CN104727289A - 一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，所述方法充分考虑地下连续墙挡水及减少周边环境沉降的作用，通过理论方法及数值模拟进行分析，确定是否需要通过水泥搅拌防越流墙加固地下连续墙，进而确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度，在满足周边环境沉降的情况下，起到经济性和保护周围环境的双重效果。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度，优先完成水泥搅拌防越流墙施工，使得施工效率较高，使用材料较少，成本较低，施工操作方便，可靠度高。

Description

一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法

技术领域

本发明涉及地下建筑施工技术领域的方法，具体地，涉及一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法。

背景技术

城市化的迅速发展，极大地促进了城市高层建筑和地下空间的大规模开发，深基坑、超深基坑不断涌现，其中上海中心大厦基坑开挖深度31.3m、上海地铁十三号线淮海路站端头井开挖深度35m，基坑工程逐渐朝大深度、大面积方向发展。然而随着深度的增加，工程水文地质中的不确定因素逐渐增多，基坑施工安全及基坑施工对周边环境的影响变得至关重要。在基坑施工过程中，如果地下水位过高，则需要对基坑工程进行大面积临时性降水。在我国部分地区弱透水层与承压含水层交互堆积，不能起到隔水的效果。下卧承压含水层降水过程中，上部含水层会产生从弱透水层的越流补给现象，导致降水过程中时常出现越流现象，对周边环境造成较大的沉降或引起基坑底部发生突涌现象，造成工程事故，据统计70％以上的基坑工程事故是由于基坑开挖过程中降水不当导致的。因此，如何减小地下水对基坑开挖及周边地层的影响，控制多层含水层越流补给的问题是工程中的技术难点之一。

经过对现有的文献检索发现，中国专利申请公布号为“CN102995647A”，专利名称为一种桩孔注浆隔渗的地下水控制方法，该专利自述为：“钻桩孔至含水层降水位置暂停桩孔钻孔，在已成孔的孔底超前钻劈裂注浆孔；采用劈裂注浆法在与劈裂注浆孔对应的位置形成大直径水平圆饼状注浆加固土隔渗体；继续钻桩孔到桩底深度位置，清桩孔后依序完成钢筋笼吊放和混凝土灌注，直至完成钻孔灌注的桩施工”该技术可以在一定程度上减小越流，达到减压降水保护地下水和地面沉降的效果。但是，该专利注浆过程中，无法控制确保达到预期的封闭效果，而且从底部每隔一米注浆一次，注浆量太大，造成资源的极大浪费和施工效率的下降。所以，该技术仅适用于基坑范围较小或者小面积的端头井，适用条件较窄，且浪费大量材料，效率相对较低。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，该方法充分考虑地下连续墙挡水及减少周边环境沉降的作用，通过理论方法及数值模拟进行分析，确定是否需要通过水泥搅拌防越流墙加固地下连续墙，进而确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度，在满足周边环境沉降的情况下，起到经济性和保护周围环境的双重效果。

为实现以上目的，本发明提供一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、对施工现场进行土层划分，随后对获取的施工现场土样进行室内常规土工试验，得到施工现场各土层的厚度及相关物理力学参数；

优选地:

所述的获取施工现场土样是指：用厚壁取土设备在施工现场对基坑开挖区域从地面至基坑坑底设计深度的3倍范围内取土；用于做室内常规土工试验的取土数以每层土不少于三个试件为宜；

所述的相关物理力学参数是指：各层土体的湿密度ρ、含水量w、压缩系数a、渗透系数K；

所述的室内常规土工试验是指：密度试验、含水量测定试验、侧限压缩试验、常规渗透试验；所述含水量测定试验是指通过烘干土样得到土体的含水量w；

所述密度试验是指通过环刀法密度试验方法测得各层土样的湿密度ρ，并计算得到孔隙比e；

所述侧限压缩试验是通过压缩仪按照加载等级50、100、200、300、400kPa依次加载，每级荷载恒压1～2h，绘制孔隙比e与加载荷载P曲线，并计算得到该曲线斜率，即土体压缩系数a；

所述常规渗透试验是指通过常水头渗透试验和变水头渗透试验测定土样的渗透系数K，所述常水头渗透试验适用于卵石、碎石、粗砂、中砂、细砂的粗颗粒土，所述变水头渗透试验适用于黏土、粉质黏土、淤泥质黏土的细颗粒土。

更优选地，所述孔隙比e由以下公式确定：

$e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1$

式中：ρ为湿密度，w为含水量，ρ_s为土粒密度；土粒密度ρ_s：砂土取2.65～2.69g/cm³、砂质粉土取2.70g/cm³、黏质粉土取2.71g/cm³、粉质黏土取2.72～2.73g/cm³、黏土取2.74～2.76g/cm³。

第二步，对基坑进行底板稳定性验算，确定是否需要对承压含水层进行降水，若需要进行降水则采用非完整井降水，确定该承压含水层水位下降深度；

优选地，第二步中，具体实现过程如下：

1)计算基坑抗突涌安全系数F_s；

2)若基坑抗突涌安全系数F_s大于或等于1.10，则不需要对基坑施工进行承压含水层进行降水；若基坑抗突涌安全系数F_s小于1.10，则需要对基坑承压含水层进行降水，计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁，确定承压含水层水位下降深度Δh。

更优选地，第二步的1)中，所述基坑抗突涌安全系数F_s由以下公式确定：

$F_s=\frac{h_0{\mathrm{\γ}}_s}{{\mathrm{\γ}}_{w}H}$

式中：h₀为基坑底板至承压含水层顶板间距离(m)，γ_s为基坑底板至承压含水层顶板间的土的平均重度(kN/m³)，H为承压含水层顶板以上的水头高度(m)，γ_w为水的重度(kN/m³)，取10kN/m³。

更优选地，第二步的2)中，所述计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁由以下公式确定：

所述承压含水层水位下降深度Δh由以下公式确定：

Δh＝H₀-H₁-h₁

式中：H₀为承压含水层顶板埋深，h₁为承压含水层初始水头(m)。

第三步：根据第二步验算结果，采用数值模拟方法建立模型，对施工现场进行开挖过程中一定天数降水模拟，分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降；

优选地，第三步中，具体实现过程如下：

1)确定模型尺寸，并划分网格，布置地下连续墙；所述模型尺寸包括模型水平范围尺寸和垂直范围尺寸，其中所述水平范围尺寸大于降水井影响半径R的两倍，所述垂直范围尺寸大于所需降水承压含水层底板所在标高；

2)设置土体参数、设置地下连续墙参数；其中：所述土体参数包括各层土体孔隙比e、渗透系数K、体积压缩系数m_v、储水率S_s；所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗透系数；

3)通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降。

更优选地，第三步的1)中，所述降水井影响半径R由以下公式确定：

R＝3000ΔhK₀ ^1/2

式中：K₀为承压含水层渗透系数，R、Δh单位以米计，K₀单位以米/秒计。

更优选地，第三步2)中，所述体积压缩系数m_v由以下公式确定：

m_v＝a/1+e

所述储水率S_s由以下公式确定：

S_s＝γ_wm_v。

本步骤中的降水模拟，一定天数可以根据实际情况进行设定，比如180天等。

第四步，在第三步模型的基础上，在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防越流墙，对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中一定天数降水模拟，得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度；

优选地，第四步中，具体实现过程如下：

1)、在模型中从小至大调整水泥搅拌防越流墙的高度，对每一个高度值重复第三步中所有步骤，选取同一位置绘制基坑周边承压含水层水位变化和地面沉降剖面图；

2)、根据第四步1)中数值模拟结果，确定降水过程中：基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系、基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系；

3)、根据第四步2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的公式，结合基坑周边地面沉降控制值，反算出最佳的水泥搅拌防越流墙高度。

更优选地，所述第四步的1)中，所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正下方，所述水泥搅拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合，所述水泥搅拌防越流墙的上部与所述地下连续墙的下部刚结。

更优选地，所述第四步的2)中：

所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确定：

ΔH＝α₁x²+β₁x+γ₁

式中：ΔH为基坑周边水位变化最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₁、β₁、γ₁由数值模拟确定；

所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确定：

ΔS＝α₂x²+β₂x+γ₂

式中：ΔS为基坑周边地面沉降最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₂、β₂、γ₂由数值模拟确定；

所述基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定：

r＝α₃x+β₃

式中：r为基坑周边地面沉降影响半径，x为围护结构埋置深度，参数α₃、β₃由数值模拟确定。

更优选地，所述第四步的2)中：

所述围护结构埋置深度是指，所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流墙高度之和；所述围护结构埋置深度x由以下公式确定：

x＝x₁+x₂

式中：x₁为水泥搅拌防越流墙高度，x₂为地下连续墙埋置深度；

所述基坑周边地面沉降影响半径是指，基坑坑壁与基坑周边地面沉降变化为1mm处之间的距离。

更优选地，所述第四步的3)中，所述基坑周边地面沉降控制值取5～10mm，具体根据基坑周边具体施工要求确定。

本步骤中的降水模拟，一定天数可以根据实际情况进行设定，比如180天等，可以与第三步中设定的天数相同。

第五步，根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度，完成水泥搅拌防越流墙施工，再进行相应地下连续墙施工。

优选地，第五步中，具体实现过程如下：

1)启动搅拌机，将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层，压入深度等于所述围护结构埋置深度；

2)用泵将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中，在压浆的同时旋转和提升所述注浆搅拌一体管；当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部埋深时停止压浆，拔出所述注浆搅拌一体管；

3)重复第五步2)步骤，至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完成施工；

4)用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽，待所有基槽开挖完毕，用吊机吊放所述地下连续墙的钢筋笼；分段浇筑混凝土，完成所述地下连续墙的主体混凝土浇筑；

5)对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度；至此，所述地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕，可共同作用，防止多层含水层越流补给，从而起到保护周边环境和降低沉降的作用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明充分考虑到了地下连续墙自身对周边沉降的作用，通过数值模拟方法，确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度，减小多层含水层越流补给及周边环境沉降过大的不利影响。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度，优先完成水泥搅拌防越流墙施工，使得施工效率较高，使用材料较少，成本较低，施工操作方便，可靠度高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的模型三维立体图；

图2为本发明一实施例的地下连续墙及降水井布置图；

图3为本发明一实施例的降水180d基坑周边承压含水层水位变化最终等值线图；

图4为本发明一实施例的降水180d后基坑周边地面沉降等值线图；

图5为本发明一实施例的水泥搅拌防越流墙与地下连续墙的位置图；

图6为本发明一实施例的降水180d后基坑周边承压含水层水位变化剖面图；

图7为本发明一实施例的降水180d后基坑周边地面沉降变化剖面图；

图8-图9为本发明一实施例的基坑周边水位变化及地面沉降最大值与围护结构埋置深度关系图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图8所示，本实施例提供一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，用于基坑开挖施工过程中保护周围环境，减小对周边环境地面沉降的作用。

本实施例的基坑为地铁车站工作井，南面为既有地铁线路，北面为高架桥，均距离该施工场地较近。基坑开挖深度35m，地下连续墙设计厚度为1.2m，设计埋深为60m。经地质勘查报告显示，该施工场地范围内，⑧₁层粉质粘土层较薄甚至部分缺失，为保证工程顺利进行，减少对周边环境的影响，应用本发明所述方法减小周边环境沉降，具体实施步骤如下：

第一步、通过钻孔取土的方法对施工现场进行土层划分，随后对获取的施工现场土样进行常规土工试验，得到施工现场各土层的厚度及相关物理力学参数。

本实施例中施工现场土层被划分为10层：

从地表至2.3m内，土层为①₁层填土层，其含水量w为26％，压缩系数a为0.44MPa^-1，渗透系数K为1.1E-5cm/s，湿密度ρ为1.8g/cm³，土粒密度ρ_s取2.71g/cm³，则孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{{\mathrm{\ρ}}_s(1+w)}{\mathrm{\ρ}}-1$

得到①₁层填土层孔隙比 $e=\frac{2.71\×(1+0.26)}{1.8}-1=0.9$

从2.3m至9.8m内土层为②₃层粘质粉土层，含水量w为42％、压缩系数a为0.66MPa^-1，渗透系数K取值为4E-04cm/s，湿密度ρ为1.82g/cm³，土粒密度ρ_s取2.71g/cm³，则②₃层粘质粉土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.71\×(1+0.342)}{1.82}-1=1.12$

从9.8m至15.8m内土层为④层淤泥质粘土层，含水量w为48％，压缩系数a为1.08MPa^-1，渗透系数K取值为2E-7cm/s，湿密度ρ为1.68g/cm³，土粒密度ρ_s取2.74g/cm³，则④层淤泥质粘土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.74\×(1+0.48)}{1.68}-1=1.4$

从15.8m至19.0m内土层为⑤₁层灰色粘土层，含水量w为36.8％，压缩系数a为0.57MPa^-1，渗透系数K取值为2.0E-7cm/s，湿密度ρ为1.76g/cm³，土粒密度ρ_s取2.74g/cm³，则⑤₁层灰色粘土层孔隙比e由下式计算确定:

$e=\frac{2.74\×(1+0.368)}{1.76}-1=1.1$

从19.0m至23.0m内土层为⑤₂层灰色粉质粘土层，含水量w为30.0％，压缩系数a为0.34MPa^-1，渗透系数K取值为1.0E-4cm/s，湿密度ρ为1.8g/cm³，土粒密度ρ_s取2.72g/cm³，则⑤₂层灰色粉质粘土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.72\×(1+0.3)}{1.8}-1=0.96$

从23.0m至28.60m土层为⑥层暗绿色粘土层，含水量w为21.7％，压缩系数a为0.22MPa^-1，渗透系数K取值为2.0E-6cm/s，湿密度ρ为1.97kg/m³，土粒密度ρ_s取2.74，则⑥层暗绿色粘土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.74\×(1+0.217)}{1.97}-1=0.68$

从28.60m至39.9m内土层为⑦₁层砂质粉土层，含水量w为26％，压缩系数a为0.16MPa^-1，渗透系数K取值为7.0E-4cm/s，湿密度ρ为1.9g/cm³，土粒密度ρ_s取2.70，则⑦₁层砂质粉土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.70\×(1+0.26)}{1.9}-1=0.78$

从39.9m至58.30m内土层为⑦₂层粉细砂层，含水量w为27.2％，压缩系数a为0.13MPa^-1，渗透系数K取值为9.0E-4cm/s，湿密度ρ为1.87kg/m³，土粒密度ρ_s取2.65，则⑦₂层粉细砂层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.65\×(1+0.272)}{1.87}-1=0.8$

从58.3m至59.2m内土层为⑧₁层粉质粘土层，含水量w为31％，压缩系数a为0.35MPa^-1，渗透系数K取值为2.0E-04cm/s，湿密度ρ为1.84g/cm³，土粒密度ρ_s取2.72，则⑧₁层粉质粘土层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.72\×(1+0.31)}{1.84}-1=0.95$

从59.2m至120m内土层为⑨层粉细砂层，含水量w为26.5％，压缩系数a为0.12MPa^-1，渗透系数K取值为9E-03cm/s，湿密度ρ为1.89g/cm³，土粒密度ρ_s取2.65，则⑨层粉细砂层孔隙比e由下式计算确定：

$e=\frac{2.65\×(1+0.265)}{1.89}-1=0.774$

深度方向自上而下，⑦₁层砂质粉土层和⑦₂层粉细砂层为第一承压含水层，⑨层粉细砂层为第二承压含水层；⑧₁层粉质粘土层为隔水层，但⑧₁层粉质粘土层较薄且局部缺失，故降水过程中会发生从第一承压含水层至第二承压含水层的越流。

第二步，对基坑进行底板稳定性验算，确定是否需要对承压含水层进行降水，若需要进行降水，则采用非完整井降水，确定该承压含水层水位下降深度。具体的：

1)计算基坑抗突涌安全系数

所述基坑抗突涌安全系数由以下公式确定：

$F_s=\frac{h_0{\mathrm{\γ}}_s}{{\mathrm{\γ}}_{w}H}$

式中：F_s为基坑抗突涌安全系数，h₀为基坑底板至承压含水层顶板间距离(m)；γ_s为基坑底板至承压含水层顶板间的土的平均重度(kN/m³)；H为承压含水层顶板以上的水头高度(m)；γ_w为水的重度(kN/m³)。

2)若基坑抗突涌安全系数F_s大于或等于1.10，则不需要对基坑施工进行承压含水层进行降水；若基坑抗突涌安全系数F_s小于1.10，则需要对基坑承压含水层进行降水，计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁，确定承压含水层水位下降深度Δh。

本实施例中：

所述计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁由以下公式确定：

所述承压含水层水位下降深度Δh由以下公式确定：

Δh＝H₀-H₁-h₁

式中：H₀为承压含水层顶板埋深，h₁为承压含水层初始水头(m)。

经验算本实施例中：γ_s为18.75kN/m³，h₀＝59.2-35＝24.2m，水的密度γ_w取10kN/m³,则基坑抗突涌安全系数F_s为：

$F_s=\frac{18.75\&times;24.2}{(59.2-7)\&times;10}=0.87<1.10$

故需要对第二承压含水层进行降水设计。承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁为：

$H_1=\frac{18.75\&times;24.2}{1.10\&times;10}=41.42m$

H₀＝59.2m，h₁＝7m，则承压含水层水位下降深度由下式确定：

Δh＝59.2-41.42-7＝10.78m

拟在坑内布置4口降水井，每个降水井抽水流量为800m³/d。

第三步：根据第二步验算结果，采用数值模拟方法，建立模型，对施工现场进行开挖过程中180天降水模拟，分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降变化。具体的：

1)确定模型尺寸，并划分网格，布置地下连续墙；所述模型尺寸包括模型水平范围尺寸和垂直范围尺寸，其中：所述水平范围尺寸应大于降水井影响半径R的两倍，所述垂直范围尺寸应大于所需降压承压含水层底板所在标高。

本实施例中，所述降水井影响半径R由以下公式确定：

R＝3000ΔhK₀ ^1/2

式中：K₀为承压含水层渗透系数，R、Δh单位以米计，K单位以米/秒计。

本实施例模型如图1所示，第二承压含水层渗透系数为9.0E-5m/s，第二承压含水层水位下降深度Δh为10.78m，降水井影响半径R由下式计算确定：

R＝3000×10.78×(9×10^-5)^1/2＝305m

故模型计算尺寸设置为长2000m，宽2000m；第二承压含水层底板埋深为120m，模型埋深设置为120m；工作井尺寸为长24.8m，宽24.8m。有限元模型共有2683620个节点和268320个单元；平面放大网格、地下连续墙布置及降水井布置如图2所示。

2)设置土体参数，设置地下连续墙参数；所述土体参数包括各层土体孔隙比e、渗透系数K、体积压缩系数m_v、储水率S_s，所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗透系数；其中：

所述体积压缩系数m_v由以下公式确定：

m_v＝a/1+e

所述储水率S_s由以下公式确定：

S_s＝γ_wm_v。

本实施例中，施工现场土层被划分为10层，其中：

所述①₁层填土层的渗透系数K为1.1E-5cm/s、孔隙比e为0.9、压缩系数a为0.44MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.44/1+0.9＝0.23MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取2.3E-04kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×2.3×10^-4＝2.3×10^-3m^-1；

所述②₃层粘质粉土层的渗透系数K为4E-04cm/s、孔隙比e为1.12、压缩系数a为0.44MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.66/1+1.12＝0.31MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取3.1E-04kPa^-1，则储水率S_s为由下式确定：

S_s＝10×3.1×10^-4＝3.1×10^-3m^-1；

所述④层淤泥质粘土层的渗透系数K为2E-7cm/s、孔隙比e为1.4、压缩系数a为1.08MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝1.08/1+1.4＝0.45MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取4.5E-04kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×4.5×10^-4＝4.5×10^-3m^-1；

所述⑤₁层灰色粘土层的渗透系数K为2.0E-7cm/s、孔隙比e为1.1、压缩系数a为0.57MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.57/1+1.1＝0.27MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取2.7E-04kPa^-1，则储水率S_s为下式确定：

S_s＝10×2.7×10^-4＝2.7×10^-3m^-1；

所述⑤₂层灰色粉质粘土层的渗透系数K为1.0E-4cm/s、孔隙比e为0.96、压缩系数a为0.34MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.34/1+0.96＝0.17MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取1.7E-04kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×1.7×10^-4＝1.7×10^-3m^-1；

所述⑥层暗绿色粘土层的渗透系数K为2.0E-6cm/s、孔隙比e为0.68、压缩系数a为0.22MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.68/1+0.68＝0.07MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取7E-05kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×7×10^-5＝7×10^-4m^-1；

所述⑦₁层砂质粉土层的渗透系数K为7.0E-4cm/s、孔隙比e为0.78、压缩系数a为0.16MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.16/1+0.78＝0.09MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取9E-05kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×9×10^-5＝9×10^-4m^-1；

所述⑦₂层粉细砂层的渗透系数K为8.0E-5cm/s、孔隙比e为0.8、压缩系数a为0.13MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.13/1+0.8＝0.08MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取8E-05kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×8×10^-5＝8×10^-4m^-1；

所述⑧₁层粉质粘土层的渗透系数K为2.0E-04cm/s、孔隙比e为0.95、压缩系数a为0.35MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.35/1+0.95＝0.18MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取1.8E-04kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×1.8×10^-4＝1.8×10^-3m^-1；

所述⑨层粉细砂层的渗透系数K为9E-03cm/s、孔隙比e为0.774、压缩系数a为0.12MPa^-1，则体积压缩系数m_v由下式确定：

m_v＝0.12/1+0.774＝0.07MPa^-1

水的重度γ_w取10kN/m³，体积压缩系数m_v取7E-05kPa^-1，则储水率S_s由下式确定：

S_s＝10×7×10^-5＝7×10^-4m^-1；

所述地下连续墙厚度为1.2m，渗透系数K为1E-7cm/s。

3)通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降变化。

本实施例中，基坑周边承压含水层水位变化如图3所示，基坑周边承压含水层水位变化为11m，满足承压含水层水位变化超过10.78m的要求。基坑周边地面沉降如图4所示，基坑周边地面沉降为16mm。

第四步，在第三步模型的基础上，在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防越流墙，对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中180天降水模拟；具体的：

1)在模型中从小至大调整所述水泥搅拌防越流墙的高度，对每一个高度值重复第三步中所有步骤，选取同一位置绘制基坑周边地面沉降变化剖面图。

本实施例中，所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正下方，所述水泥搅拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合，所述水泥搅拌防越流墙的上部与所述地下连续墙的下部刚结。

本实施例中，所述水泥搅拌防越流墙与所述地下连续墙的位置如图5所示，考虑所述水泥搅拌防越流墙高度依次为2m、4m、6m、8m，以第三步中计算结果为对比，(相当于所述水泥搅拌防越流墙高度为0m)，重复第三步中的所有步骤。计算得到：降水180天时基坑周边承压含水层水位变化如图6所示，降水180天时基坑周边地面沉降变化如图7所示。

2)根据所述第四步中步骤1)中数值模拟结果，确定降水过程中：基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系、基坑周边降水及地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系；其中：

所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确定：

ΔH＝α₁x²+β₁x+γ₁

式中：ΔH为基坑周边水位变化最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₁、β₁、γ₁由数值模拟确定；

所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系可由以下公式确定：

ΔS＝α₂x²+β₂x+γ₂

式中：ΔS为基坑周边地面沉降最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₂、β₂、γ₂由数值模拟确定；

所述基坑周边降水及地面沉降影响半径r与所述围护结构埋置深度x的关系由以下公式确定：

r＝α₃x+β₃

式中：r为基坑周边降水及地面沉降影响半径，x为围护结构埋置深度，参数α₃、β₃由数值模拟确定。

本实施例中，所述围护结构埋置深度x是指所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流墙高度之和，即由以下公式确定：

x＝x₁+x₂

式中：x₁为水泥搅拌防越流墙高度，x₂为地下连续墙埋置深度。

本实施例中，所述基坑周边地面沉降影响半径是指基坑坑壁与基坑周边地面沉降变化为1mm处之间的距离。

本实施例中，所述地下连续墙设计高度为60m，所述水泥搅拌防越流墙高度依次为0m、2m、4m、6m、8m，则所述围护结构埋置深度依次为60m、62m、64m、66m、68m。

如图8所示为基坑周边水位变化及地面沉降最大值与围护结构埋置深度关系，其中：

不同围护结构埋置深度情况下，所述基坑周边水位变化可由以下公式确定：

ΔH＝0.12x²-16.1x+549.4

式中：α₁为0.12，β₁为-16.1，γ₁为549.4；

不同围护结构埋置深度情况下，所述基坑周边地面沉降最大值可由以下公式确定：

ΔS＝0.14x²-19.6x+681

式中：α₂为0.14，β₂为-19.6，γ₂为681；

如图9所示，为基坑周边降水及地面沉降影响半径与围护结构埋置深度的关系；其中：

不同围护结构埋置深度情况下，基坑周边降水及地面沉降影响半径均可由以下公式确定：

R＝-46.85x+3564.6

式中：α₃为-46.85，β₃为3564.6。

3)根据第四步中步骤2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的公式，结合基坑周边地面沉降控制值，反算出最佳的水泥搅拌防越流墙高度。

本实施例中，所述基坑周边地面沉降控制值取5～10mm，具体的根据基坑周边具体施工要求确定。

本实施例中，所述基坑周边地面沉降控制值取6mm，由第四步的2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的公式，结合图8所示，反算出围护结构埋置深度66m，即水泥搅拌防越流墙高度为6m时，基坑周边地面沉降最大值为5.97mm，满足基坑周边地面沉降控制值的要求，控制多层含水层越流效果最好。

答复：此处添加围护结构埋置深度66m，将更加合适，请徐律师斟酌。

第五步，根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度，完成水泥搅拌防越流墙施工，再进行相应地下连续墙施工。具体的：

1)启动搅拌机，将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层，压入深度等于所述围护结构埋置深度；

本实施例中，最佳的水泥搅拌防越流墙高度为6m，故所述围护结构埋置深度为66m；

2)用泵将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中，在压浆的同时旋转和提升所述注浆搅拌一体管；当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部埋深时，停止压浆，拔出所述注浆搅拌一体管；

本实施例中，所述压浆压力为0.5MPa，所述注浆搅拌一体管旋转速度为45r/min，所述注浆搅拌一体管提升速度为0.3m/min，所述水泥浆选用425号普通硅酸盐水泥，水灰比为0.55；所述注浆搅拌一体管的底部提升至水泥防越流墙顶部埋深为60m时，拔出所述注浆搅拌一体管。

3)重复第五步中2)步骤，至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完成施工；

4)用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽，待所有基槽开挖完毕，用吊机吊放所述地下连续墙的钢筋笼，分段浇筑混凝土，完成所述地下连续墙的主体混凝土浇筑；

本实施例中，所述地下连续墙的主体混凝土采用C30混凝土。

5)对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度。至此，所述地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕，可共同作用，防止多层含水层越流补给，从而起到保护周边环境和降低沉降的作用。

本实施例中，所述地下连续墙养护至28天后，所述地下连续墙的混凝土强度达到C30设计强度。

本发明充分考虑到了地下连续墙自身对周边沉降的作用，通过数值模拟方法，确定最佳的水泥搅拌防越流墙高度，减小多层含水层越流补给及周边环境沉降过大的不利影响。本发明在施工前确定水泥搅拌防越流墙高度，优先完成水泥搅拌防越流墙施工，使得施工效率较高，使用材料较少，成本较低，施工操作方便，可靠度高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、对施工现场进行土层划分，随后对获取的施工现场土样进行室内常规土工试验，得到施工现场各土层的厚度及物理力学参数；

第二步，对基坑进行底板稳定性验算，确定是否需要对承压含水层进行降水，若需要进行降水则采用非完整井降水，确定该承压含水层水位下降深度；

第三步：根据第二步验算结果，采用数值模拟方法建立模型，对施工现场进行开挖过程中一定天数降水模拟，分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降；

第四步，在第三步模型的基础上，在模型中地下连续墙的正下方设置水泥搅拌防越流墙，对设置了水泥搅拌防越流墙的工况进行开挖过程中一定天数降水模拟，得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度；

第五步，根据第四步中得到的最佳的水泥搅拌防越流墙高度，完成水泥搅拌防越流墙施工，再进行相应地下连续墙施工。

2.根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，第一步中：

所述的室内常规土工试验是指：密度试验、含水量测定试验、侧限压缩试验、常规渗透试验；

所述的相关物理力学参数是指：各层土体的湿密度ρ、含水量w、压缩系数a、渗透系数K；

所述密度试验是指通过环刀法密度试验方法测得各层土样的湿密度ρ，并计算得到孔隙比e。

3.根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，所述第二步，具体实现过程如下：

1)计算基坑抗突涌安全系数F_s；

2)若基坑抗突涌安全系数F_s大于或等于1.10，则不需要对基坑施工进行承压含水层进行降水；若基坑抗突涌安全系数F_s小于1.10，则需要对基坑承压含水层进行降水，计算承压含水层顶板以上的水头高度安全值H₁，确定承压含水层水位下降深度Δh。

4.根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，所述第三步，具体实现过程如下：

1)确定模型尺寸，并划分网格，布置地下连续墙；所述模型尺寸包括模型水平范围尺寸和垂直范围尺寸，其中所述水平范围尺寸大于降水井影响半径R的两倍，所述垂直范围尺寸大于所需降水承压含水层底板所在标高；

2)设置土体参数、设置地下连续墙参数；其中：所述土体参数包括各层土体孔隙比e、渗透系数K、体积压缩系数m_v、储水率S_s；所述地下连续墙参数是指地下连续墙厚度及其渗透系数；

3)通过数值模拟计算分析基坑周边承压含水层水位变化及地面沉降。

5.根据权利要求4所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，第三步1)中：所述降水井影响半径R由以下公式确定：

R＝3000ΔhK₀ ^1/2

式中：K₀为承压含水层渗透系数，R、Δh单位以米计，K₀单位以米/秒计。

6.根据权利要求1所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，所述第四步，具体实现过程如下：

1)、在模型中从小至大调整水泥搅拌防越流墙的高度，对每一个高度值重复第三步操作，选取同一位置绘制基坑周边承压含水层水位变化和地面沉降剖面图；

2)、根据第四步1)中数值模拟结果，确定降水过程中：基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系、基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系；

3)、根据第四步2)中基坑周边水位变化最大值及地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的公式，结合基坑周边地面沉降控制值，反算出最佳的水泥搅拌防越流墙高度。

7.根据权利要求6所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，第四步1)中：所述水泥搅拌防越流墙位于所述地下连续墙的正下方，所述水泥搅拌防越流墙和所述地下连续墙两者的轴线重合，所述水泥搅拌防越流墙的上部与所述地下连续墙的下部刚结。

8.根据权利要求6所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，第四步2)中：所述基坑周边水位变化最大值与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定：

ΔH＝α₁x²+β₁x+γ₁

式中：ΔH为基坑周边水位变化最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₁、β₁、γ₁由数值模拟确定；

所述基坑周边地面沉降最大值与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定：

ΔS＝α₂x²+β₂x+γ₂

式中：ΔS为基坑周边地面沉降最大值，x为围护结构埋置深度，参数α₂、β₂、γ₂由数值模拟确定；

所述基坑周边地面沉降影响半径与所述围护结构埋置深度的关系由以下公式确定：

r＝α₃x+β₃

式中：r为基坑周边地面沉降影响半径，x为围护结构埋置深度，参数α₃、β₃由数值模拟确定；

所述围护结构埋置深度是指，所述地下连续墙埋置深度与所述水泥搅拌防越流墙高度之和；所述围护结构埋置深度x由以下公式确定：

x＝x₁+x₂

式中：x₁为水泥搅拌防越流墙高度，x₂为地下连续墙埋置深度；

所述基坑周边地面沉降影响半径是指，基坑坑壁与基坑周边地面沉降变化为1mm处之间的距离。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种控制多层含水层越流补给保护周围环境的施工方法，其特征在于，所述第五步，具体实现过程如下：

1)启动搅拌机，将搅拌机上设置的注浆搅拌一体管压入地层，压入深度等于围护结构埋置深度；

2)用泵将水泥浆通过所述注浆搅拌一体管压入地层中，在压浆的同时旋转和提升所述注浆搅拌一体管；当所述注浆搅拌一体管的底部提升至所述水泥搅拌防越流墙的顶部埋深时停止压浆，拔出所述注浆搅拌一体管；

3)重复第五步2)步骤，至全部所述地下连续墙下的所述水泥搅拌防越流墙均完成施工；

4)用挖掘机或者成槽机开挖所述地下连续墙的基槽，待所有基槽开挖完毕，用吊机吊放所述地下连续墙的钢筋笼；分段浇筑混凝土，完成所述地下连续墙的主体混凝土浇筑；

5)对所述地下连续墙养护至所述地下连续墙的混凝土强度达到设计强度；至此，所述地下连续墙和所述水泥搅拌防越流墙均施工完毕。