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        真空井點降水技術對昆明云紡深大基坑施工地下水控制
        作者: 發布于:2014/7/28 21:07:05 點擊量:

         摘要:深大基坑的滲透變形給基礎施工帶來極高的風險,云紡國際商廈的深大基坑屬于非完整井條件下富水軟土基坑,對于該類基坑滲透變形控制是施工中的難點。通過采用真空井點降水止水技術,有效地控制了滲透變形,避免了基坑施工風險,取得了良好地施工效果。

        關鍵詞:非完整井 富水深大軟土基坑 滲透變形 真空井點降水止水技術
         
        Measures for Controlling Seepage Deformation in Large Deep Foundation Pits of Yunfang International Commercial Building
         
         
        Abstract
        Seepage deformation in large-scale deep foundation pits poses great danger to foundation construction. The large deep foundation pits of Yunfang International Commercial Building are water-rich soft soil type in incomplete well. It has remained an intractable issue to control seepage deformation during foundation construction. By treating such foundation pits with vacuum well point dewatering technology we have successfully prevented seepage deformation and pit construction danger, and have achieved satisfactory construction effect.
         
        Keywords: Incomplete well; Water-rich soft soil large deep foundation pit; Seepage deformation; Vacuum well point dewatering technology.


         

        1.工程概況
         
        云紡國際商廈位于昆明市環城南路,云紡商業區內,總建筑面積22萬平米,是目前云南省最大的單體建筑。該建筑物主樓高21層,分A、B、C三區,成“U”形分布于場地的南、西、北,裙樓高10~12層,三個區中間設置透空內院,整個平面成“回”字型。主樓及裙樓建筑物均為框架剪力墻結構,裙樓的1~6層為商業用房,7層以上為商品展示區及商務辦公區;主樓主要用作寫字辦公樓。
         
        1.1基礎工程概況
        云紡國際商廈設地下室兩層,層高均為4米,地下室建筑面積3.6萬平米,基坑面積2萬平米,基坑開挖周邊長530米,其中基坑東邊、西邊邊長分別為167米,北邊86米,南邊110米。基坑開挖深度10米,開挖最深的5個電梯井,深度均為14.8米。基坑支護結構采用錨拉排樁+止水圍幕復合支擋結構體系(見圖1和圖2),其中用于支護的排樁采用螺旋鉆孔灌注樁樁型;錨索體系采用4索鋼絞線斜拉;止水圍幕采用深層攪拌樁工藝;工程基礎樁樁型全部采用螺旋鉆孔灌注后置鋼筋籠樁型。
         
        1.2工程地質水文地質概況
        1.2.1軟土性質工程地質條件
        基坑側壁出露土層共6層,基底土層為④層和⑤層粉質粘土,基坑西部電梯井底部土層為⑥層粉土,東部電梯井底部已接近⑦礫砂層層頂的位置。(見表1)
        云紡深大基坑土層垂直分布及土層物理學性質      1
        時代
        成因
        土層
        編號
        土層名稱
        屋頂埋深
        (m)
        揭露厚度
        (m)
        平均
        厚度
        (m)
        重度
        r(kn/m3)
        含水量(w)
        孔隙比(e)
        粘聚力Ck(Pa)
        內摩擦角Φ(°)
        滲透系數K(m/d)
        Qml
        雜填土
        0.00-0.00
        1.90-4.50
        2.00
        18.5
        /
        /
        /
        /
        /
        Qal+pl
        粘土
        1.90-4.50
        0.30-1.50
        1.00
        19.2
        31.4
        0.866
        20.90
        3.40
        0.01-1.0
        粘土
        2.40-5.00
        2.00-4.90
        2.80
        19.6
        53.0
        1.00
        20.30
        5.50
        0.01-1.0
        粉質粘土
        6.10-9.00
        0.90-4.700
        2.30
        19.1
        52.0
        1.00
        9.8
        2.6
        0.01-1.0
        粉質粘土
        7.70-12.20
        0.80-5.30
        3.00
        24.5
        53.0
        1.13
        12.5
        2.5
        0.01-1.0
        粉土
        9.60-14.00
        1.10-7.00
        3.50
        20.5
        45.0
        0.90
        3.70
        2.30
        0.01-1.0
        礫砂
        11.2-17.70
        0.50-5.80
        4.00
        22.0
        40-100
         
        影響基坑開挖階段的巖土土層主要是③層的粘性土層,④層和⑤層的粉質粘土土層,粉質粘土土體中夾薄層粉砂,其性質偏軟;當以上土體處于飽和狀態時,呈現軟土的觸變特征,當土體處于非飽和狀態時,呈現干硬砂性土的特點。
        1.2.2富水水文地質特征
        基坑富水特征之一,地下水位高。地下不足1米可見穩定的地下水位;富水特征之二,地下水具有承壓性。地下水主要賦存于粉土層、粉砂層、礫砂及圓礫層中,為孔隙潛水,具有一定的承壓性;富水特征之三,基坑地下水接受近基坑水體補給。基坑與盤龍江的距離約400米,基坑內的地下水通過礫砂、圓礫強透水土層與盤龍江水體有動水力聯系;富水特征之四,場地本身形成北高南低的水頭壓力差,該動水壓力加強了基礎施工階段滲透變形的復雜程度;富水特征之五,側向滲流與基坑上行滲流同樣突出,并且同時共同影響基坑滲透變形;富水特征之六,非完整井條件下的地下水補給,呈現出無限量補給狀態。

        圖1 降水支護平面布置圖

         
        2.基坑變形要素與滲流關系
         
        2.1坑口變形與滲流
        基坑的開挖順序首先從西邊和南邊開始,當基坑開挖至負6米時,基坑西邊邊坡頂后9米的位置出現與基坑邊緣完全平行的裂縫,該裂縫偏基坑一側出現下沉狀態,現場邊坡位移和沉降監測資料顯示,邊坡的正向累積位移量最大的地方達7mm,累積沉降量最大的地方達11mm,累積沉降量大于位移量,該種坑口變形呈典型的軟土變形特征,即坡后下沉式變形。通過對負6米位置的土質進行分析,發現負6米層面的粉質粘土④層和⑤層都處于過飽和狀態,飽和粉質粘土土體呈現出明顯的觸變軟土特點,而此時,全場的地下滲流未得到有效的控制。粉質粘土④層和⑤層的含水量過高,從微觀上看,土體中的粉性片狀顆粒物處于懸浮狀態;砂性顆粒則呈下沉的狀態;土體整體內部呈現剪切變形,致使宏觀的坑口變形不斷加大。
        2.2側壁變形與滲流
        基坑負6米以上的南邊,西邊邊坡出現支護排樁樁間土的滲水并伴隨流土現象;樁間土大塊體的塌出現象;錨索口的噴冒水現象,特別是錨索孔無論在成孔階段還是錨索已完工的狀況下,都存在同一排內10%左右錨索孔大量的噴冒水的問題。當施工下排錨索時,上排噴冒水的錨索孔則少冒或停止出水,出水口隨錨索施工下移。說明錨索施工,將強透水土層⑦礫砂土層的地下水引入基坑。現場從錨索孔引流至基坑的地下水匯入集水井最多的時候可達5000m3/d。因此,基坑側壁的“水土流失”受到上層滯水(地表滲水)和錨索引流側向滲流地下水的“雙重”影響。
        2.3基底滲流狀態
        負6米的位置的基底直接呈現多處的滲透變形現象,一是坡底線附近的“沸砂”現象,個別支護排樁對深層地下水有上行引流作用,上行地下水作用于粉土④的層面,呈“沸砂”現象,嚴重者如同管涌。二是負6米土體普遍樹枝狀滲流,這是由于錨索引流,側壁滲水,地下水上行合流所致。
        因樁基提前工作的需要,當時基坑中部約3000平米已開挖至-8.0m。在-8.0m基底上,直接表現為5處以上孔口狀地下水的上行噴涌,噴冒量匯集至集水井最多時達5000m3/d。
        基底局部出現“沸砂”、“管涌”等滲透變形現象,無疑會造成基底失穩的巨大風險,現場做了及時回填反壓處理,等待能夠控制滲透變形措施的實施。
         
        3.控制滲透變形措施
           
        通過對全場滲流分析,發現造成滲透變形危害的兩個滲流源,一是上層滯水造成的基坑上部的“水土流失”;二是⑦層礫砂強透水層的動水壓力對基坑的變形影響,錨索管引入基坑的地下水也是源自⑦層礫砂層位;上行性地下水都源于⑦層礫砂層位,在基坑的西部和北部該層位通過下臥的薄層粉砂與強透水層⑨層圓礫形成上下水動力聯系,形成非完整井條件下無限量地下水補給的狀態;“沸砂”和“管涌”都是⑦層礫砂層位的上行水頭壓沖破④層或⑤層粉質粘土所造成的結果,于是,施工采用了對滲流源進行分別控制的技術措施。
        3.1減壓井
        基坑側壁負4米以上,排樁之間的樁間土出現漏水,甚至引起樁間土的大塊剝離與流土,考慮到這些現象都是由于回填土中的上層滯水導致的結果,采用減壓井對該部分水源進行截流,即使用人工挖孔的方式形成大井,深度4~5米,口徑1米,事實證明,現場共設置5口減壓井,工程效果很好,非常湊效。
        3.2真空井點降水系統
            基坑負4米以下受到了⑦層礫砂層位上行地下水的影響,④層或⑤層粉質粘土在滲流形態上看似屬于不透水土層,但其土體確實呈現飽和狀態,這緣于粉性土層的土體的毛細張力吸引地下水上行的結果;⑦層礫砂層水頭壓可直接到達負6米的地方,以“沸砂”和“管涌”滲流形態出現;另外,錨索孔口引流的地下水或支護排樁垂直引流可產生次生性“沸砂”現象。因此,對⑦層礫砂層位動力水頭壓的控制,可起到對全場滲透變形的控制,采用真空井點降水施工方案,目的就是對⑦層礫砂水頭壓進行全面控制。
        3.2.1真空井點降水施工方案
        真空井點降水方案采用環形布點形式,即沿基坑坡底線按間距2米,深度11米進行封閉布點埋設,井點孔徑都是130mm。埋設的初始位置在基坑負6米的位置,共布265個井點,使用7套降水系統,平均每套系統帶動37或38個井點,每套系統控制的基坑延米約75米,單套系統的最大排水量1200 m3/d,7套系統對基坑內⑦層礫砂層位的地下水的直排量可達7000m3/d。
        當土方由負6米開挖至負10米時的基底時,10米以上暴露出的井點管被裁截,此時,真空井點降水系統需要二次安裝。在基底進行二次安裝后的井點管長度為7.4米。
        因建設場地狹窄,場地未預留真空井點的位置,現場所有井點都在地下室外墻的位置下,為保障井點在地下室制作施工階段的運行,采用鋼絲內撐的橡膠軟管埋入橫向溝槽內接出(見圖2),從而有力保障了地下室制作階段施工對降水的需要。                                                                                 
         

        圖2 降水井點埋設和支護剖面圖

         
         3.2.2消除水頭壓技術原理
        將真空井點濾水管頭埋入⑦層礫砂層中,使用7套真空井點降水系統,降低礫砂層的地下水位,使其水位保持在⑦層礫砂土層層頂位置,消除該層位上行水頭壓對基底的頂托力,從而使基底穩定下來,徹底消除“沸砂”、“管涌”等滲透變形的發生。垂直上行的水頭壓力被控制后,基坑邊坡的④層和⑤層粉質粘土中的毛細水則自然下降,④層和⑤層成為非飽和的粉質粘土土層,該類土層土力學性質穩定。
        真空井點降低基坑內地下水位的同時,對基坑外而言,會形成“小降水漏斗”,該“降水漏斗”可有效阻擋側向滲流進入基坑,并使基坑邊坡坡角后的土體處于非飽和狀態,從而增強了邊坡的穩定性,同時還“消化”了大量通過錨孔引流入坑的地下水。
        3.3排水措施
        3.3.1集水井
        因錨索引流入坑的地下水及基坑中部上行地下水量很大,在基坑坡底線附近規劃3處集水井排水,使現場該部分水源做到及時外排,有利地保障了基礎施工的順利開展。
        3.3.2盲溝
        因基礎樁基工作面的需要,在負8米的基底回填40mm厚的渣土,在該層位中存留大量的上行地下水、錨孔引流水及雨水等,采用盲溝將該部分水外排,排除了工程樁樁間土開挖時該部分滯留水的困擾。
        3.4各排水措施的關連性
        真空井點降水系統在控制滲透變形方面起“龍頭”作用,通過消除側向水頭壓,上行水頭壓從而減少基坑地下水的補給量,使基坑內的集水井和盲溝排水都趨于減少;減壓井對基坑側壁負4米以上邊坡的防滲起很好的作用。減壓井水量隨著施工管理的有效有序,其排水量也趨小。以上各類排水措施協同發揮作用,完全控制富水軟土深大基坑的滲透變形。
        3.5局部控制
        基坑西側一電梯井在開挖時,出現“管涌”形狀的“沸砂”現象,后經真空井點加密處理后,消除了“沸砂”現象。經實地觀測,發現兩處以“管流”形式出水口,出水量達2000m3/d以上。這是錨孔引水所致,根據基坑下挖出水口下移的特點,最終將該兩處出水口移至電梯井井底的位置,然后采用強力直排與真空井點相結合的辦法,將電梯井施工完畢,該處的“沸砂”是側向錨管涌水次生產生。
         
        4.施工效果及土力學效應
         
        4.1對支擋結構的穩定作用
            真空井點降水系統運行1周左右,全場支擋結構應力數據穩定,位移和沉降變化值變量小于3mm,說明真空井點降水系統對支擋結構的穩定作用顯現。
        4.2對基底的穩定作用
        真空井點降水系統控制的區域運行1周后,土體樹枝狀滲流被消除,杜絕了“沸砂”“管涌”現象的發生,全程降水過程對基底的穩定起到控制性作用。
        4.3對基坑周邊的安全效果
        在全場實施控制滲透變形措施的200多天中,周邊的房屋、道路、地下管線、管溝及地下構筑物安全穩定。
        4.4土力學效應
        經過真空井點降水后,④層和⑤層的粉質粘土由飽和成為非飽和土體(見圖3),物理性質穩定,這對基坑的穩定起至關重要的作用。
         

        圖3 非飽和土區域范圍

         
         
        5.結語
         
            控制非完整條件下的富水深大軟土基坑的滲透變形,真空井點降水技術是一項安全、實用、成熟的技術。
        參考文獻:
        1.尚岳麓等編著《地質工程學》 清華大學版社 2006.4
        2.張在明著《地下水與建筑基礎工程》 中國建筑工業出版社 2001.8
        3.中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院《云紡國際商廈巖土工程詳細勘察報告書》 2009.4
         
        濟南魯鵬聯信水處理技術有限公司 2010.06.07.

         

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