富水砂层基坑悬挂式止水帷幕技术研究PPT

1、第 1 页一、课题完成情况中 交 第 一 航 务 工 程 局 有 限 公 司 哈尔滨市轨道交通3号线二期工程TJ-15标项目经理部 冰城展风采 黑土育品牌Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 2 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望一、课题完成情况第 3 页一、课题完成情况 科研项目已完成如下工作：1、专项水文地质抽水试已经完成2、车站试点工程主体结构已经施工完成，基坑降水设计、施工、运行及全过程跟踪监测等工作已经完成。基坑降水过程，地下水位可控，周边环境变形相对较小。3、河漫滩区富水砂层基坑悬挂式止水帷幕技术研究研

2、究报告完成；4、完成论文1篇，正在进行修改河漫滩富水砂层悬挂式止水帷幕基坑降水设计分析5、拟申请工法1项 悬挂止水帷幕基坑降水施工工法（修订中） 完成课题工作任务。Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 4 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望二、课题研究背景二、课题研究背景第 5 页 轨道交通建设规模大，范围广，国内地铁建设速度飞快。地铁工程基坑工程数量巨大，深度较深，地下水控制是基坑工程设计及施工成败的关键。 目前哈尔滨地区止水帷幕多为落底式，经济效益较差。 悬挂式止水帷幕具有造价低、工期短、地下环境破坏小等优势，

3、在其他城市已有一定的应用，但在哈尔滨市松花江河漫滩地区地下水位高、砂层厚、水力补给量大等独特的水文地质条件下尚无先例。止水帷幕示意基坑工程施工降水井围护结构（止水帷幕）承压含水层隔水层弱透水层潜水含水层1. 研究必要性二、课题研究背景第 6 页2.课题依托 本研究以哈尔滨地铁3号线二期工程体育公园站作为研究工点。 本站为地下二层岛式车站，总长482m，标准段宽19.7m，深度约17.520.45m，基坑底大部分位于中粗砂（2-4）层，局部位于粉质粘土（2-4-1）层。车站主体结构基坑采用800mm厚地下连续墙作为围护结构。 场地位于松花江河漫滩地区，地势低，以稍密的细砂和中密的中砂为主，工程范

4、围下部存在较薄且不连续的粘土层，无法形成有效隔水层，且地下水与松花江水力联系紧密。松花江漫滩地松花江漫滩地貌貌松花江阶地松花江阶地地貌地貌岗阜状平原地貌岗阜状平原地貌二、课题研究背景第 7 页2.课题依托西北角省公务员小区，高层框架结，外墙距离本站主体基坑约47m；市政府科技办公室技术综合楼， 2627层框架结构，其办公楼与本站主体基坑相距约81m西钢大厦，框架结构，裙楼4层，主楼2223层，距离主体基坑约45m；东南侧远大购物中心，框架结构，裙楼4层，主楼25层，距离主体基坑约85m。西南侧陈金国际楼房， 4层混凝土结构，距离主体基坑约32m。封闭区域悬挂区域二、课题研究背景第 8 页孔隙潜

5、水孔隙承压水 本场地工程及水文地质条件具有一定代表性，场区大部分位于厚砂层，2-4-1、7-1粉质黏土层分布不连续。2.课题依托基坑底板48m地连墙38m地连墙二、课题研究背景第 9 页3. 拟解决的问题哈尔滨河漫滩地区工程及水文地质特征： 富水砂层，含水层厚度1020m，单井平均涌水量3500m3/d； 2-4-1、7-1粉质黏土相对隔水层分布不连续，邻近松花江区域缺失严重。 落底式止水帷幕：帷幕嵌入泥岩，止水效果好，但代价大，对施工工艺要求高，在泥岩面较深甚至缺失场地无法实施。 悬挂式止水帷幕：帷幕嵌入坑底一定深度，经济效益显著，但基坑降水难度大，对坑外地下水位、地表沉降影响大，需控制好对

6、周边有重要建构筑物、管线的影响。 重点研究 不同止水帷幕设置深度条件下，坑内降水的可实施性、对坑外影响的可接受性，促进悬挂式止水帷幕在哈尔滨地区的应用与推广。Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 10 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望三、研究内容及技术路线三、研究内容及技术路线第 11 页 本项目以哈尔滨市漫滩区地层结构为例，针对富水砂层大型深基坑地下连续墙围护结构与基坑降水实际工程结合存在的问题开展研究，以体育公园站基坑工程为依托，主要研究内容如下： 1、已有资料分析 系统、全面收集工作区已有的水文地质资料，并

7、进行合理分区:结合原有的地质勘察资料、专项调查结果及工程特点，分析不同区域(站点、区段)内对拟建工程及周边环境产生影响的地下水特点，初步确定悬挂止水帷幕的应用范围。 2、水文地质抽水试验研究 依托试点工程开展专项水文地质勘察试验，探明典型的松花江河漫滩富水砂层地区各含水层的相关水文地质参数、各含水层之间的水力联系，为后续数值计算提供切实可靠的水文地质参数，确保计算结果的准确性。 1.主要研究内容三、研究内容及技术路线第 12 页 3、不同设置深度的地下连续墙结构基坑分区分析研究 根据站址范围地层、水文分布特征（如隔水层、潜水层、承压水层的厚度等）以及抽水试验数据，初步确定不同地层区域的连续墙深

8、度和区域划分，然后结合施工、安全、经济效益及试验数据的准确性等情况，进行分析比较，从而确定最经济合理的分区范围和悬挂式连续墙的深度。 4、悬挂式止水帷幕深度研究 通过抽水试验数据和现场地质水文情况，建立三维渗流模型，对几种不同悬挂深度止水帷幕的地下水控制技术进行数值模拟分析，然后根据抽水过程中采集的各项数据和实际抽水效果，研究不同止水帷幕设置深度条件下对基坑涌水量、内外水位变化、地面沉降的影响，重点开展不同止水帷幕深度的降水效果比选，最终明确试点工程悬挂止水帷幕的深度。 1.主要研究内容三、研究内容及技术路线第 13 页 5、开展悬挂式止水帷幕条件下，基坑降水关键技术研究。 通过现场实测数据和

9、数值计算结果对比分析，验证悬挂止水帷幕条件下，基坑降水对周边地面沉降的贡献值，明确后期类似工程沉降控制要点。在明确悬挂式止水帷幕在富水砂层地区应用的可行性、合理性的前提下。总结悬挂止水帷幕条件下，基坑降水工程施工过程中各环节的控制要点和明确关键因素，总结相关研究成果，进行适用性研究及推广分析。 6、进行技术经济综合对比分析和经济效益对比。 通过施工过程中落地式止水帷幕和悬挂式止水帷幕的实验数据、现场抽水效果、地面沉降等实际实施情况，对不同深度下连续墙和基坑抽水的成本、安全等进行技术综合比较和经济效益研究，从而最终确定在同类地层中采取的最经济合理的悬挂式止水帷幕深度和抽水技术及参数等。1.主要研

10、究内容三、研究内容及技术路线第 14 页2. 研究技术路线 本课题采用文献调研、工程类比、理论分析、数值模拟、现场实测及分析等技术手段进行，研究的主要技术路线如图所示主要技术路线描述及分析： 1、采用文献调研、理论分析、数值模拟手段，形成初步研究成果。对基坑工程降水，对坑外地下水、地层的影响进行理论分析；对不同止水帷幕深度条件下的基坑工程进行模拟，建立止水帷幕深度与周边环境影响之间的相关关系，并形成初步研究结论。 2、依托专项水文地质勘察，对初步研究成果进行修正。通过水文地质专项勘察，一方面对理论分析成果进行初步验证，另一方面通过专项水文地质勘察，反馈、修正相关地层参数及水文地质特性，以获得准

11、确的水文地质参数。 3、以实际工程为依托，开展悬挂式止水帷幕试验。在工程实施期间，采集相关监测数据，经整理后反馈、验证初步研究结论，经分析、验证、优化后，形成最终的成果。Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 15 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望四、课题研究创新点四、课题研究创新点第 16 页 1、首次在哈尔滨地铁基坑工程提出悬挂止水帷幕的概念：在哈尔滨富水砂层地区地铁工程建设首次提出了悬挂止水帷幕的概念，并通过试点工程成功的实施了悬挂止水帷幕，降低了工程造价、节约了工期确保了施工质量，形成了一整套止水帷幕深度设

12、计和降水方案设计的思路和施工方法，对后续类似地质条件开展悬挂止水帷幕基坑设计施工有重要的参考价值。 2、量化悬挂止水帷幕实施比例：从含水层分布特征和悬挂式止水帷幕适用性的角度，针对哈尔滨松花江河漫滩区地铁站点地质资料进行梳理，量化悬挂止水帷幕实施比例。 3、引入地下水控制自动化监测集成技术：采用地下水位、孔隙水压力以及周边土体位移等多项与基坑地下水控制相关的自动化监测集成技术，对哈尔滨松花江漫滩区悬挂式止水帷幕试验工程的施工进行了全过程监控，并结合施工工况，基于现场实测数据对悬挂式基坑渗流规律进行了总结和分析，对类似条件下悬挂式基坑地下水控制方案的制定和优化具有重要的参考价值。四、课题研究创新

13、点第 17 页 4、提出哈尔滨松花江漫滩地区悬挂止水帷幕条件下的地下水控制方法：充分利用基底以下弱透水层和基坑止水帷幕的隔水效果，采用坑内疏干降水型式，尽量减少基坑施工过程周边地下水位的降深；同时，充分利用悬挂式止水帷幕没有隔断下伏承压含水层的特征，采用坑外备用减压降水型式，在保证基坑抗突涌稳定的同时，保留了坑内基底以下相对隔水层的完整性，大大降低了基坑涌水的风险。悬挂式止水帷幕+坑内疏干降水+坑外备用减压降水的地下水控制方案，在哈尔滨松花江漫滩地区是一项重要的创新理论和技术。Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 18

14、 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望五、课题研究实施及成果五、课题研究实施及成果第 19 页 1、根据区域内大量岩土工程勘察资料揭示的地层结构，城市轨道交通工程所涉及的地下水主要赋存与第四系松散岩类孔隙之中，可分为孔隙潜水、孔隙承压水两种孔隙潜水、孔隙承压水两种主要类型。主要类型。 2、哈尔滨松花江漫滩区地下水主要赋存于粉细砂层和中砂层，各含水层之间存在透水能力较弱的粉质粘土层。含水层分布的典型特征是砂层（强富水、强透水层）砂层（强富水、强透水层）遍布，而相对隔水层的平均厚度较小且均一性较差隔水层的平均厚度较小且均一性较差，基岩裂隙发育程度不高，作为不作为不透水底板考虑。透水底板考虑。 结

15、合场地地质条件，考虑地层差异，选取试点工程两处典型地层进行试验。结合场地地质条件，考虑地层差异，选取试点工程两处典型地层进行试验。1、哈尔滨松花江漫滩地层特征描述五、课题研究实施及成果第 20 页2、专项水文研究-抽水试验五、课题研究实施及成果第 21 页2、专项水文研究-抽水试验地层井数井号孔深孔径井径井管滤管备注mmmmmmm2-3、2-4层3K2-34-1K2-34-32665027305525试验一区2G2-34-1G2-34-2266502730155257-2层1K7-2-14565027303333441G7-2-14565027303333442-3层2K2-3-1K2-3-2

16、1865027305517试验二区2G2-3-1G2-3-218650273055172-4层1K2-4-13265027302727321G2-4-13265027302727327-2层1K7-2-14565027303636441G7-2-1456502730363644合计15口试验井试验井工作量列表五、课题研究实施及成果第 22 页试验一区试验井平面布置图试验二区试验井平面布置图2、专项水文研究-抽水试验五、课题研究实施及成果第 23 页2、专项水文研究-抽水试验层位2-3层2-4层7-1层7-2层2-3层2-3-1层2-4层7-1层7-2层沉降标深（m）10253040102430

17、3440孔号试验一区F-1、F-2试验二区F-1、F-2备注孔深42m孔深42m深层土体沉降深层土体沉降（多点位移计）监测点（多点位移计）监测点工作量工作量层位2-3层2-4层7-1层7-2层2-3层2-3-1层孔隙水压力计埋深（m）102530401024孔号试验一区T-1、T-2试验二区T-1、T-2备注孔深42m孔深42m孔隙水压力计孔隙水压力计监测点监测点工作量工作量五、课题研究实施及成果第 24 页2、专项水文研究-抽水试验孔隙水压力、多点位移计监测点剖面示意图五、课题研究实施及成果第 25 页2、专项水文研究-抽水试验试验一区地表沉降监测点平面图试验二区地表沉降监测点示意图 沉降监

18、测点(观测范围6060 m，观测点间距10m）每个是试验区域各布置49个地面沉降监测点。抽水试验试验一区、试验二区单独进行。 本科研项目抽水试验共计用时81天。其中试验一区试验野外施工总工期29天，试验二区试验野外施工总工期38天。五、课题研究实施及成果第 26 页2、专项水文研究-抽水试验五、课题研究实施及成果第 27 页2、专项水文研究-抽水试验本次抽水试验采用自动化监测设备对水位、孔隙水压力、分层沉降实施自动化监测和数据采集，采用人工监测方法对水量和地表沉降进行监测。本次抽水试验采用2台基康BGK-Micro-40 （16通道）自动化数据采集仪进行数据自动采集和存储，采用15个水位探头进

19、行水位数据测量。试验期间数据自动采集频率2min/次，人工采集频率2次/天五、课题研究实施及成果第 28 页 1、确定了各含水层的水力联系，初步证明7-1粉质粘土层具有一定的隔水效果。 2、对比勘察报告，本次抽水试验所得各主要含水层渗透系数较为接近，相对隔水层渗透系数相差较大，各地层的水文地质参数以原位抽水试验结果为准，可作为后续理论分析和数值计算的输入条件。含水层导水系数T (m2/d)水平渗透系数kh (m/d)垂向渗透系数kv (m/d)贮水系数（无量纲）2-339633100.002122-415639100.03392-4-11.20.30.10.00017-10.750.10.05

20、0.0001各含水层水文地质参数2、专项水文研究-抽水试验五、课题研究实施及成果第 29 页数值模拟分析工况统计表工况1234止水帷幕深度0m32m38m48m降水井深度（m）26m26m26m26m降水井数量(口)44444444单井出水量（m/d）24001680480(240)240(120)坑内平均水位降深(m)5102026坑外最大水位降深(m)540.90.1坑外地表沉降(mm)20246.50.63、止水帷幕方案比选五、课题研究实施及成果第 30 页单井出水量随止水帷幕深度增加变化曲线坑内水位降深随止水帷幕增加变化曲线 根据计算结果，当止水帷幕深度在3540m范围时，止水帷幕的加

21、深对基坑降水作用明显，即该范围内止水帷幕的经济效益显著。 当止水帷幕达到一定深度后，再增加其深度对降水的影响有限。 本次模拟计算结果与预期基本一致。0102030405005001000150020002500止水帷幕深度(m)单井出水量(m3/d) 01020304050051015202530坑内平均水位降深(m)止水帷幕深度(m) 0102030405002468坑外最 大水位降深(m)止水帷幕深度(m) 坑外水位降深随止水帷幕增加变化曲线3、止水帷幕方案比选五、课题研究实施及成果第 31 页 左图为各工况下，降水运行 60 天后，坑内外水位等值线图3、止水帷幕方案比选五、课题研究实施及

22、成果第 32 页 结合上述分析发现： 1、随着止水帷幕深度的增加，坑外对坑内的水力补给减小，即使坑内水位降深变大，但对坑外水位的影响越来越小，止水帷幕的加深可有效控制降水对周边环境的影响。当止水帷幕达到 3540m 时，坑外水位降深在 2.0m 以内，可满足一般地段周边环境保护要求。 2、基于以上基坑降水效果和对周边环境的影响两个角度的比选分析，结合工程成本、施工进度和施工质量等因素综合分析，在类似的场地条件下，悬挂式止水帷幕是可行的。各工况模拟计算结果，可以作为确定止水帷幕深度的最优取值区间的依据。 3、哈尔滨市轨道交通 3 号线二期工程体育公园站所在场地的地址条件，具有哈尔滨松花江漫滩富水

23、砂层地区典型的水文地质特征，场地范围内含水层之间相对弱透水层分布较完整，属于前述含水层分布特征分区中的第 I 类，综合上述帷幕深度比选分析，确定最佳止水帷幕深度为：38m。 3、止水帷幕方案比选五、课题研究实施及成果第 33 页3、止水帷幕方案比选 本站共设降水井90口。试验一区（封闭段）： 基坑面积6600m2，计算单井有效控制面积取250m2，考虑20%备用井，基坑内共布置30口疏干井，7口备用减压井；坑外观测井15口。试验二区（悬挂段）： 基坑面积3100m2，计算单井有效控制面积取180m2，考虑30%备用井，基坑内共布置22口降水井；坑外减压井设8口，坑外观测井8口。区 域井类型数量

24、(口)井号孔径(mm)井径(mm)滤管埋深(m)井深(m)备注开挖一区坑内疏干井30S-1S-3065027352526钢管坑内减压备用井1JB-1650273344445钢管4JB-2JB-5 BJ-7650273384445钢管1JB-3650273414445钢管1JB-4650273324445钢管坑外潜水观测井9QG-1QG-915011052526PVC坑外承压水观测井5CG-1CG-3CG-5CG-6650273344445钢管1CG-4650273384445钢管开挖二区坑内疏干井22S-31S-5265027352526钢管坑外减压井4J-1、J-3、J-5、J-765027

25、3364445钢管1J-4650273384445钢管1J-6650273344445钢管2J-2、J-8650273374445钢管坑外潜水观测井8QG-10QG-1715011052526PVC 合计90 五、课题研究实施及成果第 34 页4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析坑孔隙水压力、分层沉降监测点平面布置图 悬挂挂止水帷幕试验段基坑外设置8口浅层观测井，8口减压井兼观测井；设置3组分层沉降监测点和三组孔隙水压力监测点五、课题研究实施及成果第 35 页4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析 水位、孔隙水压力和分层沉降监测全部采用自动化监测，投入2台（24通道）台基康BGK-Micro-40 自动

26、化数据采集仪监测频率1小时/次。自2017年4月9日基坑降水开始至2017年11月31日近8个月时间的连续不间断监测，每天进行数据分析。五、课题研究实施及成果第 36 页实测降水情况与模拟计算结果对比项目项目计算值计算值实测值实测值降水井数量单井出水量总出水量降水井数量单井出水量总出水量悬挂止水帷幕段1710408012102880封闭止水帷幕段26531201451680试验一区（封闭段）： 对比计算与实际运行情况，基坑稳定实际涌水量为计算涌水量55%左右。实际启动降水井数量占计算降水井数量54%左右，按实际启动降水井数量计算单井有效控制面积约471m2。实际启动降水井数量占降水井总数的44

27、%，降水井安全备用率达129%。试验二区（悬挂段）： 对比计算与实际运行情况，基坑稳定实际涌水量为计算涌水量70.5%左右。实际启动降水井数量占计算降水井数量70.5%左右，按实际启动降水井数量计算单井有效控制面积约258m2。实际启动降水井数量占降水井总数量55%，降水井安全备用率达80%左右。4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析五、课题研究实施及成果第 37 页实测坑外水位变化分析 1、降水运行期间，坑外浅层水位相对稳定，只是在初始水位上下小幅度波动； 2、整个过程相对变化量较大的水位观测井为J5J8，累计降深最大值1.82m（J5），实测坑外累计降深最小值1.21m（J4），平均值1.42m

28、。 3、下部承压水下降幅度小于上部潜水下降幅度，明确基坑降水主要来源为下部7-2层的垂直越流补给。施工阶段坑外深层水位历时变化曲线4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析五、课题研究实施及成果第 38 页地表沉降监测模拟结果与实测数据对比分析4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析 结合悬挂段和封闭段地表沉降预测值和实测值对比情况分析，发现叠加基坑开挖和降水二者综合效果的地表沉降预测值与现场实测结果变化趋势一致，数值较为接近。地表沉降实测值与计算值对比曲线五、课题研究实施及成果第 39 页悬挂段与封闭段地表沉降、坑外水位实测数据对比分析 悬挂段各监测断面地表累计最大沉降量平均值约 20.4mm。封闭段各监测断

29、面地表累计最大沉降量平均值约 12.01mm，差值 8.39mm。考虑两个区域基坑开挖所引起的地表沉降一致的情况下，差值可视为基坑降水所导致。 对比结果显示数值模拟计算预测基坑降水运行 90 天，对应沉降预测值 4.03mm，模拟计算运行 180 天对应沉降预测值为 6.5mm，与上述差值较为接近。 4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析五、课题研究实施及成果第 40 页悬挂段与封闭段土体分层沉降实测数据对比分析 在临界距离以外的土体分层沉降值的大小随测点埋置深度改变而变化，从实测数据来看，深度30m位置的测点累计测值最大，40m深度位置的测点沉降幅度最小，且坑外帷幕深度范围内土体的沉降量呈 “下大

30、上小”的形态分布。 在临界距离Lc以外，深度30m位置的沉降量最大，而从围护结构深度发现，基坑止水帷幕深度为38m，分层沉降量最大值出现在帷幕底偏上的位置。帷幕底以下，沉降量随深度递增而减小，且变化率较大；帷幕底以上，沉降量随深度增加而增大，变化率相对较小。分析认为止水帷幕底端位置为土体沉降最大位置。4、试点工程悬挂止水帷幕实测分析Contents二、课题研究背景一、课题完成情况三、研究内容及技术路线四、课题研究创新点五、课题研究实施及成果第 41 页六、经济与社会效益分析七、结论及展望六、经济与社会效益分析六、经济与社会效益分析第 42 页 以试点工程体育工作站地连墙深度 38m 计算，一个

31、长度 200m的标准地下2层标准站悬挂止水帷幕地连墙造价节省如下表：方案方案 地连墙地连墙深度深度（m m） 墙厚墙厚（mmmm） 墙长墙长（m m） 混 凝 土 节 省 量混 凝 土 节 省 量（m m3 3） 节约地墙造价节约地墙造价 （万元）（万元）悬挂止水帷幕悬挂止水帷幕 38 800 440 3520 528 528 落底止水帷幕落底止水帷幕 48 800 440 对比以上 2 种止水帷幕方案下降水费用，伴随基坑地连墙深度增加，地连墙施工费用大幅提高，但基坑降水施工在满足要求的前提下，费用变化较小（地连墙节约造价的 10%左右）方案方案 设置降水井类型设置降水井类型 井数（口）井数（口） 井深（井深（m m） 造价（元）造价（元） 降水造价差值（万元）降水造价差值（万元） 悬挂止水帷幕悬挂止水帷幕 疏干井 24 26 67.3964.1564.15 减压井 1245 77.76坑外备用井兼观测井222682.368落底止水帷幕落底止水帷