CN109898534A - 一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，通过在基坑坑外加设多道止水帷幕，第一道止水帷幕兼做基坑围护结构，止水帷幕可采用地下连续墙、钻孔咬合灌注桩、素混凝土墙、双排搅拌桩以及高压旋喷桩等方式，同时在止水墙间设置一定数量的降水井，按需要开启降水井，梯次分配止水墙两侧水头差，实现增加渗流路径，减小基坑围护结构所受水压差，降低坑底突涌风险的目的，避免对周围重要建筑物造成破坏性影响。

Description

一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法

技术领域

本发明属于土木建筑与交通工程技术领域，具体涉及一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法。

背景技术

城市沿江海湖泊地区，地下水位较高，地层岩性多为新近沉积河漫滩淤泥质土和粘性土，地层复杂多变，且多为互层，多含有一个潜水含水层和多个承压含水层。在这种地区进行深大基坑开挖，常面临由于承压含水层较深厚，围护结构不能完全截断，或者连续墙过深带来的施工质量不可控问题，对基坑结构施工本身安全以及周围重要构筑物造成重大威胁。

以典型的长江漫滩二元地质结构为例，上部多广泛分布10-30m厚的淤泥、淤泥质粘土，该层属于弱透水层，总体渗透性能差，可作为隔水顶板考虑，其下多为粉质粘土夹粉土或粉砂，多呈互层状，水平渗透性好而垂向渗透性差，普遍具有弱承压性，降水设计不容忽略，否则有基坑突涌或管涌风险；中部为稍密到中密的粉细砂层，厚度10-40m之间；下部为中密到密实的粗砂砾石等，厚约3-20m。中下部常构成厚达40-60m的承压含水层，承压水头较大，同时接受长江水补给，基坑施工风险大。

在该种类地层施工，还面临邻近重要建(构)筑物保护问题，通过在基坑外施作多道止水墙，增加渗流路径，减小水力梯度，进而达到减少坑内降水对坑外构筑物的影响问题，同时由于减少了渗流压力，还可达到保护基坑自身围护墙的效果，保障施工安全。因此，设计一种高承压水基坑降水风险控制的方法，对该种类型地层中的基坑工程具有重要指导意义。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，在围护降水设计时，在坑外加设多级止水帷幕，同时在止水墙间设置一定数量的降水井，根据基坑开挖需要，梯次合理分配水头差，增加渗流路径，达到降低基坑围护结构水压力，减少坑底突涌风险，避免对周围重要构筑物造成破坏性影响。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，具体实施步骤：

步骤一，探明基坑开挖区工程地质水文地质条件，在常规抽水及室内渗透试验的基础上，采用孔压静力触探对地下水文地质结构进行精细化勘察，分析静力触探贯入时孔压增长变化规律，结合孔压消散试验，确定各层土渗透系数，划分隔水层，半隔水层及含水层，确定承压水头H；

步骤二，根据基坑开挖深度、开挖过程与地层结构关系结合承压水头高度及其埋藏深度，考虑与既有重要构筑物的距离，确定基坑抗突涌安全性系数K_t；

步骤三，根据确定的抗突涌安全系数K_t，按建筑基坑技术规程(JGJ120-2012)规定的式确定Δh₁；

l_d为止水帷幕在坑底以下的插入深度，D₁承压含水层顶面至基坑底面的土层厚度，γ'为土的浮重度，Δh为止水帷幕两侧水头差，γ_w为水的重度。

步骤四，根据步骤一确定的坑外水头H，以及步骤三得到的Δh₁，确定第二道止水墙与坑外水头差，Δh₂＝H-Δh₁；

步骤五，预计前述承压水位降深情况下，二级止水帷幕后地表沉降大小，若沉降超过允许值，按步骤三～四，重新分配水头降深，设置第三道止水帷幕；

步骤六，根据地下水水头下降设计要求合理布置坑内和止水帷幕间的降水井。

优选地，所述各级止水帷幕，第一级止水帷幕兼做基坑围护结构，应进行相关强度验算，可采用地下连续墙或咬合桩建造，二级、三级止水帷幕则结合工程实际采用素混凝土墙、三轴搅拌桩墙或高压旋喷桩墙建造。

所述步骤一中孔压静力触探是指一种原位测试技术，试验时，采用液压将探头压入土中，速度保持在(2±0.5)cm/s，贯入过程实时采集锥尖阻力q_t，侧壁阻力f_s，孔隙水压力u，并可在指定深度停止，开展孔压消散试验。

所述的利用孔压消散试验确定渗透系数其中：k_h为水平渗透系数，C_h为固结系数，γ_w为水的重度，D'为一维压缩侧限模量；

固结系数式中：为修正时间系数，当孔压消散位于锥尖正后方取0.245，a为探头半径，I_R为刚度指数，t₅₀为空压消散50％所需的时间。

一维压缩侧限模量D'＝8.25(q_t-σ_v0)，式中：q_t为锥尖阻力，σ_v0为土层自重应力。

所述步骤二中基坑抗突涌安全性系数Kt取值在1.4—1.6之间，具体根据基坑安全等级确定。

所述步骤三中，止水帷幕在坑底以下的插入深度l_d应根据稳定性要求和隔水作用综合确定。

所述步骤三中，止水帷幕插入深度应不少于承压含水层厚度50％，以形成明显的阻隔效应。

优选地，所述步骤五中，止水帷幕后地表沉降计算方法如下：

式中：Δb为地层压缩量，m_v为土的体积压缩系数，s为各土层内水位降深，γ_w为地下水重度，为沉降修正系数，取值与土性和降水持续时间相关。

优选地，所述步骤五，地表沉降允许值，一级、二级、三级基坑分别按0.1％H、0.2％H和0.5％H确定。

所述步骤六，布置降水井，单个非完整井抽水，坑内含水层任一点水位降深s(r，z，t)满足：

式中：T-承压含水层导水系数，S-承压含水层储水系数。实际操作水位降深s可通过数值方法(如Modflow)进行计算。

本发明的有益效果是：

本发明所述的高承压水地层条件下深大基坑工程多梯次减压降水控制方法，采用梯级设置隔水墙的方式，逐步降低水头，使得基坑分层开挖时围护墙内外承压水位降深减小，同时在止水墙间设置一定数量的降水井，梯次分配止水墙两侧水头差，实现增加渗流路径，减小基坑围护结构所受水压差，降低坑底突涌风险，进而减少施工风险的目的，保护基坑周围既有构筑物的安全。

附图说明

图1为本发明的位置结构示意图。

附图标记列表：

其中，1、降水井；2、一级止水帷幕(兼围护墙)；3、二级止水帷幕；4、既有重要构筑物；5、相对隔水层；6、承压含水层；7、一二级止水墙间距；l_d、一级止水帷幕坑底以下埋置深度；D₁、基坑开挖面距承压水顶板距离；Δh₁、坑内与一级止水墙后承压水头差；Δh₂、二级止水墙两侧承压水头差；V、渗流方向。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例：

某深基坑工程，长60m，宽50m，基坑深40m，周边环境复杂，临近长江，地下水位较高，同时一侧近距离分布有商用高层建筑(28层)，变形控制要求高。围护结构设计采用1000mm厚连续墙兼做悬挂式止水帷幕，明挖法施工，由于连续墙未能有效隔断承压含水层，在地连墙外侧10m处设置一道600mm厚的塑性止水墙。

本实施例提供一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，所述方法步骤如下：

第一步，获取土层分层信息，土体渗透性，承压水头。上部10m为淤泥质粘土层，15-54m为粉细砂层，本区最高承压水头埋深为地下4.5m。

第二步，确定基坑抗突涌安全性系数K_t，基坑开挖深度40m，水位需降到基底以下1.5m，水位降深Δh为37m。基坑一侧近距离分布有商用高层建筑(28层)，基坑等级为1级。根据建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)，基坑抗突涌稳定系数可取为1.6。

第三步，确定Δh₁。由步骤一知，承压水顶板位置为地下15m，基底为地下40m，结合图1知D₁＝40-15＝25m；由稳定性要求初步确定连续墙在坑底以下的插入深度l_d为16m；根据地勘资料，浮重度γ'取9.0KN/m³；由式可得取Δh₁为29m。

第四步，确定第二道止水墙与坑外水头差Δh₂。由步骤1和2知承压水头高度为37m，第一道止水墙内外水头差Δh₁为29m，故第二道止水墙与坑外水头差Δh₂＝H-Δh₁＝7.2m。

第五步，根据前述水位降深和止水墙设置，计算最后一级止水墙后最大地表沉降。本例采用数值计算软件计算得坑外地表最大沉降为25mm，满足变形控制要求。

第六步，根据地下水水头下降设计要求合理布置坑内和止水帷幕间的降水井。

可见本发明通过采用梯级设置隔水墙的方式，逐步降低水头，使得基坑分层开挖时围护墙内外承压水位降深减小，减少施工风险，保护基坑周围既有构筑物。

本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一，探明基坑开挖区工程地质水文地质条件，在常规抽水及室内渗透试验的基础上，采用孔压静力触探对地下水文地质结构进行勘察，分析静力触探贯入时孔压增长变化规律，结合孔压消散试验，确定各层土渗透系数，划分隔水层，半隔水层及含水层，确定承压水头；

步骤二，根据基坑开挖深度、开挖过程与地层结构关系结合承压水头高度及其埋藏深度，考虑与既有构筑物的距离，确定基坑抗突涌安全性系数；

步骤三，根据基坑抗突涌安全性要求，确定坑内外水头差允许值，设计第一道止水墙，插入深度由稳定性要求确定，同时第一道止水墙兼作基坑围护挡墙，设计时考虑挡墙强度要求；

步骤四，由地层承压水头和坑内外水头差允许值要求，分配第二道止水墙内外水头差，设计第二道止水墙。第二道止水墙设计主要考虑防渗要求，插入深度由渗流确定，材料选用素混凝土掺入高分子材料；

步骤五，预计步骤四承压水位降深情况下，二级止水帷幕后地表沉降大小，若沉降超过允许值，按步骤三～四，重新分配水头降深，设置第三道止水帷幕；

步骤六，根据地下水水头下降设计要求合理布置坑内和止水帷幕间的降水井。

2.如权利要求1所述的一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤一所述孔压静力触探是指一种原位测试技术，试验时，采用液压将探头压入土中，速度保持在(2±0.5)cm/s，贯入过程实时采集锥尖阻力q_t，侧壁阻力f_s，孔隙水压力u，并可在指定深度停止，开展孔压消散试验。

3.如权利要求2所述的一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤一所述的利用孔压消散试验确定渗透系数

其中：k_h为水平渗透系数，C_h为固结系数，γ_w为水的重度，D'为一维压缩侧限模量；

固结系数式中：为修正时间系数，当孔压消散位于锥尖正后方取0.245，a为探头半径，I_R为刚度指数，t₅₀为空压消散50％所需的时间；一维压缩侧限模量D'＝8.25(q_t-σ_v0)，式中：q_t为锥尖阻力，σ_v0为土层自重应力。

4.如权利要求1所述的一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：第一道止水帷幕采用地下连续墙或咬合桩建造，第二或第三道止水帷幕采用素混凝土墙、三轴搅拌桩墙或高压旋喷桩墙建造。

5.如权利要求1所述的一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤二基坑抗突涌安全性系数Kt根据基坑安全等级确定，等级高者取大值，取值在1.4-1.6之间。

6.如权利要求1所述一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤三根据公式确定Δh₁；

式中：l_d为止水帷幕在坑底以下的插入深度，D₁承压含水层顶面至基坑底面的土层厚度，γ'为土的浮重度，Δh₁为止水帷幕两侧水头差，γ_w为水的重度。

7.如权利要求1所述一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤四所述的第二道止水帷幕插入深度应不少于承压含水层厚度50％，以产生阻隔效应。

8.如权利要求1所述一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤四所述的第二道止水帷幕内外水头差Δh₂分配，按坑外地层初始承压水头H减去第一道止水墙内外水头Δh₁确定。

9.如权利要求1所述一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤五中所述止水帷幕后地表沉降计算方法如下：

式中：Δb为地层压缩量，m_v为土的体积压缩系数，s为各土层内水位降深，γ_w为地下水重度，为沉降修正系数，取值与土性和降水持续时间相关。

10.如权利要求1所述一种高承压水地层深大基坑多梯次减压降水控制方法，其特征在于：步骤五所述地表沉降允许值，一级、二级、三级基坑分别按0.1％H、0.2％H和0.5％H确定。