富水砂层基坑悬挂式止水帷幕技术研究T

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河漫滩区富水砂层基坑悬挂式止水帷幕技术研究一、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。二、课题研究背景

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，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17.5～20.45m，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。松花江漫滩地貌松花江阶地地貌岗阜状平原地貌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，26~27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22~23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。封闭区域悬挂区域孔隙潜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10~20m，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。三、研究内容及技术路线本项目以哈尔尔滨市漫滩区区地层结构为为例，针对富富水砂层大型型深基坑地下下连续墙围护护结构与基坑坑降水实际工工程结合存在在的问题开展展研究，以体育公园站站基坑工程为为依托，主要研究内内容如下：1、已有资料分分析系统、全面收收集工作区已已有的水文地地质资料，并进行合理理分区:结合原有的地地质勘察资料料、专项调查查结果及工程程特点，分析析不同区域(站点、区段)内对拟建工程程及周边环境境产生影响的的地下水特点点，初步确定悬悬挂止水帷幕幕的应用范围围。2、水文地质抽水水试验研究依托试点工程程开展专项水水文地质勘察试验，探明典典型的松花江江河漫滩富水水砂层地区各各含水层的相相关水文地质质参数、各含含水层之间的的水力联系，，为后续数值值计算提供切切实可靠的水水文地质参数数，确保计算算结果的准确确性。1.主要研究内容容3、不同设置深度度的地下连续续墙结构基坑坑分区分析研研究根据站址范围围地层、水文文分布特征（（如隔水层、、潜水层、承承压水层的厚厚度等）以及抽水试验验数据，初步确定不不同地层区域域的连续墙深深度和区域划划分，然后结结合施工、安安全、经济效效益及试验数数据的准确性性等情况，进进行分析比较较，从而确定定最经济合理理的分区范围围和悬挂式连连续墙的深度度。4、悬挂式止水帷帷幕深度研究究通过抽水试验验数据和现场场地质水文情情况，建立三三维渗流模型型，对几种不不同悬挂深度度止水帷幕的的地下水控制制技术进行数数值模拟分析析，然后根据据抽水过程中中采集的各项项数据和实际际抽水效果，，研究不同止止水帷幕设置置深度条件下下对基坑涌水水量、内外水水位变化、地地面沉降的影影响，重点开开展不同止水水帷幕深度的的降水效果比比选，最终明明确试点工程程悬挂止水帷帷幕的深度。。1.主要研究内容容5、开展悬挂式止止水帷幕条件件下，基坑降降水关键技术术研究。通过现场实测测数据和数值值计算结果对对比分析，验证悬挂止水帷幕幕条件下，基基坑降水对周周边地面沉降降的贡献值，，明确后期类类似工程沉降降控制要点。。在明确悬挂挂式止水帷幕幕在富水砂层层地区应用的的可行性、合合理性的前提提下。总结悬悬挂止水帷幕幕条件下，基基坑降水工程程施工过程中中各环节的控控制要点和明明确关键因素素，总结相关关研究成果，，进行适用性性研究及推广广分析。6、进行技术经济综合合对比分析和和经济效益对比。通过施工过程程中落地式止止水帷幕和悬悬挂式止水帷帷幕的实验数数据、现场抽抽水效果、地地面沉降等实实际实施情况况，对不同深深度下连续墙墙和基坑抽水水的成本、安安全等进行技技术综合比较较和经济效益益研究，从而而最终确定在在同类地层中中采取的最经经济合理的悬悬挂式止水帷帷幕深度和抽抽水技术及参参数等。1.主要研究内容容2.研究技术路线线本课题采用文文献调研、工工程类比、理理论分析、数数值模拟、现现场实测及分分析等技术手手段进行，研研究的主要技技术路线如图图所示主要技术路线线描述及分析析：1、采用文献调研研、理论分析析、数值模拟拟手段，形成成初步研究成成果。对基坑工程程降水，对坑外地下下水、地层层的影响进进行理论分分析；对不不同止水帷帷幕深度条条件下的基基坑工程进进行模拟，，建立止水水帷幕深度度与周边环环境影响之之间的相关关关系，并并形成初步步研究结论论。2、依托专项水水文地质勘勘察，对初初步研究成成果进行修修正。通过水文地地质专项勘勘察，一方方面对理论论分析成果果进行初步步验证，另另一方面通通过专项水水文地质勘勘察，反馈馈、修正相相关地层参参数及水文文地质特性性，以获得得准确的水水文地质参参数。3、以实际工程程为依托，，开展悬挂挂式止水帷帷幕试验。在工程实施施期间，采采集相关监监测数据，，经整理后后反馈、验验证初步研研究结论，，经分析、、验证、优优化后，形形成最终的的成果。四、课题研究创新点1、首次在哈哈尔滨地铁铁基坑工程程提出悬挂挂止水帷幕幕的概念：：在哈尔滨富富水砂层地地区地铁工工程建设首首次提出了了悬挂止水水帷幕的概概念，并通通过试点工工程成功的的实施了悬悬挂止水帷帷幕，降低低了工程造造价、节约约了工期确确保了施工工质量，形形成了一整整套止水帷帷幕深度设设计和降水水方案设计计的思路和和施工方法法，对后续续类似地质质条件开展展悬挂止水水帷幕基坑坑设计施工工有重要的的参考价值值。2、量化悬挂挂止水帷幕幕实施比例例：从含水层分分布特征和和悬挂式止止水帷幕适适用性的角角度，针对对哈尔滨松松花江河漫漫滩区地铁铁站点地质质资料进行行梳理，量量化悬挂止止水帷幕实实施比例。。3、引入地下下水控制自自动化监测测集成技术术：采用地下水水位、孔隙隙水压力以以及周边土土体位移等等多项与基基坑地下水水控制相关关的自动化化监测集成技术，对哈哈尔滨松花花江漫滩区区悬挂式止止水帷幕试试验工程的的施工进行行了全过程程监控，并并结合施工工工况，基基于现场实实测数据对对悬挂式基基坑渗流规规律进行了了总结和分分析，对类类似条件下下悬挂式基基坑地下水水控制方案案的制定和和优化具有有重要的参参考价值。。4、提出哈尔尔滨松花江江漫滩地区区悬挂止水水帷幕条件件下的地下下水控制方方法：充分利用基基底以下弱弱透水层和和基坑止水水帷幕的隔隔水效果，，采用坑内内疏干降水水型式，尽尽量减少基基坑施工过过程周边地地下水位的的降深；同同时，充分分利用悬挂挂式止水帷帷幕没有隔隔断下伏承承压含水层层的特征，，采用坑外外备用减压压降水型式式，在保证证基坑抗突突涌稳定的的同时，保保留了坑内内基底以下下相对隔水水层的完整整性，大大大降低了基基坑涌水的的风险。悬悬挂式止水水帷幕+坑内疏干降降水+坑外备用减减压降水的的地下水控控制方案，，在哈尔滨滨松花江漫漫滩地区是是一项重要要的创新理理论和技术术。五、课题研究实施及成果1、根据区域内内大量岩土土工程勘察察资料揭示示的地层结结构，城市市轨道交通通工程所涉涉及的地下下水主要赋赋存与第四四系松散岩岩类孔隙之之中，可分分为孔隙潜水、、孔隙承压压水两种主主要类型。。2、哈尔滨松花花江漫滩区区地下水主主要赋存于于粉细砂层层和中砂层层，各含水水层之间存存在透水能能力较弱的的粉质粘土土层。含水水层分布的的典型特征征是砂层（强富富水、强透透水层）遍布，而相相对隔水层的平平均厚度较较小且均一一性较差，基岩裂隙隙发育程度度不高，作为不透水水底板考虑虑。结合场地地地质条件，，考虑地层层差异，选选取试点工工程两处典典型地层进进行试验。。1、哈尔滨松松花江漫滩滩地层特征征描述2、专项水文文研究--抽水试验2、专项水文文研究--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3K2-34-1~K2-34-3266502730～55～25试验一区2G2-34-1~G2-34-2266502730～155～257-2层1K7-2-1456502730～3333～441G7-2-1456502730～3333～442-3层2K2-3-1~K2-3-2186502730～55～17试验二区2G2-3-1~G2-3-2186502730～55～172-4层1K2-4-1326502730～2727～321G2-4-1326502730～2727～327-2层1K7-2-1456502730～3636～441G7-2-1456502730～3636～44合计15口试验井试验井工作作量列表试验一区试试验井平面面布置图试验二区试试验井平面面布置图2、专项水文文研究--抽水试验2、专项水文文研究--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）102530401024303440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深层土体沉沉降（多点位移移计）监测测点工作量层位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孔隙水压力力计监测点工作量2、专项水文文研究--抽水试验孔隙水压力力、多点位位移计监测测点剖面示示意图2、专项水文文研究--抽水试验试验一区地地表沉降监监测点平面面图试验二区地地表沉降监监测点示意意图沉降监测点点(观测范围60×60m，观测点间间距10m）每个是试验验区域各布布置49个地面沉降降监测点。抽水试验试试验一区、、试验二区区单独进行行。本科研项目目抽水试验验共计用时时81天。其中试验一区试验野外施工总总工期29天，试验二区试试验野外施工总总工期38天。2、专项水文文研究--抽水试验现场照片——成井施工现现场2、专项水文文研究--抽水试验本次抽水试试验采用自自动化监测测设备对水水位、孔隙隙水压力、、分层沉降降实施自动动化监测和和数据采集集，采用人人工监测方方法对水量量和地表沉沉降进行监监测。本次次抽水试验验采用2台基康BGK-Micro-40（16通道道））自自动动化化数数据据采采集集仪仪进进行行数数据据自自动动采采集集和和存存储储，，采采用用15个水水位位探探头头进进行行水水位位数数据据测测量量。。试试验验期期间间数数据据自自动动采采集集频频率率2min/次，，人人工工采采集集频频率率2次/天自动动化化监监测测1、确确定定了了各各含含水水层层的的水水力力联联系系，，初步步证证明明7-1粉质质粘粘土土层层具具有有一一定定的的隔隔水水效效果果。2、对对比比勘勘察察报报告告，，本本次次抽抽水水试试验验所所得得各各主主要要含含水水层层渗渗透透系系数数较较为为接接近近，，相相对对隔隔水水层层渗渗透透系系数数相相差差较较大大，，各各地地层层的的水水文文地地质质参参数数以以原原位位抽抽水水试试验验结结果果为为准准，，可可作作为为后后续续理理论论分分析析和和数数值值计计算算的的输输入入条条件件。。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）2-339633100.002122-415639100.03392-4-11.20.30.10.00017-10.750.10.050.0001各含含水水层层水水文文地地质质参参数数2、专专项项水水文文研研究究--抽水水试试验验试验验结结果果数值值模模拟拟分分析析工工况况统统计计表表工况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（m³/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)20246.50.6备注注：：在在模模拟拟计计算算过过程程中中，，以以工工况况2为基基础础，，止止水水帷帷幕幕深深度度每每增增加加2m作为为一一独独立立的的工工况况分分别别进进行行了了计计算算。。3、止止水水帷帷幕幕方方案案比比选选单井井出出水水量量随随止止水水帷帷幕幕深深度度增增加加变变化化曲曲线线坑内内水水位位降降深深随随止止水水帷帷幕幕增增加加变变化化曲曲线线根据据计计算算结结果果，，当当止止水水帷帷幕幕深深度度在在35~40m范围围时时，，止止水水帷帷幕幕的的加加深深对对基基坑坑降降水水作作用用明明显显，，即即该该范范围围内内止止水水帷帷幕幕的的经经济济效效益益显显著著。。当止水帷幕达达到一定深度度后，再增加加其深度对降降水的影响有有限。本次模拟计算算结果与预期期基本一致。。坑外水位降深深随止水帷幕幕增加变化曲曲线3、止水帷幕方方案比选模拟结果分析析－不同止水水帷幕深度比比较对周边环境影影响对比分析析工况1工况2工况3工况4左图为各工况下，降降水运行60天后，坑内外外水位等值线线图3、止水帷幕方方案比选结合上述分析析发现：1、随着止水帷幕幕深度的增加加，坑外对坑坑内的水力补补给减小，即即使坑内水位位降深变大，，但对坑外水水位的影响越越来越小，止水帷幕的加加深可有效控控制降水对周周边环境的影影响。当止水帷幕幕达到35~40m时，坑外水位位降深在2.0m以内，可满足足一般地段周周边环境保护护要求。2、基于以上基坑坑降水效果和和对周边环境境的影响两个个角度的比选选分析，结合合工程成本、、施工进度和和施工质量等等因素综合分分析，在类似的场地地条件下，悬悬挂式止水帷帷幕是可行的。各工况模拟计计算结果，可以作为确定定止水帷幕深深度的最优取取值区间的依依据。3、哈尔滨市轨道道交通3号线二期工程程体育公园站站所在场地的的地址条件，，具有哈尔滨滨松花江漫滩滩富水砂层地地区典型的水水文地质特征征，场地范围围内含水层之之间相对弱透透水层分布较较完整，属于于前述含水层层分布特征分分区中的第I类，综合上述述帷幕深度比比选分析，确定最佳止水水帷幕深度为为：38m。3、止水帷幕方方案比选3、止水帷幕方方案比选降水井设计本站共设降水水井90口。试验一区（封封闭段）：基坑面积6600m2，计算单井有有效控制面积积取250m2，考虑20%备用井，基坑内共布置置30口疏干井，7口备用减压井井；坑外观测测井15口。试验二区（悬挂段）：：基坑面积3100m2，计算单井有有效控制面积积取180m2，考虑30%备用井，基坑内共布置22口降水井；坑外减压井井设8口，坑外观测测井8口。区域井类型数量(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-1～S-306502735～2526钢管坑内减压备用井1JB-165027334～4445钢管4JB-2JB-5～BJ-765027338～4445钢管1JB-365027341～4445钢管1JB-465027332～4445钢管坑外潜水观测井9QG-1～QG-91501105～2526PVC坑外承压水观测井5CG-1～CG-3CG-5～CG-665027334～4445钢管1CG-465027338～4445钢管开挖二区坑内疏干井22S-31～S-526502735～2526钢管坑外减压井4J-1、J-3、J-5、J-765027336～4445钢管1J-465027338～4445钢管1J-665027334～4445钢管2J-2、J-865027337～4445钢管坑外潜水观测井8QG-10～QG-171501105～2526PVC

合计90

4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析坑孔隙水压力力、分层沉降降监测点平面面布置图监测点布置悬挂挂止水帷帷幕试验段基基坑外设置8口浅层观测井井，8口减压井兼观观测井；设置置3组分层沉降监监测点和三组组孔隙水压力力监测点4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析水位、孔隙水水压力和分层层沉降监测全全部采用自动动化监测，投投入2台（24通道）台基康BGK-Micro-40自动化数据采采集仪监测频频率1小时/次。自2017年4月9日基坑降水开开始至2017年11月31日近8个月时间的连连续不间断监监测，每天进进行数据分析析。实测降水情况况与模拟计算算结果对比项目计算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（封封闭段）：对比计算与实实际运行情况况，基坑稳定定实际涌水量量为计算涌水水量55%左右。实际启启动降水井数数量占计算降降水井数量54%左右，按实际际启动降水井井数量计算单单井有效控制制面积约471m2。实际启动降水水井数量占降降水井总数的的44%，降水井安全全备用率达129%。试验二区（悬挂段）：：对比计算与实实际运行情况况，基坑稳定定实际涌水量量为计算涌水水量70.5%左右。实际启启动降水井数数量占计算降降水井数量70.5%左右，按实际际启动降水井井数量计算单单井有效控制制面积约258m2。实际启动降水水井数量占降降水井总数量量55%，降水井安全全备用率达80%左右。4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析实测坑外水位位变化分析1、降水运行期间间，坑外浅层层水位相对稳稳定，只是在在初始水位上上下小幅度波波动；2、整个过程相对对变化量较大大的水位观测测井为J5~J8，累计降深最最大值1.82m（J5），实测坑外外累计降深最最小值1.21m（J4），平均值1.42m。3、下部承压水水下降幅度小小于上部潜水水下降幅度，，明确基坑降降水主要来源源为下部7-2层的垂直越流流补给。施工阶段坑外外深层水位历历时变化曲线线4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析地表沉降监测测模拟结果与与实测数据对对比分析4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析结合悬挂段和和封闭段地表表沉降预测值值和实测值对对比情况分析析，发现叠加基坑开挖挖和降水二者者综合效果的的地表沉降预预测值与现场场实测结果变变化趋势一致致，数值较为接接近。地表沉降实测测值与计算值值对比曲线悬挂段与封闭闭段地表沉降降、坑外水位位实测数据对对比分析悬挂段段各监监测断断面地地表累累计最最大沉沉降量量平均均值约约20.4mm。封闭闭段各各监测测断面面地表表累计计最大大沉降降量平平均值值约12.01mm，差值8.39mm。考虑两两个区区域基基坑开开挖所所引起起的地地表沉沉降一一致的的情况况下，，差值值可视视为基基坑降降水所所导致致。对比结结果显显示数数值模模拟计计算预预测基基坑降降水运运行90天，对对应沉沉降预预测值值4.03mm，模拟拟计算算运行行180天对应应沉降降预测测值为为6.5mm，与上上述差差值较较为接接近。。4、试点点工程程悬挂挂止水水帷幕幕实测测分析析悬挂段段与封封闭段段土体体分层层沉降降实测测数据据对比比分析析在临界界距离离以外外的土土体分分层沉沉降值值的大大小随随测点点埋置置深度度改变变而变变化，，从实实测数数据来来看，，深度度30m位置的的测点点累计计测值值最大大，40m深度位位置的的测点点沉降降幅度度最小小，且且坑外外帷幕幕深度度范围围内土土体的的沉降降量呈呈““下大大上小小”的的形态态分布布。在临界界距离离Lc以外，，深度度30m位置的的沉降降量最最大，，而从从围护结结构深深度发发现，基坑坑止水水帷幕幕深度度为38m，分层层沉降降量最最大值值出现现在帷帷幕底底偏上上的位位置。。帷幕幕底以以下，，沉降降量随随深度度递增增而减减小，，且变变化率率较大大；帷帷幕底底以上上，沉沉降量量随深深度增增加而而增大大，变变化率率相对对较小小。分析认认为止水帷帷幕底底端位位置为为土体体沉降降最大大位置置。4、试点点工程程悬挂挂止水水帷幕幕实测测分析析六、经济与社会效益分析以试点工程体体育工工作站站地连连墙深深度38m计算，，一个个长度200m的标准准地下2层标准准站悬悬挂止止水帷帷幕地地连墙墙造价价节省省如下表表：方案地连墙深度（m）墙厚（mm）墙长（m）混凝土节省量（m3）节约地墙造价（万元）悬挂止水帷幕388004403520528落底止水帷幕48800440对比以上2种止水帷帷幕方案下降水费费用，，伴随随基坑坑地连连墙深深度增增加，，地连连墙施施工费费用大大幅提提高，，但基基坑降降水施施工在在满足足要求求的前前提下下，费费用变变化较较小（（地连连墙节节约造造价的的10%左右）方案设置降水井类型井数（口）井深（m）造价（元）降水造价差值（万元）悬挂止水帷幕疏干井242667.3964.15

减压井124577.76坑外备用井兼观测井222682.368落底止水帷幕

疏干井152642.12减压井64538.88坑外备用井兼观测井222682.37七、结论及展望研究结结论如如下：：1、通过现现场抽抽水试试验确确定了了各含水水层的的水文文地质质参数数和水水力联联系较较为明明显。2、数值模模拟方方案中中设置置的3个影响响因素素中，，止水水帷幕幕深度度是影影响渗渗流的的最重重要因因素，，直接接影响响渗流流路径径、周周边环环境、、工期期和工工程造造价。。在后后期类类似工工程止止水帷帷幕设设