天津于家堡金融起步区一期工程基坑降水方案设计

天津于家堡金融起步区一期工程基坑降水方案设计

一、大面积基坑群降水策略对于地铁基地或传统建筑基地的降水设计方法相对成熟。水下沉淀的目的是干燥，采用大井法，通过含水层的供水量估计基地的排水量，并通过排水量计算调整井的数量和配置。一般来说，抗弯压力降水口的压力处理通常是为了计算基地的抗弯压力水，并结合含水层的位置、厚度和相水幕的深度来设计抗高血压井。而对于大面积基坑群的降水策略则较少研究,本文的研究对象则是一个大面积基坑群,场区内不同位置开挖深度有所差异。对于大面积基坑群来说,各基坑之间的协同降水十分必要,否则将发生某一块地下水抽不干或者不同地区水位差异较大的情况,从而对基坑的开挖造成影响。因而有必要对大面积基坑群的降水策略进行研究。本文主要基于天津于家堡地区某大面积基坑群开展降水策略研究,并用数值模型对降水方案进行模拟。结果表明采用分区分层降水,将大面积基坑群转化为若干个小面积基坑并实施单独降水,并考虑相互之间的影响,同时设置一定数量的备用降水井可以确保大面积基坑群降水施工的顺利进行,从而不影响施工工期,以确保基坑开挖的顺利进行。二、基坑开挖基本情况拟建天津于家堡金融服务区占地3.46km2,位于海河北岸,北至新港路,东、西、南三面环水。根据建设规划,选取金融区内1.1km2土地作为起步区,该区涵盖Y-1-18~20,26~28六个地块。一期基坑平面尺寸约为400m×250m,占地约100000m2,普遍开挖深度13~14m,塔楼局部开挖深度15m。其中包括南北向与东西向两条地铁线路,南北向地铁基坑开挖深度为16.05m,东西向地铁开挖深度为23.1m。根据工程不同部位的开挖深度,为便于本次降水方案设计,将本次一期基坑按照开挖深度的不同划分为16个区。本工程设计地面相对标高为-2.85m,绝对标高为+2.00m,各分区开挖深度和围护情况如下表1所示。该场区的地层分布见表2。三、物流方案1、基坑开挖对降水的影响分析(1)浅层潜水降水不当影响基坑开挖场地浅层潜水含水层以粉质黏土为主,部分区域分布有一定厚度(约4m)的粉性土。这层潜水含水层水位埋深浅,含水量相对较丰富,若不采取降水措施或降水不当,对基坑开挖将会产生一定的影响。对此,需要采取合理的疏干降水措施,并采取针对性的管理措施,提高疏干降水效果。(2)承压水突涌场地最浅23.00m见承压含水层,而商务区基本开挖深度为13.00~15.00m,南北向地铁开挖深度为16.00m,东西向地铁开挖深度为23.10m。部分基坑开挖已进入承压含水层中。因此,在工程施工过程中,承压水突涌是本工程施工过程中最大的风险之一。针对承压水突涌风险,布设降压井进行减压降水是常用的工程降水措施。在本工程中,根据基坑抗突涌稳定性验算结果,在需要进行减压降水的区域布设降压井进行减压降水,确保基坑安全。2、承压水顶托力基坑开挖后,基坑与承压含水层顶板间距离减小,相应地承压含水层上部土压力也随之减小;当基坑开挖到一定深度后,承压含水层承压水顶托力可能大于其上覆土压力,导致基坑底部失稳,严重危害基坑安全。因此,在基坑开挖过程中,需考虑基坑底部承压含水层的水压力,必要时按需降压,保障基坑安全。基坑底板抗突涌稳定性条件:基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即:Σh·Υs》FS·Υw·H式中:h是基坑底至承压含水层顶板间距离(m);γs是基坑底至承压含水层顶板间的各层土厚度加权平均重度(kN/m3);H是承压水位高于承压含水层顶板的高度(m);γw是水的重度(kN/m3);Fs是安全系数(根据天津市《岩土工程技术规范》本工程取1.2)。根据勘察报告,本工程主要需考虑的承压含水层为第一微承压含水层组(6)层粉土层、(7)2层粉砂层。按照最不利原则,选取(6)层层顶绝对标高-21.5m来进行验算,承压水初始水位绝对标高取-6.74m,土的平均重度取19.5kN/m3。计算承压水最大顶托力:Fs·γw·H=1.2×10×[(-6.74)-(-21.50)]=177.1kPa为了保证基坑稳定,根据最小覆土压力等于承压水最大顶托力计算基坑抗突涌稳定临界开挖深度,计算结果见表2。为此,参照基坑开挖分区示意图,可知E、G、I、J、L五个区基坑开挖深度分别为16.05m、15.05m、14.85m、23.10m、16.05m,大于该工程基坑抗突涌稳定临界开挖深度,故需要针对以上区进行详细的降深计算,计算结果见表3。J区基坑开挖面接近承压含水层顶面,实际水位控制以开挖面以下1.00m(标高-22.10m)为准,故实际降深应达到15.36m。3、无砂疏干井施工(1)疏干井布设参照有关标准及规范,结合降水设计评审专家组意见,本次降水工程疏干井单井有效抽水面积a井取400m2。坑内疏干井数量计算公式:n=A/a井式中:n是基坑内降水井数量(口);A是基坑面积(m2);a井是单井有效降水面积(m2)。计算得出本基坑需要布设的疏干井数量如下:n=A/a井=99324/400≈248口。按照基坑形状,实际布设疏干井243口。钢管疏干井一次性成井,根据基坑开挖程度布设深度为19m~22m;布设无砂疏干井的区域第一步开挖成井深度为10m,第二层开挖深度内主要的潜水含水层为(3)3层淤泥质黏土、(3)4层粉质黏土、(4)层粉质黏土、(5)层粉质黏土根据开挖情况疏干井管井深度分别为14m~17m。(2)疏干效果预估根据计算的疏干井数量,结合土层分布概况,预估疏干效果。预测计算中,考虑围护效果较理想的状态下可以忽略基坑内外的水力联系,参考工程地质手册,土层重力水给水度取0.03。计算单井有效面积内可疏干重力水水量为:Q=250(单井有效疏干面积)×15(有效疏干土层厚度)×0.03(重力水给水度)=112.5T。根据类似工程的工程经验,抽水前期(25天内)。根据以上疏干井流量变化趋势,估算本工程疏干井降水效果见表4。由表4可知,在坑内疏干降水时,为了保障15.0m以内土层的疏干效果,至少宜提前15天开启疏干降水井。对于基坑地板大面积处于(3)3黏土、淤泥质黏土中,本次工程降水设计中疏干井滤管段均穿过该层且深于基坑底板5~6m,利于降落漏斗的有效形成以及该层水的疏干。4、降压井深度确定(1)降压井数量参考勘察报告,考虑J区(6)层、(7)2层理论上已被围护隔断基坑内外水力联系。在隔水边界的影响下,水力梯度较大,降水曲线较陡,降压井间距取约30.00m。参考类似工程,E区、I区降压井间距也取约30.00m。结合基坑形状,E区实际布设12口降压井。J区实际布设12口降压井,I区实际布设6口降压井。J区坑外布设12口观测井。(2)降压井深度根据本工程降水特点,坑内降压井深度根据下式确定:H=H1+h+JL+l1+l2+s2式中:H是降压井深度,(m);H1是基坑开挖深度,(m);h是基坑开挖面至滤料顶面之间的距离,(m);J是水力梯度;L是相邻降水井之间水平距离的1/2,或降水井至基坑边水平距离,(m);l1是过滤器最小工作长度,(m);l2是沉淀管长度,(m);s2是井的水头损失(井损)。E、L区:基坑开挖深度H1为16.05m;h取7.00m;根据E、L区水位降深,J取约1/10,L约15.00m;根据经验,砂质粉土及粉砂层中,l1取约6.00m;l2一般取1.00m;井损s2取约6.00m。则H=16.05+7.00+15.00×1/10+6.00+1.00+6.00=37.55m。实际设计E、L区降压井深度为38.00m。J区:基坑开挖深度H1为23.10m;h取1.00m;根据J区水位降深,J取约1/7,相邻降水井间距约15.00m;根据经验,砂质粉土及粉砂层中,l1取约6.00m;l2一般取1.00m;井损s2取约6.00m。则H=23.10+1.00+15.00×1/7+6.00+1.00+6.00=39.3m。实际设计J区降压井深度为40.00m。四、减压降水三维值分析1、计算区域边界外扩在进行数值模拟计算分析时,为了消除边界对模拟结果的影响,应将计算区域边界外扩一定范围。根据前期的抽水试验报告,计算降压井影响半径约为443.0m,本次模拟计算取边界外扩约500m,实际计算区域约为1273m×1000m。2、计算模型的建立按照计算的平面范围、地层概化以及初始条件、边界条件,同时考虑抽水井、观测井、帷幕在离散模型中的空间位置,对计算区域进行离散,建立三维计算数值模型。其中,根据抽水井滤管位置及帷幕深度进行了分层。在网格剖分中,对计算区域进行了局部加密。3、坑内水位最小降深(1)E区预测降深云图根据初步降水设计,E区开启坑内10口降压井(2口作为降压备用兼观测井),进行降水预测。E区开启坑内10口降压井(2口作为降压备用兼观测井),坑内水位最小降深约在2.8m,可以满足基坑降水的需求。(2)J区预测降深云图根据初步降水设计,J区开启坑内10口降压井(2口作为降压备用兼观测井),进行降水预测。由图9可知,J区开启坑内10口降压井(2口作为降压备用兼观测井),坑内水位最小降深约在14.4m,可以满足基坑降水的需求。(3)L区预测降深云图根据初步降水设计,L区开启坑内5口降压井(1口作为降压备用兼观测井),进行降水预测。L区开启坑内5口降压井(1口作为降压备用兼观测井),坑内水位最小降深约在2.80m,可以满足基坑降水的需求。五、降水设计结果与分析1、大面积基坑降水时候可以降其划分