专利名称：超大超深基坑精确沉降及环保施工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种超大超深基坑精确沉 降及环保施工方法。
背景技术：
随着长三角地区经济持续增长，城市建设的步伐也加快，地面空间已远远不能满 足现在大城市经济发展的需求，越来越多的地下工程相继出现。因此基坑工程也成为沿海 经济发达城市建设的新热点。越来越多的超大超深基坑出现在城市中，而各类基坑建造开 挖的深度已经直接进入到相应的承压含水层中，以往被忽视的地下水环境问题终于成为无 法忽略的工程问题。同时，由于水环境的改变而引起的基坑周围地面沉降也成为基坑设计 施工中环境保护问题的关键。特别是基坑抽取承压水时引起的含水层的压缩。传统基坑挡 墙后的地表沉降预测方法主要有根据Heish或Clough提出的地表沉降分布形态结合开挖 深度估算的方法，或是peck的地层损失法。而在工程中主要采用强化围护措施及优化抽水 方案的方法控制周围地表沉降。甚至在地质条件较差的环境中，不惜采用地连墙全打穿承 压含水层这种经济性较差的设计方案以达到控制环境影响的目的。同时目前越来越多的超大超深基坑施工中，在基坑开挖时无法避免需要长时间抽 取含水砂层的承压水。而目前对于含水砂层压缩预测的方法一般为单向固结或是等向压 缩的变形模式，这种方法的共同点是仅考虑了竖向应力引起的土体变形。但是根据Budhu 等 2009 ^ ￠: ((International journal for numerical and analytical methods in geomechanics))(国际岩土工程数值模拟与分析期刊)上发表的(“Mechanics of land subsidence due to groundwater pumpimg”)(由抽水引起的地层沉降机理分析)的研究表 明，当含水砂层中的水头因为外部原因产生了较大的水力梯度，即有较大的水力梯度情况 下，必须采用对剪切，扭转产生变形充分考虑的cosserat非平衡力学体系确定含水层压缩 量。同时Khoei等2010年在《Computational Materials Science》(计算材料科学)上发表 的("3D finite element modeling of shear band localization via the micro-polar Cosserat continuum theory")(基于微极Cosserat连续理论的三维剪切带定位研究) 中指出，传统的柯西力学中不考虑微元体的尺寸，即在确定变形时只考虑等向固结，在剪应 力集中的区域进行应力变形模拟会出现较大的误差，已不再适用。而Cosserat非平衡力 学体系，由于考虑了单位体的尺寸，在每个单元体上的应力都可以考虑非均勻分布状态，从 而可以较好的模拟大剪应力条件下的应力应变状况。而在超大超深基坑施工过程中，引起 地层变形的不仅是传统的等向固结，压缩应力，更有剪切、扭转的产生。所以在超大超深基 坑施工中，仅仅采用传统的沉降预测及控制方法，不仅无法准确判断基坑周围的地表沉降， 并且盲目采用超深连续墙全隔断含水层的设计经济效益会大大降低。2006年沈水龙等在 《Underground construction and ground movement》(地下工禾呈与地层移动)2006 年其月 377 384 页上发表的("Analysis of settlement due to withdraw of groundwater around an unexcavated foundation pit”)(由抽水引起的非开挖基础周围沉降问题的研究)进一步提出工程中由于抽水导致的地表沉降问题非常严重。这些研究表明，目前迫切 需要一种针对超大超深基坑周围沉降准确预测及经济控制的方法。对现有的技术文献检索发现，《基坑工程手册》(中国建筑工业出版社出版)对基 坑墙后沉降的预测及控制工法都做出了详细的说明，并且通过实际工程的验证证明是可靠 的。但是对于超大超深基坑，围护结构未截断相关承压含水层且需要抽取承压水时，并没有 给出针对性的预测方法及根据沉降情况采用相应的应对措施这一系列的工法。所以必须在 此基础上提出更有针对性的配套工法，以保证此类基坑施工过程中，周围环境的保护。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种超大超深基坑精确沉降及环保施 工方法，操作简单，在准确预测沉降的同时，合理判断选择处理方法，从而达到控制周围地 表沉降，保护环境的目的，是一种经济的工法。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤步骤一，现场水文地质勘测，取土钻孔，划分土层，确定工程影响范围内承压含水 层的顶板及底板深度。同时查阅设计图纸，确定基坑开挖及围护结构的埋设设计深度，对比 前期水文地质勘测测得的承压含水层顶板及底板深度，判断隔水形式。当地连墙深度小于 承压含水层底板深度，且施工过程中需要长期抽取该层地下水时，则继续下一步骤。步骤二，现场选址，根据各工地施工现成的实际情况在基坑周围选择适当的位置 建造回灌中转池，回灌中转池的尺寸也根据现场情况选择，储水量大于等于抽水井2小时 的抽水量。步骤三，沿基坑的周边布置承压水水位观测井，距基坑止水帷幕5-10m的距离，同 时每个监测点间距为30 50米，水位观测管的管底埋置深度在最低设计水位或最低允许 地下水位之下3 5米，介于当层承压含水层之间。所述的布置水位观测井包括管井成孔和管井成井，其中对于第四系地层采用 传统回转钻进方式施工成井，同时钻井过程中需谨防井壁失稳，采用套管护壁的方法，在成 孔后安装井管。步骤四，根据如下公式确定基坑开挖后可能产生的墙后沉降值δ = abH，其中 a为由水力梯度变化引起的cosserat沉降系数；b为沉降经验系数，由于各地土质不同，根 据当地基坑统计规律取值，取值范围介于0. 05% 1. 0%之间；H为基坑设计开挖深度。所述的cosserat沉降系数a由以下方式确定①已知基坑内承压含水层设计降水水头hw，该含水层层初始水头Iitl及观测井中测 得水位ht。根据水位方程h =-(CIX^hci),带入不同位置χ处的水位值h，联立方程求得α 及X，确定该模型基坑的水位方程；②根据①中所确定的水位方程求导分别求得各个方向的附加应力{△ ’};③根据②中所确定的附加应力{Δ σ ’}及cosserat非平衡力学本构方程{Δε。} ={0Γ{Δ σ ’ }确定变形{Δ ε。}，其中{D}为cosserat弹性矩阵；④对比传统柯西力学理论下的方法计算得到的{Δ ε }，根据公式a = {Δ ε}/ {Δε。}确定 a。根据国家相关规范及地区性行业指南，针对不同的基坑标准选择沉降控制值Svms，当Svms > δ 时，则基坑沉降达到要求；当δνκ< δ 时，则基坑沉降未达到要求， 需要进行下一步处理。步骤五，采用原位回灌处理法，沿基坑的周边布置高压真空回灌井，距基坑止水帷 幕an的距离，同时每个监测点间距为30 50米，将高压真空回灌井连接水管及水泵，当基 坑施工抽水开始时将回灌中转池中的水抽出回灌至承压含水层中。所述的高压真空回灌井，包括铸铁井身、井头、铸铁井帽、固定铆钉和送水管喷 口，其中铸铁井身管壁厚5毫米，井头长2-2. 5米，铸铁井帽外沿与铸铁井身管壁焊接，铸 铁井帽中间开孔并与送水管喷头焊接，固定铆钉固定设置于铸铁井身的周围标定高度且以 45°角平均分布。所述的井头长2-2. 5米并使用滤网包裹，所述的铸铁井帽内沿设有防水橡胶圈，防止在高压回灌时漏水。所述的送水管喷头与井帽之间设有止水橡胶圈。所述的布置高压真空回灌井包括管井成孔和管井成井，其中对于第四系地层 采用传统回转钻进方式施工成井，同时钻井过程中需谨防井壁失稳，采用套管护壁的方法， 在成孔后安装井管，高压真空回灌井的管底埋置深度在最低设计水位或最低允许地下水位 之下3 5米，介于当层承压含水层之间；铸铁井身与井壁间应回填中粗砂，在距地表5米 处使用膨润土代替砂土回填，在井管就位的同时将铸铁井身上预留的铆钉与地基固定，确 保高压真空回灌井能正常使用。回灌施工时，供水水压泵选择0. 1-0. 压力。与原有技术相比，本发明使用了高压真空回灌井，结合目前国际上最近的 cosserat非平衡力学体系理论，在准确预测判断基坑周围地表沉降的同时，选择性的采用 人工回灌的方式来控制沉降。使得超大超深基坑在施工过程中不仅能够减小对周围环境的 影响，更保护了地下水资源，是一种新型的工法。本发明在实际应用中，对传统的方法优势主要是对基坑周围沉降的判断预测更为 准确，方法简单。并且对于这样一类特殊的基坑形式针对性的选用了人工回灌的沉降控制 方法，不仅循环利用了水资源，并且有效控制了基坑周围的地表沉降，所以本发明无论从社 会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大的应用价值。本发明使用方向为需要 降低相关承压含水层水头，而同时地下连续墙进入到承压含水层却无法打穿的情况下的超 大超深基坑。与现有技术相比，本发明具有如下的有益效益本发明的方法简单，在cosserat 非平衡力学模型准确预测沉降的前提下，选择性使用回灌技术的先进工法，保证了超大超 深基坑在施工过程中，周围地表沉降的有效控制。在控制基坑周围的地表沉降的同时，循环 利用了水资源，所以本发明无论从社会效益、经济效益、还是技术效益上来说，都具有很大 的应用价值。本发明使用方向为需要降低相关承压含水层水头，而同时地下连续墙进入到 承压含水层却无法打穿的情况下的超大超深基坑。
图1为高压真空回灌井细部构造图。图2为实施例现场施工示意图。图3为本发明工法与传统工法沉降控制对比示意图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例中涉及的高压真空回灌井1，包括铸铁井身2、井头3、铸铁 井帽4、固定铆钉5和送水管喷口 6，其中铸铁井身2的管壁厚5毫米，井头3长2-2. 5米， 铸铁井帽4外沿与铸铁井身2焊接，铸铁井帽4中间开孔并与送水管喷头焊接，固定铆钉5 固定设置于铸铁井壁的周围标定高度且以45°角平均分布以固定高压真空回灌井1。所述的井头3长2-2. 5米并使用滤网7包裹；所述的铸铁井帽4内沿设有防水橡胶圈8，防止在高压回灌时漏水。所述的送水管喷头与井帽4之间设有止水橡胶圈8。如图2所示，以某地区超大超深基坑为例，具体应用按以下步骤进行步骤一，现场地质勘探在工程影响范围内地质分为5层，分别是第一层素填土顶 板标高-0. 5m，层厚細；第二层粉砂顶板标高-3. 5m，层厚細；第三层粘土顶板标高_7. 5m, 层厚IOm ；第四层砂土顶板标高-17. 5m，层厚5m ；第五层粘土直至工程影响范围之外。第一 层承压含水层在第四层砂土中。同时查阅相关设计图纸，此基坑设计开挖深度为15m，支护 结构为地下连续墙结合四道钢支撑的维护结构，地连墙厚度为0. 8m，设计打入深度为20m， 根据前述现场地质勘测资料知，连续墙并没有完全隔断基坑下部承压含水层。基坑施工过 程中内部抽水会对周围环境产生影响，需要对周围的水位及沉降进行预判及选择处理方 式。步骤二，现场选址，距离基坑50m远处有一天然鱼塘，由于在基坑施工过程中，此 鱼塘位置为后续规划场址而不再使用，则选取此处为回灌中转池。步骤三，为了了解在施工过程中基坑内部抽水对周围水环境的影响，及准确预测 周围地表可能产生的沉降，在基坑周围布置承压水水位观测井。本实例基坑长100m，宽 30m,根据现场的情况决定在基坑周围共布置6个观测井，长度方向上一边2个，宽度方向上 一边一个，均勻分布于每边，每个观测井的距离不超过50m。同时每个井距地连墙直线距离 为5m，观测管埋设深度为20m。观测管施工采用回转钻进的施工方式，施工中使用的为全液 压工勘钻机(YDII型)，成孔直径350mm，同时结合套管护壁，完成空后安装井管，最后在井 管与井壁间回填砾料完成观测井的施工。步骤四，根据公式确定在基坑开挖到底时，周围地表可能产生的沉降量δ ■ = abH其中根据本工法提出的a确定方法得到在此工程中a为1. 3，b根据此地区历年的 基坑施工统计规律，选取0. 43，得到δ vm = 0. 559% H，根据该地区地铁基坑工程施工规范 要求，三类基坑允许周围地表沉降值为0.5%Η，δ > δ vms，需要进行沉降控制处理。步骤五，根据步骤四中确定采用沉降控制处理，此处使用本发明中设计的新型高 压真空回灌井1。首先需要安装高压真空回灌井1，与水位观测井相似，在基坑周围共布置 6个观测井，长度方向上一边2个，宽度方向上一边一个，均勻分布于每边，每个观测井的距 离不超过50m。同时每个井距地连墙直线距离为2m，观测管埋设深度为20m，井头3过滤器长細，采用双层缠丝贴砾过滤器，过滤管外径325mm，内径219mm。高压真空回灌井1施工方 式与观测井相同，在井管与井壁间回填砾料至地下5米出，采用膨润土回填，最后用铆钉5 将高压真空回灌井1固定于地面，完成观测井的施工。在施工过程中基坑内部抽出的水集 中到步骤一中所选的鱼塘中，同时用水泵连接到基坑外的各个高压真空回灌井1中，在抽 水的同时回灌，出水管压力控制在0. 15MPa,回灌流量控制为抽水流量的80%。
本实施例的效果超大超深基坑施工过程中，未使用处理措施及使用本实施例的 施工队周围地面造成的沉降比较如图3所示；按照本实施的方法施工后可以有效减少基坑 周围地表至少25%的最大沉降及30%的沉降影响范围。
权利要求
1.一种超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征在于，包括以下步骤步骤一，现场水文地质勘测，取土钻孔，划分土层，确定工程影响范围内承压含水层的 顶板及底板深度并确定基坑开挖及围护结构的埋设设计深度，对比前期水文地质勘测测得 的承压含水层顶板及底板深度，判断隔水形式，当地连墙深度小于承压含水层底板深度，且 施工过程中需要长期抽取该层地下水时，则继续下一步骤；步骤二，现场选址，根据各工地施工现成的实际情况在基坑周围选择适当的位置建造 回灌中转池，回灌中转池的尺寸也根据现场情况选择，储水量大于等于抽水井2小时的抽 水量；步骤三，沿基坑的周边布置承压水水位观测井，距基坑止水帷幕5-10m的距离，同时每 个监测点间距为30 50米，水位观测管的管底埋置深度在最低设计水位或最低允许地下 水位之下3 5米，介于当层承压含水层之间；步骤四，根据如下公式确定基坑开挖后可能产生的墙后沉降值S = abH，其中a为 由水力梯度变化引起的cosserat沉降系数；b为沉降经验系数，由于各地土质不同，根据当 地基坑统计规律取值，取值范围介于0. 05% 1. 0%之间；H为基坑设计开挖深度；步骤五，采用原位回灌处理法，沿基坑的周边布置高压真空回灌井，距基坑止水帷幕an 的距离，同时每个监测点间距为30 50米，将高压真空回灌井连接水管及水泵，当基坑施 工抽水开始时将回灌中转池中的水抽出回灌至承压含水层中。
2.根据权利要求1所述的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征是，所述的 布置水位观测井包括管井成孔和管井成井，其中对于第四系地层采用传统回转钻进方 式施工成井，同时钻井过程中需谨防井壁失稳，采用套管护壁的方法，在成孔后安装井管。
3.根据权利要求1所述的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征是，所述的 cosserat沉降系数a由以下方式确定①已知基坑内承压含水层设计降水水头hw，该含水层层初始水头Iitl及观测井中测得水 位ht，根据水位方程h =-(αχ2+、)，带入不同位置χ处的水位值h，联立方程求得α及X， 确定该模型基坑的水位方程；②根据①中所确定的水位方程求导分别求得各个方向的附加应力{△σ ’ }；③根据②中所确定的附加应力{Δσ ’ }及cosserat非平衡力学本构方程{Δε。} = {0Γ{Δ σ ’ }确定变形{Δ ε。}，其中{D}为cosserat弹性矩阵；④对比传统柯西力学理论下的方法计算得到的{Δε }，根据公式a = {Δ ε}/{Δ ε J 确定a ；根据国家相关规范及地区性行业指南，针对不同的基坑标准选择沉降控制值δ s，当 δ 5> δ 时，则基坑沉降达到要求；当δ·< δ 时，则基坑沉降未达到要求，需要进行 下一步处理。
4.根据权利要求1所述的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征是，所述的 高压真空回灌井，包括铸铁管壁、井头、铸铁井帽、固定铆钉和送水管喷口，其中铸铁管 壁的壁厚5毫米，井头长2-2. 5米，铸铁井帽外沿与铸铁管壁焊接，铸铁井帽中间开孔并与 送水管喷头焊接，固定铆钉固定设置于铸铁井壁的周围标定高度且以45°角平均分布以固 定高压真空回灌井。
5.根据权利要求1所述的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征是，所述的井头长2-2. 5米并使用滤网包裹；所述的铸铁井帽内沿设有防水橡胶圈；所述的送水管喷 头与井帽之间设有止水橡胶圈。
6.根据权利要求1所述的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，其特征是，所述的 布置高压真空回灌井包括管井成孔和管井成井，其中对于第四系地层采用传统回转钻 进方式施工成井，同时钻井过程中需谨防井壁失稳，采用套管护壁的方法，在成孔后安装井 管，高压真空回灌井的管底埋置深度在最低设计水位或最低允许地下水位之下3 5米，介 于当层承压含水层之间；铸铁井身与井壁间应回填中粗砂，在距地表5米处使用膨润土代 替砂土回填，在井管就位的同时将铸铁井身上预留的铆钉与地基固定，确保高压真空回灌 井能正常使用，回灌施工时，供水水压泵选择0. 1-0. 2MPa压力。
全文摘要
一种建筑工程技术领域的超大超深基坑精确沉降及环保施工方法，通过在超大超深基坑设计施工过程中，在坑内抽取承压水而引起的含水层压缩，导致基坑周围地表沉降的准确预测及控制。本发明操作简单，在准确预测沉降的同时，合理判断选择处理方法，从而达到控制周围地表沉降，保护环境的目的，是一种经济的工法。
文档编号E02D1/00GK102108707SQ20111006097
公开日2011年6月29日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者沈水龙, 许烨霜, 马磊 申请人:上海交通大学