一种强风化砂岩地层深基坑降水方法与流程

1.本发明涉及深基坑施工技术领域，尤其涉及一种强风化砂岩地层深基坑降水方法。


背景技术：

2.市建筑工程地下室、城市轨道交通地下车站等建设过程中均涉及到深基坑施工，基础及地基处理多低于地下水位，若施工基坑降排水措施失当，造成降水失败而导致基坑突涌事故或者基坑进水无法施工，造成重大安全事故和严重的经济损失。
3.目前，大量学者就基坑降水相关施工技术与工艺开展了大量研究，取得了较为丰富的研究成果。向晓辉针对长沙地铁1号线南湖路车站的砂卵石地层，提出了相关基坑降水施工技术（向晓辉. 长沙地区砂卵石地层的基坑降水设计与施工技术探讨[j]. 铁道建筑技术，2012（7）：65
−
69.）；林卫东结合西安地铁2号线凤栖原站黄土夹砂地层基坑降水工程，提出了基坑降水管井施工工艺及周边建筑物保护与沉降监测等施工关键技术（林卫东. 西安地铁凤栖原车站深基坑施工降水技术研究[j]. 铁道工程学报，2013，30（1）：100
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104.）；刘俊杰等以青岛富水地层深基坑降水工程为背景，提出了一种富水地层深基坑固定式井管自动降水施工方法与技术（刘俊杰，张晓婷，戴小倩，等. 富水地层地铁车站深基坑自动降水方法探讨与实测研究[j]. 青岛理工大学学报，2020，41（3）：9
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14,94.）；赵玉华依托太原市轨道交通2号线人民南路站基坑降水工程，探讨了复杂地质条件下地铁车站深基坑降水施工工艺与技术要求（赵玉华. 复杂地质条件地铁车站深基坑承压水降水施工技术[j]. 路基工程,2021（3）:159
−
164.）。但针对不同的地质环境和施工要求，深基坑降水的施工技术会存在差异。
[0004]
兰州地区强风化砂岩地层成岩作用较差，未经扰动强度较高，可视为隔水层，暴露后极易风化崩解，扰动后极易软化呈散沙状，遇水迅速软化成泥的特殊性，成为基坑降水处理的工程难题。


技术实现要素：

[0005]
本发明所要解决的技术问题是提供一种简单易行、成本低的强风化砂岩地层深基坑降水方法。
[0006]
为解决上述问题，本发明所述的一种强风化砂岩地层深基坑降水方法，其特征在于：该方法是利用当前强风化砂岩地层的深基坑坑外降水井进行坑外降水；再在强风化砂岩地层的深基坑坑内增加轻型真空井点降水，并进行分段降水开挖。
[0007]
所述在强风化砂岩地层的深基坑坑内增加轻型真空井点降水，并进行分段降水开挖的具体过程如下：
⑴
在未开挖的所述强风化砂岩地层的表面，按开挖段长以1m孔距和4m排距进行全断面布点；
⑵
采取水压冲孔法垂直向所述强风化砂岩地层中引孔，在每个孔内插入滤水的井
点管；
⑶
按4m排距布设数根主集水管，并采用热熔法将所述主集水管与每个所述井点管连接；
⑷
采用pvc管或橡胶管将所述主集水管与真空泵连接；
⑸
启动所述真空泵，并将所述主集水管和所述井点管抽成真空状；
⑹
当所述强风化砂地层的表面变干土体开始固结、能满足挖机站立要求时，即可进行分段开挖，每层开挖深度为2~3m；同时在开挖过程中持续抽水。
[0008]
所述步骤
⑵
中井点管采用管长5m的ppr管，且管壁呈梅花形均布有直径为12mm~18mm的滤水孔，管外壁用尼龙丝网包缠80目滤网两层。
[0009]
所述步骤
⑶
中主集水管采用pe管，每根长10m~15m。
[0010]
所述步骤
⑶
中主集水管连接10~15个所述井点管。
[0011]
本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明采用基坑外与基坑内联合降水的方法，在达到降水目的的同时可避免坑外降水井设置过密过深对基坑围护结构稳定性和周围地表沉降造成过大影响，有效解决了强风化砂岩地层透水后迅速软化、坑外降水难达效果问题。
[0012]
2、本发明简单易行，速度快、成本低，对工期不造成影响，可适用于强风化砂岩地层深基坑降水工程。
附图说明
[0013]
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
[0014]
图1为本发明实施例中降水井和观察井位置关系剖面示意图。
[0015]
图2为本发明实施例中各井水位随时间变化曲线。
[0016]
图3为本发明实施例中抽水稳定后各井水位线位置。
[0017]
图4为本发明基坑内外联合降水示意图。图中：1—强风化砂岩地层；2—井点管；3—主集水管；4—真空泵。
[0018]
图5为本发明实施例中监测点平面布置图。
[0019]
图6为本发明实施例中单井抽水过程中沉降变化曲线图。
[0020]
图7为本发明实施例中三维整体几何模型。
[0021]
图8为本发明实施例中各级降深后的沉降量云图。
具体实施方式
[0022]
如图4所示，一种强风化砂岩地层深基坑降水方法，该方法是利用当前强风化砂岩地层1的深基坑坑外降水井进行坑外降水，减小基坑内水量水压，阻截基坑渗水；再在强风化砂岩地层1的深基坑坑内增加轻型真空井点降水，并进行分段降水开挖。
[0023]
其中：在强风化砂岩地层1的深基坑坑内增加轻型真空井点降水，并进行分段降水开挖的具体过程如下：
⑴
首先根据强风化砂岩软化系数小、遇水易软化成泥的特性，在未开挖的强风化砂岩地层1的表面，按开挖段长以1m孔距和4m排距进行全断面布点。
[0024]
⑵
采取水压冲孔法垂直向强风化砂岩地层1中引孔，在每个孔内插入滤水的井点
管2。
[0025]
井点管2采用管长5m的ppr管，管径依据抽水试验确定，且管壁呈梅花形均布有直径为12mm~18mm的滤水孔，管外壁用尼龙丝网包缠80目滤网两层。
[0026]
⑶
按4m排距布设数根主集水管3，主集水管3采用pe管，每根长10m~15m。采用热熔法将主集水管3与每个井点管2连接，且主集水管3连接10~15个井点管2。
[0027]
⑷
采用pvc管或橡胶管将主集水管3与真空泵4连接。
[0028]
⑸
启动真空泵4，并将主集水管3和井点管2抽成真空状；此时强风化砂岩地层中的水就在负压作用下被吸入井点管2而抽出。
[0029]
⑹
当强风化砂地层1的表面变干土体开始固结、能满足挖机站立要求时，即可进行分段开挖，每层开挖深度为2~3m；同时在开挖过程中持续抽水。持续抽水可根据工期安排及现场实际情况采取72h、120h、192h。
[0030]
实施例
[0031]
【工程简介】兰州轨道交通一号线东方红广场站设置于兰州市中心东方红广场与主席台之间的庆阳路下，呈东西走向，为兰州市轨道交通1、2号线的平行换乘车站，是兰州市轨道交通工程中最大的车站，其建筑规模在全国乃至亚洲也位列前茅。该车站从广场西口贯穿至东口，设计长度683m，形式为地下两层双岛四线式，三柱四跨箱型框架结构，结构设计高度14.04m，线路平行段宽度41.30m、线路分岔段宽度52.237m，一号线布设于左右两侧呈双绕线形式，线间距38.3m，二号线布设于中间，线间距5.0m。该车站基坑开挖深度为17.0~22.0m，属超大超深基坑，支护形式采用单排c35钢筋砼灌注桩咬合c15砼灌注桩，兼做止水帷幕，桩深为车站混凝土底板以下2m。
[0032]
【水文地质条件】东方红广场站地质勘探报告显示，东方红广场地层主要是第四系为主的堆积物，地下水埋深较浅，属孔隙潜水。基坑地质在45米厚度内分别是杂填土层、卵石土层、全风化砂岩层和强风化砂岩地层，按全新统人工填土（q
4ml
）、冲洪积卵石（q
4al+pl
）、第三系砂岩(n) 由表及下构成。地下潜水层约厚17m，主要是局部有漂石的松散冲积卵石层，并通过地表径流和山前、大气降雨补给，潜水位埋深约为3.6～5.0m，年内水位变化在1～2m之间，地下潜水位约为1512.59～1513.14m。地下水的流向与兰州市总体地形一致，自皋兰山由南向北流向黄河。地勘结果认为第四系冲积卵石层下的砂岩层顶，可能局部存有裂隙水，砂岩是相对隔水层（王露. 西北地区特殊红砂岩地层地铁车站抗浮研究.兰州理工大学(硕士),2019-3-17）。
[0033]
【降水技术】车站深基坑施工前，根据地质勘探资料制定了降水方案：沿基坑周边布设降水井，疏干卵石层中潜水；当基坑开挖至砂岩层时，在基坑内设置集水坑汇集砂岩层中裂隙水并抽排。通过水文计算，在基坑咬合桩止水帷幕外周圈布设65眼降水井，井间距约为22～24m，位于来水方向的基坑南侧适当加密，基坑北侧适当调大。方案降水实施后，卵石层中疏干地下水的效果较好，开挖中无地下水溢出。但随着基坑开挖深度的增加，时空效应产生应力释
放，强风化砂岩地层出现渗水，含水量逐渐增大，透水性随深度增加而增大，砂岩迅速软化成泥。预定的排水沟和集水坑无法设置，降水方案无法实施。基坑成了泥潭，泥中水分无法析出，安全风险急剧增加。
[0034]
面对基坑实际情况，若继续按地勘资料把强风化砂岩地层视为相对隔水层显然不妥，若盲目施工会造成难以估量的损失，因此，需在弄清强风化砂岩地层物理力学性质的前提下，研究新的降水技术，确保基坑安全和施工的顺利进行。
[0035]
特殊强风化砂岩渗透试验：针对卸荷后的强风化砂岩渗透性明显、软化系数较小的特性，采用室内渗透试验、室外渗透试验和现场抽水试验等方法测试了强风化砂岩的渗透系数，试验结果如表1所示。根据《水利水电工程地质勘察规范》（gb50487-2008）附录f可知，现场红砂岩的透水等级为中等透水，不宜将强风化砂岩地层视为相对隔水层。
[0036]
表1各类试验所得渗透系数汇总表以非完整井稳定流抽水试验方式，先沿基坑边一字布设5口降水井，再在降水井两两之间均布4口水位观察井，进行现场抽水试验。降水井每口深度为东方红广场站设计基础标高底以下3m，水位观察井直径为150mm，井深与之相同（张艺鑫.兰州地区红砂岩物理力学性能及渗透性研究.兰州理工大学(硕士),2018-9-10）。降水井与观察井位置关系如图1所示。
[0037]
图2是以2号降水井进行抽水试验为例，其它各井的观测水位变动情况。在抽水开始后一段时间内，各井水位均有较大变动，抽水井的即时水位随之与静止水位的差值持续拉大。随着试验时间延续，抽水井内单位时间的涌水量最终动态平衡于单位时间抽水量，井内渗水量逐渐稳定，水位降深趋于定值。图3为试验井水位稳定后各井的水位情况，因而得出抽水影响半径为5~7m。
[0038]
通过现场抽水试验得出，该地层红砂岩的抽水影响半径为5~7m，抽水的影响半径远小于现场实际布井间距。如果继续采取原降水方案，必须加深加密现有基坑周边的降水井，成本大耗时长延误工期，且当降深达到极值时也很难再提升，降水效果难以保证，显然原降水方案已无法达到降水目的。
[0039]
降水设计：针对现场特殊强风化砂岩的物理力学性质，提出一种坑外降水与坑内降水相结合的新型深基坑降水技术，即保持既有的坑外降水措施，阻截并降低基坑内水量水压，然后在
基坑内边开挖边实施降水，降水按开挖段落分层进行，采取降一层水开挖一层土的方式，降水设计如图4所示。
[0040]
实现基坑内外联合降水的具体做法是：利用当前的坑外降水井进行坑外降水，减小基坑内水量水压，阻截基坑渗水；再在坑内增加轻型真空井点降水，进行分段降水开挖。
[0041]
⑴
首先根据强风化砂岩软化系数小、遇水易软化成泥的特性，在未开挖的强风化砂岩地层1的表面，按开挖段长以1m孔距和4m排距进行全断面布点。
[0042]
⑵
采取水压冲孔法垂直向强风化砂岩地层1中引孔，在每个孔内插入滤水的井点管2。
[0043]
井点管2依据抽水试验采用φ25mm ppr管，管长5m，且管壁呈梅花形均布有直径为12mm~18mm的滤水孔，管外壁用尼龙丝网包缠80目滤网两层。
[0044]
⑶
按4m排距布设数根主集水管3，主集水管3采用φ50mm pe管，每根长10m~15m。采用热熔法将主集水管3与每个井点管2连接，且主集水管3连接10~15个井点管2。
[0045]
⑷
采用pvc管或橡胶管将主集水管3与真空泵4连接，真空泵采用7.5kw功率。
[0046]
⑸
启动真空泵4，并将主集水管3和井点管2抽成真空状；此时强风化砂岩地层中的水就在负压作用下被吸入井点管2而抽出。
[0047]
⑹
当强风化砂地层1的表面变干土体开始固结、能满足挖机站立要求时，即可进行分段开挖，每层开挖深度为2~3m；同时在开挖过程中持续抽水。持续抽水可根据工期安排及现场实际情况采取72h、120h、192h。
[0048]
该降水方法得以实现的理论依据是强风化砂岩较小的软化系数和中等渗透性。以基坑咬合桩止水帷幕进行止水，进行坑外降水最大程度降低基坑内水量水压，再依据实验证实强风化砂岩存在的渗透性进行基坑内轻型真空井点降水。同时轻型真空井点降水以其特有的过滤方式，避免了坑外强风化砂岩颗粒向基坑内转移，从而避免地面沉陷。通过这种基坑内外联合降水的方法，顺利解决了强风化砂岩基坑的降水难题。
[0049]
【降水效果分析】为了分析评价基坑开挖过程中的降水措施的有效性，采用现场监测和数值模拟的方式对现场施工过程的降水及沉降效果进行了评价。
[0050]
现场监测结果分析地表沉降是反映周边环境风险最直接的指标，对地表沉降进行了监测，监测点布置如图5所示。
[0051]
单井抽水后井周地表沉降量历时曲线如图6所示。通过图可知地表沉降在1cm之内，沉降不太显著。具体为：现场抽水试验开始后，地表沉降随抽水时长呈现量增趋势；试验中当个别降水井出现抽水暂停时，地表变形也随之出现小幅反弹；当试验再次持续时，地表变形又再次呈现量增趋势；试验完成后，地表也不再继续发生下沉，现场抽水试验的最终地表下沉量约为7mm。
[0052]
基坑降水过程数值模拟分析采用ansys结合flac3d建模，根据深基坑降水影响范围和主要监测范围，设置模型尺寸为360m
×
210m
×
60m。假定模型中各层土体均采用mohr-coulomb本构模型，即同一土层为各向同性的均质弹塑性体（丁江澍. 城市地下结构施工对邻近构筑物影响的研究. 长安大学(博士),2013-5-26）。限制模型四个侧壁的法向位移、底面的竖向位移，模型顶面设为
排水边界，孔压为0，为防止失稳，限制井壁的水平位移，井底施加相应的静水压力（吴意谦. 潜水地区地铁车站深基坑降水开挖引起的变形研究. 兰州理工大学(博士),2016-5-20）。参照已有监测资料揭示的基坑实际状态对基础模型进行调整，并采用网格划分法建立深基坑三维模型和支护体系，以达到最佳模拟计算结果。图7为建立的整体三维几何模型。
[0053]
根据施工步骤和基坑开挖层级，以五个分析步进行模型计算，每分析步实现的运算为：整体模型初始应力平衡
→
1级降深（降深-3m）
→
2级降深（降深-6m）
→
3级降深（降深-9m）
→
降深稳定（降深-14m）。数值模拟计算结果见图8。
[0054]
由图8可以看出，降水开始之后，地表出现下沉并渐渐加大，降水井周围沉降较大，之外的则慢慢延缓，与距水井远近呈现相反关系。由降水引起的地面下沉，整体线形犹如降水漏斗由缓至急，曲线斜率随水位降深值的加深迅速增大，下沉的不均匀状态加剧。当降水的水位降深趋于定值时，地表下沉也达到-9.64mm极值，位于井中心10m范围内及附近区域，此范围为“沉降最大影响范围”，降水过程中应注意观察，必要时加强监测及时预警。在井中心以外约50m范围地表下沉相较显然，此范围（3倍降深）为“沉降显著影响范围”[9]
。而在井中心50m之外的范围，地表下沉值明显减小，约为下沉极值的10%，应该视做“沉降微小影响范围”。此范围以外的地表沉降可以忽略（段生福. 兰州地铁车站深基坑开挖安全风险评价及对策研究[d].兰州交通大学,2020. ；高庆超. 房建深基坑开挖支护技术探讨[j]. 工程机械与维修,2021.）。
[0055]
数值模拟计算结果表明，该降水方案在基坑周边形成的沉降量不大，基坑周边环境在深基坑开挖过程中是安全的。
[0056]
【结论】
⑴
兰州地区强风化砂岩渗透性明显，渗透等级为中等透水，不宜作为相对隔水层，这种基坑外与基坑内联合降水的方法有效解决了强风化砂岩地层透水后迅速软化、坑外降水难达效果问题。
[0057]
⑵
通过模拟分析和现场监测可知，在兰州地区强风化砂岩地层的深基坑中采取坑内外联合降水技术是安全可行的，该方案规避了降深极值难以突破的不利影响，为该地层深基坑降水开辟了新的途径。
[0058]
⑶
该降水技术简单易行，速度快、成本低，对工期不造成影响，也可避免坑外降水井设置过密过深对基坑围护结构稳定性和周围地表沉降造成过大影响，能够达到降水目的，可在兰州地区特殊强风化砂岩地层深基坑降水工程推广应用。