m；其中土體參數(shù)及雙排樁設(shè)計參數(shù)完全按實際工程參數(shù)取值，雙排樁樁長為27. 75m，樁徑1m，樁間距1.5m，樁頂按1:1放坡2m，冠梁尺寸1.2m×0.8m，連梁尺寸1m×0.8m；TRD止水帷幕深度為50m，厚度為0.7m；三軸攪拌樁止水帷幕采用樁徑0. 8m，按中心距0.65m咬合施工，模型中采用厚度0. 8m、深度26m的長方體單元等效計算，同時考慮樁間加固體高壓旋噴樁的止水效果；基坑開挖普設(shè)深度取15. 9m，坑中坑開挖深度取17. 6m，預(yù)留土體高5m，上寬10m，下寬15m，坡前按1：1放坡，并以三軸加固，預(yù)留土體頂面深度9. 4m；雙排樁頂放坡段因?qū)嶋H工況采用混凝土噴錨支護，所以在模型中建模坡面的混凝土薄板，起止水和擋土作用以符合實際工況；基坑外施加15kPa的基坑外荷載。各土層物理力學指標及水力學計算參數(shù)如表1所示。
1)從模型計算得到的地下水總水頭值和坑外總水頭值離基坑壁水平距離變化曲線（見圖2）可以看出，因TRD止水帷幕和三軸攪拌樁止水帷幕入土深度、是否進入坑底承壓含水層隔水底板等工況因素的不同，導致基坑外側(cè)地下水總水頭值存在較大差異。
2) TRD止水帷幕因人土深度大，并進入坑底強風化隔水層，導致基坑內(nèi)抽水降水過程中，北側(cè)坑外地下水水位幾乎沒有下降，總水頭值幾乎不變；三軸止水帷幕因入土較淺，基坑內(nèi)降水將導致基坑外側(cè)水位下降，在近基坑處總水頭隨距離基本呈上凹型，在離基坑一定距離以外，地下水總水頭值基本呈線性變化。
3)因南北兩側(cè)止水帷幕深度存在很大差異，止隔水效果也存在很大差異，在基坑北側(cè)未徹底隔水的情況下，坑內(nèi)降水主要引起南側(cè)坑外地下水的水位變化；基坑深井減壓降水井布設(shè)，應(yīng)該更多考慮南側(cè)坑內(nèi)降水，降水井布設(shè)較一般基坑應(yīng)該更多向南側(cè)偏移，可以取得更好的效果。
4)在類似基坑工程中，若基坑不同邊界存在較大深度差異的止水帷幕時，基坑降水井布設(shè)可以更多考慮向淺止水帷幕側(cè)布設(shè)。
坑內(nèi)外土體孔隙水壓力如圖3所示，圖3中孔隙水壓力為負值表示該處地下水存在向下流動的趨勢，并且對周邊土體產(chǎn)生向下的黏滯力和側(cè)摩阻力，造成對周邊土體向下的孔隙水壓力作用，即有帶動土體向下運動的趨勢，從而土體有效應(yīng)力為總應(yīng)力值加上孔隙水壓力的絕對值，造成有效應(yīng)力增大，土體壓縮沉降。
4 TRD和三軸帷幕坑外沉降分析
坑外土體沉降規(guī)律變化曲線如圖4所示，可以看出，北側(cè)沉降最大值為21. 54mm，南側(cè)沉降最大值為32. 29 mm，從而可以看出基坑外水位降深差異及水力梯度差異對坑外土體沉降值的影響非常大。
兩側(cè)的坑外土體沉降曲線變化規(guī)律相似。基坑南側(cè)沉降曲線完全位于北側(cè)沉降曲線之下，反映了基坑南側(cè)因止水帷幕淺而造成坑外沉降的范圍更廣、沉降量更大。
統(tǒng)計了基坑西南角側(cè)和北側(cè)離基坑20m處兩分層沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù)，繪制成分層沉降監(jiān)測曲線如圖5所示，因基坑南側(cè)為正施工工地，無法設(shè)置基坑監(jiān)測點，所以用基坑西南角監(jiān)測點代替比較，基坑西側(cè)同為三軸攪拌樁止水帷幕，深度也同南側(cè)。
從監(jiān)測曲線可以看出：北側(cè)TRD帷幕外沉降最大值為25mm左右，基坑西側(cè)沉降最大值為40mm左右，兩側(cè)沉降差值較大。
從沉降值隨深度變化規(guī)律可以看出，三軸攪拌樁外側(cè)土體沉降主要發(fā)生在23m以上，變化率最大區(qū)段為12~23m。TRD帷幕坑外沉降變化率區(qū)段在7～40m，可以看出，TRD帷幕因深度較大，降水和沉降影響區(qū)段明顯較三軸帷幕要大，但變化幅度要小，影響深度范圍內(nèi)沉降更均勻。
5超大型中心島法開挖基坑分區(qū)降水技術(shù)
一般基坑降水井布設(shè)思路以基坑所需要的最大降深來布設(shè)降水井，通過調(diào)整降水井位置來最大限度減少降水井數(shù)量；本工程因基坑開挖面積超大，采用配合土方開挖方案的降水井布設(shè)思路，即按土方開挖平面分區(qū)，分區(qū)設(shè)計降水井，考慮基坑分區(qū)分層土方開挖的特點，使降水井滿足在基坑分區(qū)開挖某區(qū)域土體到達特定深度時，開啟該部分區(qū)域中全部或者部分降水井便可以達到需要的地下水降深。
本基坑開挖面積達6萬m2，為了降低工程造價、便利施工、縮短工期，基坑設(shè)計主要采用中心島法基坑開挖施工模式，結(jié)合水平分區(qū)、豎向分層的土方開挖方式，將基坑在水平向分成9大開挖區(qū)，如圖6所示，在豎向分3大層開挖，小區(qū)域坑中坑按4層開挖。基坑降水井平面布設(shè)，以9大區(qū)為基礎(chǔ)，保障每一區(qū)域開挖時，開啟該區(qū)及周邊區(qū)域部分或全部降水井時，可以達到土方開挖對地下水降深的需求。降水井參數(shù)如表2所示。
在基坑土方開挖第1階段，開挖A3區(qū)至-5.500m，此時開啟A2，A3，A4區(qū)部分疏干井及部分降水井。通過觀測基坑內(nèi)部觀測井和部分降水井內(nèi)地下水水位，運用surfer軟件將監(jiān)測得到的坑內(nèi)水位繪制成等高線圖，網(wǎng)格化后生成三維的地下水位等值面圖。從等值面圖和網(wǎng)格圖中可以看出此時基坑周邊地下水水位在-2.000m，基坑西南角地下水水位在-6.200m。降水井開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)計如表3所示。
土方開挖第2階段，西南角A3區(qū)向A2，A4，B2區(qū)推進，此時開啟A2，A3，A4，B2區(qū)部分疏干井及部分降水井，開挖至- 10. 500m時地下水位等值線圖如圖7所示，出此時基坑周邊地下水水位在-2.000m左右，基坑西南角A3區(qū)地下水水位在- 10. 500m左右。降水井開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)計如表4所示。
當土方開挖處于第3階段，A3區(qū)土方開挖至基坑底- 15. 900m，土方開挖流向為A3→A2→B2．A4→A1→B2，此時開啟A1，A2，A3，A4，B2區(qū)部分疏干井及部分降水井，此時基坑周邊地下水水位在-2.000m左右，基坑西南角A3區(qū)地下水水位在- 17. 000m，A2，A4區(qū)在- 12. 000m左右，滿足基坑土方開挖要求。降水井開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)計如表5所示。
當土方開挖處于第4階段，A3，A2，A4，B2區(qū)至基坑底- 15. 900m，由A3→A2→B3，A3→A4 →A1流水開挖，此時開啟A3，A2，A4，B2，A1，B3區(qū)疏干井及部分降水井，基坑周邊地下水水位在-8.000m左右，基坑A3，A2，A4，B2區(qū)及Al，B3區(qū)部分區(qū)域地下水水位在- 18. 000m。降水井開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)計如表6所示。
基坑土方開挖處于第5階段，開挖T2和SOHO塔樓至坑中坑底標高- 17.600 mm，此時再額外開啟兩坑中坑附近6口降水井，此時基坑周邊地下水水位在-8.000m左右，基坑A3，A2，A4，B2區(qū)及Al，B3區(qū)部分區(qū)域地下水水位在- 17. 000m，坑中坑地下水位在- 19.000m左右。降水井開關(guān)狀態(tài)統(tǒng)計如表7所示。
6 結(jié)語
本文以武漢市凱德廣場深基坑工程為依托，總結(jié)了超大型基坑中心島法施工時基坑豎向止水帷幕選型以及基坑內(nèi)分區(qū)開挖、分區(qū)降水井布設(shè)的設(shè)計經(jīng)驗得出以下一些結(jié)論，可為基坑降水設(shè)計與施工提供參考。
1)在臨江臨湖的富水地區(qū)超大型基坑中，對坑外沉降控制要求不同時，基坑各邊可采用不同的止水帷幕設(shè)計形式，在沉降量控制要求較高部位可采用類似TRD等落底式止水帷幕。
2)止水帷幕深度越大，基坑降水過程中坑外水位降深越小、總水頭值和孔隙水壓力變化越小，基坑外土體沉降也越小。
3)在基坑不同邊界存在較大深度差異的止水帷幕時，基坑降水井可以更多考慮向淺止水帷幕側(cè)布設(shè)。
4)在中心島法開挖的超大型基坑中可以很好地實現(xiàn)分區(qū)開挖、分區(qū)降水，即按土方開挖的分區(qū)為基礎(chǔ)布設(shè)降水井位置，在不同的土方開挖階段，開啟不同位置和數(shù)量的降水井，來滿足土方開挖要求，以達到分區(qū)土方開挖各個階段開啟的該區(qū)域及周邊的降水井數(shù)量最優(yōu)的目的。
