深路堑地下水处理方案研究.doc

阿布贾地区深挖方路堑地下水处理方案研究 摘 要 阿布贾城铁深路堑段施工，基床表面渗水严重，影响基床稳定，影响列车运行和加大后期维护。文章对深路堑段的工程地质情况进行了阐述，剖析了渗水原因，对渗水量进行了水力计算，提出了路堑式路堤及盲沟排水等方案进行探讨，并进行了技术经济评价。通过对现场实验和应用检测表明，实施效果良好。本文关于路堑渗水处理方案研究对类似工程有一定的借鉴意义。关键词 深路堑 渗水 水力计算 盲沟 无砂管 造价1前言阿布贾城铁lot3线K2+800K4+950段路基设计采用路堑方案，路堑一般段挖深为8米到9米，最大挖深达到13米左右。施工过程中，下挖到基床表层附近时出现地下水渗出情况，造成基床土受浸泡而变松软，无法进行下步施工，现场采取了在线路一侧挖设排水沟疏导地下渗水的临时措施，使地下渗水得到疏排。根据设计要求，基床表层需要换填50cm的A、B料加固基床表层，但由于地下水渗漏严重，需要解决地下水的渗漏涌出问题，现场停止了施工并对旱季和雨季的地下水位情况进行观察。现场选取了国家公园站（K3+440）坡度平缓处进行观察，经过观察，渗出地下水位标高基本处于基床表层，旱季和雨季最大水位上下变动0.5m左右，雨季水位较高。2深路堑设计缘由及地下水渗出原因分析2.1路基设计缘由根据首都地区部对阿布贾城市的规划，阿布贾城铁和尼铁现代化进入市区段位于同一个走廊内，而且规划了配套公路。走廊规划宽度120m，两侧已完成小区建设。由于尼铁现代化铁路已于2008年完成设计并获得交通部批准。因此城铁设计必须依据完成的现代化铁路设计进行线路设计。尼铁现代化起点站为阿布贾市中心站，规划设计为8个站台，规模较大。距离中心站4km设计为尼铁现代化铁路起点段车辆段，连接线路共有四条，道岔密集。尼铁现代化铁路按照160km/h最大运行速度进行设计，限坡为9。阿布贾城铁按照双线设计，最大运行速度为100km/h进行设计，限坡为30。因此，阿布贾城铁在选线上相对灵活，受地形限制较小。尼铁现代化铁路在K2+800K4+950段采取了深路堑方案，城铁线路为最大限度的减少工程量降低工程造价，充分考虑尼铁规划进行路基设计。典型路基断面图如图1所示，图中虚线断面为尼铁线路设计方案。图1 路基横断面图2.2地质勘查情况通过对现场地质勘探报告解析，现场地质情况和水文情况如下。1）地质情况路堑段内上覆第四系全新统坡残积层（Q4dl+el）粉质黏土；下伏前寒武系（Pt）之（Pcb）混合岩。地层岩性粉质黏土（Q4dl+el）：棕黄、棕红色，坚硬-硬塑，含较多碎石、角砾，局部分布铁钙质胶结层，广泛分布于测区坡面，厚26m，属级普通土，C组填料。混合岩（Pcb）：灰、紫红、灰白夹灰黑、灰褐色等杂色，粗粒结构，块状构造，节理不甚发育，据钻探揭示，风化层厚度变化较大，全风化带（W4）厚030m，属级硬土，C组填料；强风化带（W3）厚05m，属级软石，B组填料；弱风化带（W2）属级次坚石，A组填料。岩土物理力学指标值如下表1所示。表1 岩土物理力学指标值 层次岩 土类 型时 代成 因状态或风化程度天然密度 (g/cm3)凝聚力c(kPa)内摩擦角 ()基底摩擦系数f边坡率基本承载力0(kPa)钻孔灌注桩极限摩阻力 fi临时 m永久 m粉质黏土Q4dl+el硬塑1.925250.31:11:1.518060混合岩PcbW42.120250.351:0.751:1.2520060W32.4/450.51:0.31:1500120W22.7/650.61:0.31:0.5800/2）现场水文情况区内无明显沟渠，地表水不发育，坡面仅雨季时汇流面流水。根据地形地貌及地下水的赋存条件，地下水可分为孔隙潜水、基岩裂隙水等。第四系孔隙潜水：主要埋藏于地表土层中，由于土层砂性较重，其孔隙大，渗流较快，主要由大气降水补给。基岩裂隙水：主要赋存于基岩全风化-强风化带中，一般埋深57m，最大可达10m左右。其水位面随地形的起伏变化而变化，主要由孔隙潜水补给。经对区内附近地段取钻孔水作地下水水质分析，其水质类型为HCO3- Na+型，根据TB10210-2001判定: 该水对砼无侵蚀。管段内水文地质状况见图2水文地质纵剖面图。图2 水文地质纵剖面图2.3渗水原因分析从地质纵断图可以看出，K3+300-K4+800地层分布呈盆状，形成一个较大的的地下水汇集区域，由于路基采用深挖方形式通过，并且地下水埋深较浅，只有5-7米，地下孔隙潜水丰富，因此开挖形成一条深沟，地下水向此处汇集，从而出现开挖面积水情况。由于尼铁现代化铁路设计早于城铁设计，但由于尼方投资额巨大，政府无力全面开工建设。阿布贾城铁市中心段先于尼铁开工，因此出现了地下水汇集于城铁路堑的情况，造成基床表面大量渗水，影响施工和线路运营。3渗水量统计分析3.1地下渗水量计算地下水渗入基坑的涌水量与土的种类、渗透系数、水头大小、坑底面积等有关。一般采用公式如下：式中 Q：基坑总涌水量（m3/d）K：土的渗透系数(m/d)按下表2选用 S：抽水时坑内水位下降值（m）H：抽水前坑底以上水位的高度（m）R：抽水影响半径（m），按下表3选用r0引用半径(m)，对矩形基坑 r0=(a+b)/4；对不规则形基坑，a/b2/3时， r0= U/a、 b为基坑边长(m)U为基坑周长(m)A为基坑面积(m2) 为系数，按下表4选用m0 从基坑底到下卧不透水层的距离(m)表2 土的渗透系数K值 土的名称渗透系数K土的名称渗透系数Km/dcm/sm/dcm/s粘土0.00560710-2表3 抽水影响半径R值土的种类极细砂细砂中砂粗砂极粗砂小砾石中砾石大砾石粒径(mm)0.05-0.10.01-0.250.25-0.50.1-1.01.0-2.02.0-3.03.0-5.05.0-10.0所占质量(%)50505050R(m)25-5050-100100-200200-400400-500500-600600-15001500-3000表4 系数值 b/a00.20.40.60.8111.121.141.161.181.18 相关参数取值：现场路基开挖后形成一长条状基坑，为计算方便，可以取100m长度路基进行计算。根据现场取3m深土样筛分试验：获得细粒土含量（0.075mm颗粒）分别为70.8%、55.8%、34.4%，综合平均为53.67%。根据表3抽水半径R值可取极细砂栏，为25-50m，为保证现场排水水量安全可靠，可取大值R=50m现场基坑宽度为路基基床表面开挖宽度b=16.3m长度方向取100m作为计算：a=100m因此b/a=0.163，故修正系数按照表4内插计算=1.11由于路基挖方基本以粉质粘土为主，故K值按照表2取K=0.1m/dr0=(a+b)/4=1.11（100+16.3）/4=32.27根据路基基床要求，基床表层为50cm，基床底层为150cm，因此基坑需排水至基床下2m才能保证路基本体稳定，故S取2m。H为地下水位高，雨季埋深5m，旱季埋深7m左右，取雨季大值，则H=8mm0根据地址剖面图，取平均值为m0=12将上述参数带入公式则可计算出每100米路基每天的渗水量为：Q=30.28m3/d3.2排水管道直径分析计算根据线路设计坡度可看出，K3+940-K4+240车站段坡度平缓，只有0.3，是水力流速的控制部位。该段长度300m，上游来水段长度641.57m，该段总的排水量为：Q总=（641.57+300）30.28/100=285.11 m3/d考虑路基双侧设置排水管沟，则单侧排水量为142.56 m3/d.。为了计算管道直径，我们先按照250mm的一般混凝土管道计算流量能否满足要求。首先按照下式计算水的流速：式中：V流速m/sR水力半径m（过水断面积A与湿周x的比值：R=A/x，圆管R=0.25d）I水力坡度，管道坡度m/mnb管道粗糙系数或称流速系数，可按照表5获取，本式取0.013表5 管道粗糙系数（流速系数） 管渠材料nb管渠材料nb铸铁管、陶土管0.013砖砌砖渠道0.015混凝土管、钢筋混凝土管0.013-0.014浆砌块石渠道0.017水泥砂浆抹面渠道0.013-0.014干砌块石渠道0.020-0.025石棉水泥管、钢管0.012土明渠（带或不带草皮）0.025-0.030带入水力坡度I=0.0003，计算如下：V=1/0.013*(0.250.25)2/3*0.00031/2=0.21m/s计算流量Q，Q=AV，按照水力手册计算规定，对于0.2-0.3m管道填充度取0.5则每日流量Q=0.5/40.2520.21606024=445 m3/d.，大于142.56 m3/d.。通过计算表明，采用250mm直径管道过于保守，因此可以按照200mm的一般混凝土管道计算。通过计算流速为V=0.18m/s，计算每日流量为Q=244 m3/d.，也大于142.56 m3/d.，能够满足现场要求，储备保险系数为1.7，因此设计排水管道可以按照管道直径200mm进行排水设计。4地下水排出方案探讨根据列车动力对路基作用实验表明，最大行车速度100km/h时，基床表层0.5m范围承受动荷载力最大，然后向下逐步递减，到达2.0m左右时，动荷载基本消失。这也是阿布贾城铁路基基床表层设计0.5m、基床底层设计1.5m厚的原因。结合基床的设计情况，为保证线路的稳定，需要将地下水位降至基床表层2m以下方可。为此，我们提出两种方案分述如下。4.1路堑式路堤方案该方案设计思路为将路基下挖至设计基床以下2m，然后施做水沟排出地下水，水沟外侧设置10cm的反滤层，然后每隔0.5m埋设泄水管，排出地下水。地下水从明沟疏排至附近河道。具体做法如下图3.（图中虚线断面为原设计断面）。 图3 路堑式路堤方案图该方案新增工程量和工程直接费如下表6所示。表6 路堑式路堤新增工程量和工程费用统计表 序号项目单位数量造价（美元）1挖土m32566341,368,715 2种草m22802756,054 3混凝土骨架护坡m32432291,840 4换填片石m36762247,940 5反滤层碎石m398639,440 6泄水管m515217,173 7流水槽m323755,300 8混凝土路肩挡块m3451105,233 9合 计2,181,695 4.2盲沟排水方案该方案设计思路为在水沟下增设一条盲沟，用以排除基床表层的地表潜水保证路基的稳定性。通过前面的地下水涌出量计算可采用内直径200mm的盲管，管材可选用无砂管、PVC管、塑料排水盲管等。经过当地考察，现场主要有PVC管、无砂管，因此按照就地取材原则进行方案设计。1）PVC管盲沟方案具体方案图如下图4和下图5。透水孔环向每隔10cm设置，纵向每隔30cm设置，孔径2-3cm。该方案新增工程量和工程直接费如下表7所示。图4 盲沟基床方案设计图（一）图5 盲沟基床方案设计图（二） 表7 盲沟基床新增工程量和工程费用统计表 序号项目单位数量造价（美元）1挖土m343470231,840 2换填片石m36601242,037 3中粗砂m3230299,753 4复合土工膜m223023184,184 5碎石m33606144,240 6土工布m220192,692 7排水盲管m3233150,873 8出口混凝土m311.62,707 9合 计1,058,326 2）无砂管盲沟方案无砂管具有取材方便，可以现场预制的特点，目前国内在盲沟、渗水井等方面有广泛应用，并且有专门的制作厂家，生产已经工厂化。由于尼日利亚市场建筑工艺落后，没有成熟的生产设备和制品，需要现场预制。圆管预制需要制作内模和外模，现场需要制作内径200mm的无砂管，小孔径管内模拆模非常不方便，难以保证现场大规模施工需要，结合现场实际情况，本文提出简易无砂管盲沟方案，具体做法如下图6所示。C15图6 梯形盲沟做法图该方案具有现场制作模板较为简便、并且施工拆模也方便的特点。考虑现场安装方便，底板采用混凝土预制，并且预留2cm深的预制件对位槽，保证现场的安装精度。施工时管沟外侧同样需要包裹一层土工布防止泥土渗入堵塞。该方案每米造价和PVC管相比，通过技术经济比较每米节约11.5美元，总造价可节省1.85万美元。4.3盲沟及塑料排水板方案考虑换填片石后由于施工和地下水携带泥沙淤积片石空隙，造成地下水位上升，采用复合土工膜对于高地下水位隔水效果相对差一些，因此将复合土工膜砂垫层改为双层塑料排水板，一方面阻止底层水向上渗漏，一方面排出基床底层地下水。目前国内材料采购价为2.5美元，运至现场施工综合价为7美元，该方案由于取消了底层土工膜，改设了双层塑料排水板，相比PVC盲沟排水方案增加造价约为2万美元。4.4方案分析比较1）工程造价分析通过三种方案的造价对比，路堑式路堤方案造价明显高于盲沟排水方案，总造价增加一倍多。因此从降低造价考虑，盲沟排水方案明显优于路堑式路堤方案。2）施工难度评价路堑式路堤方案由于路基已开挖至基床表层，重新开挖边坡有一定难度。施工难度较大处在于路基边沟施工，由于地下水丰富，现场底板施做需要采取隔水措施，施工难度大。盲沟排水方案开挖难度较大，尤其坡脚设计采用直立式，施工期间由于地下水的作用，坡脚需要放坡，造成开挖方量和碎石填料增加，并且要及时施做，防止坡脚坍塌。换填过后基底形成片石渗水通道，利于盲管施工和回填土施工。盲沟及塑料排水板方案难度同盲沟排水方案。3）维护和耐久性评价路堑式路堤方案泄水孔易堵塞，但维护方便，如果如果泄水孔堵塞可以随时疏导，且反滤层更换方便。排水沟耐久性较好。盲沟排水方案泄水管由于增设了土工布和碎石反滤层，不易堵塞，但出现堵塞情况维修困难，需要破坏侧向排水沟。由于管道和土工布埋在地下，PVC管耐腐蚀，因此该方案耐久性亦较好。5实施效果评价1）现场最终方案的确定为了降低造价，项目实施决定采用盲沟排水方案。阿布贾城铁项目2011年初制定了完成一环路至二环路段铺轨的总体施工计划，3月份完成方案设计。由于大挖方段距离较长，并且施工难度大，雨季施工难度还会成倍增加，造成车辆无法进入，并且路基压实度无法保证。因此项目安排旱季完成该段盲沟施工。考虑排水板国内采购周期较长，一般半年左右，无法保证现场使用要求，因此现场采用了盲沟排水方案。由于无砂管制作需要模具加工、预制等，没有PVC管使用方便，现场采用了PVC管作为排水管，但同时也对无砂混凝土配置进行了实验研究。2）线路纵坡优化在方案设计过程中，受尼铁现代化不进市中心总体规划影响，现场重新对盲沟方案进行优化，由于该段最大坡度为22，而城铁最大设计限坡为30，因此可以抬高轨面，减少进一步下挖换填。方案调整K5+200至K4+600设计坡度为25，使线路抬高1.8m，减少换填挖方2.6万方，既减少了工程造价，又降低了施工难度，也降低了地下水位对线路稳定的影响。3）换填段调整现场施工中考虑排水顺畅，只能按照由下游向上游的工序进行盲沟施做，施做过程中，由于K4+900至K5+100段现场开挖较深，且地下水汇集严重，因此现场基床底层全部采用换填小粒