富水砂层基坑悬挂式止水帷幕技术

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目以哈哈尔滨滨市漫漫滩区区地层层结构构为例例，针针对富富水砂砂层大大型深深基坑坑地下下连续续墙围围护结结构与与基坑坑降水水实际际工程程结合合存在在的问问题开开展研研究，，以体育育公园园站基基坑工工程为为依托托，主要研究究内容如下下：1、已有资料料分析系统、全面面收集工作作区已有的的水文地质质资料，并进行合合理分区:结合原有的的地质勘察察资料、专专项调查结结果及工程程特点，分分析不同区区域(站点、区段段)内对拟建工工程及周边边环境产生生影响的地地下水特点点，初步确定定悬挂止水水帷幕的应应用范围。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。对基坑工程降降水，对坑外地下水水、地层的影影响进行理论论分析；对不不同止水帷幕幕深度条件下下的基坑工程程进行模拟，，建立止水帷帷幕深度与周周边环境影响响之间的相关关关系，并形形成初步研究究结论。2、依托专项水文文地质勘察，，对初步研究究成果进行修修正。通过水文地质质专项勘察，，一方面对理理论分析成果果进行初步验验证，另一方方面通过专项项水文地质勘勘察，反馈、、修正相关地地层参数及水水文地质特性性，以获得准准确的水文地地质参数。3、以实际工程为为依托，开展展悬挂式止水水帷幕试验。在工程实施期期间，采集相相关监测数据据，经整理后后反馈、验证证初步研究结结论，经分析析、验证、优优化后，形成成最终的成果果。四、课题研究创新点1、首次在哈尔尔滨地铁基坑坑工程提出悬悬挂止水帷幕幕的概念：在哈尔滨富水水砂层地区地地铁工程建设设首次提出了了悬挂止水帷帷幕的概念，，并通过试点点工程成功的的实施了悬挂挂止水帷幕，，降低了工程程造价、节约约了工期确保保了施工质量量，形成了一一整套止水帷帷幕深度设计计和降水方案案设计的思路路和施工方法法，对后续类类似地质条件件开展悬挂止止水帷幕基坑坑设计施工有有重要的参考考价值。2、量化悬挂止止水帷幕实施施比例：从含水层分布布特征和悬挂挂式止水帷幕幕适用性的角角度，针对哈哈尔滨松花江江河漫滩区地地铁站点地质质资料进行梳梳理，量化悬悬挂止水帷幕幕实施比例。。3、引入地下水水控制自动化化监测集成技技术：采用地下水位位、孔隙水压压力以及周边边土体位移等等多项与基坑坑地下水控制制相关的自动动化监测集成技术，对哈尔尔滨松花江漫漫滩区悬挂式式止水帷幕试试验工程的施施工进行了全全过程监控，，并结合施工工工况，基于于现场实测数数据对悬挂式式基坑渗流规规律进行了总总结和分析，，对类似条件件下悬挂式基基坑地下水控控制方案的制制定和优化具具有重要的参参考价值。4、提出出哈尔尔滨松松花江江漫滩滩地区区悬挂挂止水水帷幕幕条件件下的的地下下水控控制方方法：：充分利利用基基底以以下弱弱透水水层和和基坑坑止水水帷幕幕的隔隔水效效果，，采用用坑内内疏干干降水水型式式，尽尽量减减少基基坑施施工过过程周周边地地下水水位的的降深深；同同时，，充分分利用用悬挂挂式止止水帷帷幕没没有隔隔断下下伏承承压含含水层层的特特征，，采用用坑外外备用用减压压降水水型式式，在在保证证基坑坑抗突突涌稳稳定的的同时时，保保留了了坑内内基底底以下下相对对隔水水层的的完整整性，，大大大降低低了基基坑涌涌水的的风险险。悬悬挂式式止水水帷幕幕+坑内疏疏干降降水+坑外备备用减减压降降水的的地下下水控控制方方案，，在哈哈尔滨滨松花花江漫漫滩地地区是是一项项重要要的创创新理理论和和技术术。五、课题研究实施及成果1、根据区区域内内大量量岩土土工程程勘察察资料料揭示示的地地层结结构，，城市市轨道道交通通工程程所涉涉及的的地下下水主主要赋赋存与与第四四系松松散岩岩类孔孔隙之之中，，可分分为孔隙潜潜水、、孔隙隙承压压水两两种主主要类类型。。2、哈尔滨滨松花花江漫漫滩区区地下下水主主要赋赋存于于粉细细砂层层和中中砂层层，各各含水水层之之间存存在透透水能能力较较弱的的粉质质粘土土层。。含水水层分分布的的典型型特征征是砂层（强富水、强强透水层）遍布，而相对隔水层的平均厚度度较小且均一性较较差，基岩裂隙发育程程度不高，作为不透水底板考考虑。结合场地地质条件件，考虑地层差异异，选取试点工程程两处典型地层进进行试验。1、哈尔滨松花江漫漫滩地层特征描述述2、专项水文研究--抽水试验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3K2-34-1~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量列表表试验一区试验井平平面布置图试验二区试验井平平面布置图2、专项水文研究--抽水试验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）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深层土体沉降（多点位移计）监监测点工作量层位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孔隙水压力计监测点工作量2、专项水文研究--抽水试验孔隙水压力、多点点位移计监测点剖剖面示意图2、专项水文研究--抽水试验试验一区地表沉降降监测点平面图试验二区地表沉降降监测点示意图沉降监测测点(观测范围围60×60m，观测点点间距10m）每个是试试验区域域各布置置49个地面沉沉降监测测点。抽水试验验试验一一区、试试验二区区单独进进行。本科研项项目抽水水试验共共计用时时81天。其中试验一区区试验野外施工工总工期期29天，试验二区区试验野外施工工总工期期38天。2、专项水水文研究究--抽水试验验现场照片片——成井施工工现场2、专项水水文研究究--抽水试验验本次抽水水试验采采用自动动化监测测设备对对水位、、孔隙水水压力、、分层沉沉降实施施自动化化监测和和数据采采集，采采用人工工监测方方法对水水量和地地表沉降降进行监监测。本本次抽水水试验采采用2台基康BGK-Micro-40（16通道）自动化化数据采集仪仪进行数据自自动采集和存存储，采用15个水位探头进进行水位数据据测量。试验验期间数据自自动采集频率率2min/次，人工采集集频率2次/天自动化监测1、确定了各含含水层的水力力联系，初步证明7-1粉质粘土层具具有一定的隔隔水效果。2、对比勘察报报告，本次抽抽水试验所得得各主要含水水层渗透系数数较为接近，，相对隔水层层渗透系数相相差较大，各各地层的水文文地质参数以以原位抽水试试验结果为准准，可作为后后续理论分析析和数值计算算的输入条件件。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各含水层水文文地质参数2、专项水文研究究--抽水试验试验结果数值模拟分析工工况统计表工况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（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：在模拟计计算过程中，以以工况2为基础，止水帷帷幕深度每增加加2m作为一独立的工工况分别进行了了计算。3、止水帷幕方案案比选单井出水量随止止水帷幕深度增增加变化曲线坑内水位降深随随止水帷幕增加加变化曲线根据计算结果，，当止水帷幕深深度在35~40m范围时，止水帷帷幕的加深对基基坑降水作用明明显，即该范围围内止水帷幕的的经济效益显著著。当止水帷幕达到到一定深度后，，再增加其深度度对降水的影响响有限。本次模拟计算结结果与预期基本本一致。坑外水位降深随随止水帷幕增加加变化曲线3、止水帷幕方案案比选模拟结果分析－－不同止水帷幕幕深度比较对周边环境影响响对比分析工况1工况2工况3工况4左图为各工况下，降水水运行60天后，坑内外水水位等值线图3、止水帷幕方案案比选结合上述分析发发现：1、随着止水帷幕深深度的增加，坑坑外对坑内的水水力补给减小，，即使坑内水位位降深变大，但但对坑外水位的的影响越来越小小，止水帷幕的加深深可有效控制降降水对周边环境境的影响。当止水帷幕达达到35~40m时，坑外水位降降深在2.0m以内，可满足一一般地段周边环环境保护要求。。2、基于以上基坑降降水效果和对周周边环境的影响响两个角度的比比选分析，结合合工程成本、施施工进度和施工工质量等因素综综合分析，在类似的场地条条件下，悬挂式式止水帷幕是可行的。各工况模拟计算算结果，可以作为确定止止水帷幕深度的的最优取值区间间的依据。3、哈尔滨市轨道交交通3号线二期工程体体育公园站所在在场地的地址条条件，具有哈尔尔滨松花江漫滩滩富水砂层地区区典型的水文地地质特征，场地地范围内含水层层之间相对弱透透水层分布较完完整，属于前述述含水层分布特特征分区中的第第I类，综合上述帷帷幕深度比选分分析，确定最佳止水帷帷幕深度为：38m。3、止水帷幕方案案比选3、止水帷幕方案案比选降水井设计本站共设降水井井90口。试验一区（封闭闭段）：基坑面积6600m2，计算单井有效效控制面积取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；坑外减压井设设8口，坑外观测井井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、试点工程悬挂挂止水帷幕实测测分析坑孔隙水压力、、分层沉降监测测点平面布置图图监测点布置悬挂挂止水帷幕幕试验段基坑外外设置8口浅层观观测井，，8口减压井井兼观测测井；设设置3组分层沉沉降监测测点和三三组孔隙隙水压力力监测点点4、试点工工程悬挂挂止水帷帷幕实测测分析水位、孔孔隙水压压力和分分层沉降降监测全全部采用用自动化化监测，，投入2台（24通道）台基康BGK-Micro-40自动化数数据采集集仪监测测频率1小时/次。自2017年4月9日基坑降降水开始始至2017年11月31日近8个月时间间的连续续不间断断监测，，每天进进行数据据分析。。实测降水水情况与与模拟计计算结果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试验一区区（封闭闭段）：对比计算算与实际际运行情情况，基基坑稳定定实际涌涌水量为为计算涌涌水量55%左右。实实际启动动降水井井数量占占计算降降水井数数量54%左右，按按实际启启动降水水井数量量计算单单井有效效控制面面积约471m2。实际启动动降水井井数量占占降水井井总数的的44%，降水井井安全备备用率达达129%。试验二区区（悬挂段段）：对比计算算与实际际运行情情况，基基坑稳定定实际涌涌水量为为计算涌涌水量70.5%左右。实实际启动动降水井井数量占占计算降降水井数数量70.5%左右，按按实际启启动降水水井数量量计算单单井有效效控制面面积约258m2。实际启动动降水井井数量占占降水井井总数量量55%，降水井井安全备备用率达达80%左右。4、试点工工程悬挂挂止水帷帷幕实测测分析实测坑外外水位变变化分析析1、降水运行行期间，，坑外浅浅层水位位相对稳稳定，只只是在初初始水位位上下小小幅度波波动；2、整个过程程相对变变化量较较大的水水位观测测井为J5~J8，累计降降深最大大值1.82m（J5），实测测坑外累累计降深深最小值值1.21m（J4），平均均值1.42m。3、下部承承压水下下降幅度度小于上上部潜水水下降幅幅度，明明确基坑坑降水主主要来源源为下部部7-2层的垂直直越流补补给。施工阶段段坑外深深层水位位历时变变化曲线线4、试点点工程程悬挂挂止水水帷幕幕实测测分析析地表沉沉降监监测模模拟结结果与与实测测数据据对比比分析析4、试点点工程程悬挂挂止水水帷幕幕实测测分析析结合悬悬挂段段和封封闭段段地表表沉降降预测测值和和实测测值对对比情情况分分析，，发现现叠加基基坑开开挖和和降水水二者者综合合效果果的地地表沉沉降预预测值值与现现场实实测结结果变变化趋趋势一一致，数值值较为为接近近。地表沉沉降实实测值值与计计算值值对比比曲线线悬挂段段与封封闭段段地表表沉降降、坑坑外水水位实实测数数据对对比分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天对应沉降预预测值为6.5mm，与上述差值值较为接近。。4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析悬挂段与封闭闭段土体分层层沉降实测数数据对比分析析在临界距离以以外的土体分分层沉降值的的大小随测点点埋置深度改改变而变化，，从实测数据据来看，深度度30m位置的测点累累计测值最大大，40m深度位置的测测点沉降幅度度最小，且坑坑外帷幕深度度范围内土体体的沉降量呈呈“下大上上小”的形态态分布。在临界距离Lc以外，深度30m位置的沉降量量最大，而从从围护结构深度度发现，基坑止水帷帷幕深度为38m，分层沉降量量最大值出现现在帷幕底偏偏上的位置。。帷幕底以下下，沉降量随随深度递增而而减小，且变变化率较大；；帷幕底以上上，沉降量随随深度增加而而增大，变化化率相对较小小。分析认为止水帷幕底端端位置为土体体沉降最大位位置。4、试点工程悬悬挂止水帷幕幕实测分析六、经济与社会效益分析以试点工程体育工作作站地连墙深深度38m计算，一个长度200m的标准地下2层标准站悬挂挂止水帷幕地地连墙造价节节省如下表：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种止水帷幕方案下降水费用，伴伴随基坑地连连墙深度增加加，地连墙施施工费用大幅幅提高，但基基坑降水施工工在满足要求求的前提下，，费用变化较较小（地连墙墙节约造价的的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、结论及展望研究结论如下下：1、通过现场抽水水试验确定了了各含水层的水