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软土地区25米深基坑降水技术案例

发表于:2020-01-16 浏览量: 52 次

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  摘要:津湾广场9号楼项目基坑深度达24.8m,所在地块是典型的软土土质地区,其隔水层的含水率比较高,目前的降水方法很难将土里面的水排净。根据工程实际情况,提出一套切实可行的施工方案。详细介绍了施工过程中重点难点的解决办法、BIM技术优化设计和减压井封井技术。

  一、工程概况

  本项目为津湾广场9号楼工程,建设地点位于天津市和平区赤峰道、解放北路、哈尔滨道、合江路围合的地块。津湾广场9号楼地上部分属于超高层建筑,框筒结构、桩基础。地上由70层高层主体(不含顶部造型)及4层裙房组成,建筑物下设置4层地下室,总建筑面积209500m2(其中,地下面积46500m2,地上面积163000m2)。本工程基坑开挖面积约10200m2,呈较规则多边形(近似于L形),短边约59~99m,长边约139m,周长约438m。塔楼坑深24.6m(坑底相对标高-24.900m),其他裙楼区域坑深21.8m,挖土总量约22万m3。基坑模拟如图1所示。

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图1 基坑模拟示意

  二、工程地质条件

  本工程场地所处地块的地貌类型为滨海平原,总体地势平坦,场地埋深50.00m深度范围内,地基土按成因年代可分为9层,按力学性质可进一步划分为16个亚层。工程地质剖面如图2所示。

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图2 工程地质剖面

  鉴于古河道冲积层(Q3Nal4)土层含水率高,渗透系数较小,该土层降水比较困难,土方开挖时需要特别注意。因此,现场需要准备足量的白灰,以应对该部分土层降水不到位时带来的困难。如果该土层降水不到位,需要将该土层用白灰拌合,并在挖掘机履带下面垫钢排,同时还应在基坑四周设置明沟进行排水,以保证挖土工作顺利进行。本工程挖土深度达到21.8m(裙楼部分)和24.6m(塔楼部分),并且周边需要保护的建筑和室外管网较多,为防止开挖后有渗漏水情况,给后续施工及周边建筑物造成影响,开挖前需对基坑进行渗漏检测,特别是新老地下连续墙接口处、老地下连续墙有质量缺陷的部位。由于第1承压水层渗透系数较大,且主要由粉土和粉砂组成,因此,对该层的渗漏检测尤为重要,需要专业的渗漏检测队伍进行检测。

  三、施工重点、难点

  1)本工程地处海河南畔,地下为老海河河道,淤泥土较多,土中含水率比较高,集水比较困难。2)本工程东南侧有国家级重点保护文物———盐业银行旧址,施工过程要严格控制因水位下降对盐业银行沉降产生的影响。3)工程挖土深度达24.6m,已经触碰到第1承压水层,施工要防止第1承压水层压力过大造成地表隆起。

  四、降水方案

  4.1 降水井原理

  管井成井方法是先用钻孔机钻孔,在孔中形成泥浆护壁,再下井管,最后洗井。深井降水的井管分为钢管井管和无砂管井管,其降水的原理是一样的,都是通过水头梯度使管井周围的地下水流入管井内,形成一个以水泵为顶点的倒圆锥的水头梯度,并通过水泵排出井外。钢管井的耐久性比较好,使用寿命比较长,但是降水效果没有无砂管好,成本较高;无砂管的成本较低,降水效果好,但是耐久性差,使用寿命短。无论是钢管井还是无砂管井,外面都要包尼龙网,防止土砂颗粒堵住滤水管,造成管井内外无法达到相同水压而无法降水。降水井模型如图3所示。

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图3  降水井模型

  4.2 抽水试验配合设计方案

  1)抽水试验的潜水试验段,岩性以粉土、粉质黏土为主,本次抽水试验期间测得的潜水试验段静止水位埋深1.49m,相当于大沽标高2.310m。潜水试验段平均厚度14.51m,结合一期抽水试验结果,综合分析,推荐施工降水使用参数为K=42.0。2)第1微承压含水层岩性以粉土、粉砂为主,抽水试验期间测得静止水位埋深为8.00m左右,相当于大沽标高-4.320m。根据一期抽水试验计算结果,该含水层渗透系数为2.90~4.50m/d,由于受含水层岩性差异影响,经综合分析,推荐第1微承压含水层施工降水使用参数为K=60.0。3)第2微承压含水层岩性以粉土为主,本次抽水试验期间测得该含水层静止水位埋深为8.08~8.14m,相当于大沽标高-4.360m。根据抽水试验计算结果,该含水层渗透系数为2.276~2.888m/d,由于受含水层岩性差异影响,经综合分析,推荐抽水试验场地周围第2微承压含水层粉土的施工降水使用参数如下:渗透系数2.455m/d;影响半径39.2m;弹性释水系数5.39×10-3。4)第3微承压含水层岩性以粉土为主,抽水试验期间测得静止水位埋深为8.06m,相当于大沽标高-4.390m左右。根据前期7,8号楼工程抽水试验计算结果,该含水层渗透系数为1.951~2.223m/d,由于受含水层岩性差异影响,经综合分析,推荐抽水试验场地周围第3微承压含水层粉土的施工降水使用参数为K=39.7。5)本次试验通过抽水过程中对各含水层水位变化分析发现各含水层之间有一定的水力联系。各含水层之间的水力联系强弱与隔水层的渗透系数、厚度有直接联系。

  4.3 基坑降水井数量的确定

  按地区经验确定降水井数量如下:n=A/a(1)考虑基坑平面布局,在保障降水效果的同时,疏干降水井实际布置45口(裙房部位25口,塔楼部位20口)。

  4.4 井点布设

  根据津湾广场9号楼的地质条件、基坑情况和经济情况综合考虑,天津市设计院给出管井降水的方案。管井降水具有设备简单、排水量大、降水深度大的优点。但是管井降水属于重力排水范围,吸程高度受到一定限制,要求渗透系数较大(1~200m/d)。而津湾广场地处海河南畔,地质比较合适井点降水,因此采用此方案进行降水,井位平面如图4所示,图4中:①J1为疏干井1,井深28m(共计13口),从现地平起算;②J2为疏干井2,井深28m(共计12口),从现地平起算;③J3为疏干井3,井深31m(共计10口),从现地坪起算;④J4为疏干井4,井深31m(共计10口),从现地平起算;⑤J5为减压井,井深43m(共计2口),从现地坪起算;⑥GJ1为潜水及第1微承压水观测井,井深26m(共计16口),从现地平起算;⑦GJ2为第2微承压水观测井,井深43m(共计17口),从现地平起算;⑧图中①为潜水层观测井补井,井深14m(共计5口)。

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图4 井位平面示意

  1)疏干降水井

  布设疏干井45口(裙楼部分25口,井深28m;塔楼部分20口,井深31m)。为保证出水效果,滤管采用273mm桥式滤水管,外包2层60目尼龙网,砾料为5mm等粒径粗砂,从井底围填至地表以下2m,其透水直径≥650mm,地表下0~2.00m井壁外围以优质黏土封闭。

  2)减压降水井

  备用自流减压井(平时兼作观测井使用)2口,由钢管和滤管组成,井深43.0m,滤管采用273mm桥式滤水管,外包2层60目尼龙网,砾料为5mm等粒径粗砂,滤管长5.0m,滤料以上部位采用优质黏土球围填封闭。

  3)潜水及微承压水观测井

  成井要求同疏干井,井深26m,基坑周边均匀布置,邻近盐业银行旧址部位布置5口,其余位置间距约为35.0m,共计15口。

  4)碎石盲沟

  考虑到地区经验,为有效疏干基坑内土体,沿基坑四周及中间纵横交错设置碎石盲沟,盲沟距离地下连续墙墙趾≥800mm,施工规格300mm×400mm(宽×深),接入市政排水管道前设置三级沉淀池,对排出的地下水进行沉淀处理,避免造成市政排水管道淤塞。

  五、降水过程重点、难点解决办法

  1)对盐业银行旧址一侧的土方降水进行了4次专家论证,分析不同阶段的降水方法,给出合理化建议。2)前期施工过程中,通过分析降水与盐业银行旧址沉降的关系发现:水位与盐业银行旧址沉降成正比关系,降水速率越快,沉降越大,分层降水能减小沉降量。所以在进行土方开挖前,为保证土方的可施工性和保护周围建筑物不至于突然沉降,应试探性分层降水,先把地下水位降至土方开挖底标高以下2m的位置,并进行控制性抽水,然后再进行土方作业。3)遇到隔水层时,土中含水率过大、排水困难,应增加明排水设施,在土方开挖过程中,增加集水坑引水,并把坑中积水集中排出坑外。另外也可用电渗井技术,用井管本身作阳极,用电源强加动力,使水汇集到井内,再排出井外。4)在地下连续墙存在渗漏的点位,应先对地下连续墙进行封堵,之后再做降水试验,试验结果满足土方开挖要求后,再进行后续施工,保证了对周围建筑物的沉降控制。5)在整个土方开挖过程中,为保护盐业银行旧址,采取分梯度降水的方法:靠近盐业银行旧址一侧的地下水后降,土方最后开挖,保证对盐业银行旧址的土压力,维持其稳定。6)土方开挖结束后,为防止地下水压力过大、造成基坑地表隆起,减压井以及个别疏干井进行留置,减小地下水压力。

  六、BIM技术优化设计

  在施工之前,首先应用BIM技术对现场实际情况进行模拟,优化降水排水管布管方案,及时发现问题并提出合理的解决办法。通过BIM模拟现场实际情况,共检查出碰撞23处,节省管线30m,共计节约成本12万元。同时,优化现场布置、排管方案也大大节约了工期,加快了施工进度。在给工人交底的过程中,BIM能真实展现构件,工人能更直观地理解,在施工过程中避免了很多失误。

  七、水位变化监测及原因分析

  观测井水位反映地下水位情况和止水结构的情况,因此做好观测井的观测工作尤为重要。观测井水位上升和下降原因很多,不能单纯认为观测井水位变化就一定是地下水位变化引起的,还有以下原因。1)坑外市政管线漏水导致水位上升。2)施工活动可能会影响水位变化。3)相邻施工现场进行降水活动会影响地下水水位变化。4)天气环境也会影响观测井水位。如遇到雨雪天气,会直接导致水位上升。若天气过热,水分蒸发较快,水位也会下降,但是却不能反映工程本身的问题。5)基坑外连续不断的振动施工,使水从土中脱离出来,也会使水位上升。津湾广场9号楼GJ1-6水位变化曲线的一部分如图5所示,圆圈区域为水位突然有比较大的变化,而后变化又趋于平缓下降,说明该天有突发的外界因素影响了地下水位的变化,但是水位总的变化趋势为逐渐下降,说明地下连续墙结构本身不够密实,须进行堵漏工作。

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图5  GJ1-6水位变化曲线

  对于第2承压观测井,如果在施工时没有将第2承压水层与第1承压水层密实地隔离开,导致第1承压水与第2承压水串通(见图6),深水观测井的变化往往要大于第1承压水层观测井的变化,而后变化幅度趋于一致。因为假如2个水层没有隔离开,第1承压水层水肯定会往第2承压水层方向流,进而形成平衡,而如果第1承压水层水位变化,流向第2承压水层的水减少,则会导致深层观测井水位下降,再加上第2承压水层水位本身的下降,就会导致深水观测井的变化超过潜水观测井的变化,当两个层承压水变化速率基本一致的时候,又保持一段时间的一致变化速率,这样就失去了监测第2承压水层的作用。

  八、水位变化对周围建筑物沉降的影响

  因为止水结构不可能完全止水,所以基坑内水位变化必然导致基坑周围水位变化,进而影响周围建筑物沉降。降水速率越快,沉降速率越快,反之,沉降速率越慢。在津湾广场第2步土方开挖过程中,一次性降水11m,之后3d盐业银行旧址沉降约2mm,而一般沉降速率在0.001mm/d左右。

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图6  第1承压水与第2承压水串通示意

  随着水位下降,前期沉降速率快,后期沉降速率慢。目前津湾广场正进行主体结构施工,盐业银行旧址基本无沉降或者沉降非常小。而前期施工则有相对较大的沉降。

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图7  减压井封井步骤

  土方开挖阶段,降水对周围建筑物沉降影响较大,而后期施工对建筑物沉降的影响则相对小。很多通过管井降水的方法使水位下降并不能使基坑内水位处于一个水平的位置,所以,观测井的位置就显得尤为重要,也是能否准确反映地下水位的关键。另外,水的流动具有时间性,如果降水后马上测观测井水位,这时数据也不是准确的,应按经验一定时间后再进行测量,这样得到的数据才能准确反映地下水位情况。

  九、减压井封井技术

  由于减压井均深入到基坑底板下部承压含水层,故需要在基础底板施工完成后,包括养护阶段和地下室及上部结构施工阶段,在确保承压水水头压力不大于抗浮力的情况下,逐步减少减压井的开启数量,直至静止水位情况下水头压力不大于抗浮力,并由结构设计人员复核计算后,再进行封堵。封井步骤如图7所示。

  十、结语

  目前,我国超高层建筑以及地铁工程正在逐步兴起。早些年,软土地基因为水的问题出现过事故。因此,软土地基深基坑降水越来越引起人们的重视。做好基坑降水的监测工作,有利于保证工程和人员的安全,积累相关经验,为后人留下宝贵财富。

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