临江高水位涉京广线基坑工程地下水控制设计

摘要:为有效控制深基坑工程对邻近在运营京广铁路的影响,满足基坑施工对京广铁路路基附加变形＜10 mm的保护要求,除基坑支护体系变形控制外,在临江高水位地区,采用落底式止水帷幕结合坑内管井降水,尽可能减少基坑抽水对京广铁路的影响。以武汉市某临江高水位涉京广铁路线基坑工程为例,基坑采用TRD等厚度水泥土墙、深层搅拌桩止水帷幕落底结合中深管井按需降水措施,利用Midas GTS-NX进行数值模拟辅助计算,在实施过程中对基坑工程和涉京广铁路段进行了详尽的监测。结果表明:基坑临铁侧土体测斜最大值为8.88 mm,轨道水平位移最大值为-2.3 mm,轨道竖向位移最大值为-2.5 mm,路肩水平位移最大值为-2.4 mm,路肩竖向位移最大值为-2.7 mm,有效控制了京广铁路路基、轨道的变形沉降,基坑外水位实测降幅0.8～1.0 m,对京广铁路路基、轨道的影响可控,验证了基坑工程采取的地下水控制措施的有效性。

关键词:深基坑;京广铁路;临江高水位;数值模拟

▍0 引 言

随着城市建设的发展,高层建筑和大量的地下工程不断涌现,临近重要建构筑物的深基坑工程也越来越多。基坑施工引发周边地面沉降主要来自两大方面,一方面是基坑开挖引起的土体应力重分布,由于坑内土体开挖时的卸荷作用,基坑围护结构后方土体的水平位移和坑底回弹均会引起坑外土体损失,产生沉降;另一方面是基坑降水产生的差异沉降,地下水主要有两个作用,一是坑内外水头差在土体中产生强大的渗透力,对坑内土体起到抬升作用,对坑外土体起到压密作用,二是坑外水位降低造成土体有效应力增加,进而导致基坑外一定范围内土体固结沉降,引起地表沉降和裂缝。

针对基坑开挖和降水引发周边地面沉降问题,不少学者展开过相关研究。王保建等[5]根据4种围护结构变形模式建立了三维数值分析模型,采用Mohr-Coulomb模型对墙后地面沉降进行了数值模拟,得到了不同围护结构变形形式与基坑墙后土体沉降之间的关系曲线。宋建学等基于二维稳定渗流理论推导基坑工程井点降水引起的水位降低空间分布,根据有效应力原理建立地面沉降计算模型,并简化为分层总和法形式的计算公式。

目前在工程实践中,对基坑开挖引起的地面沉降和降水引起的地面沉降是一同监测,难以分析评价两种因素对地面沉降的单一贡献。本文采用数值模拟及分层总和法两阶段计算沉降值,以武汉市某临江高水位涉京广铁路线基坑工程为例,地下水控制设计方案采用TRD等厚度水泥土墙、深层搅拌桩等落底式止水帷幕结合中深管井降水,利用Midas GTS-NX模拟明挖基坑施工对铁路沉降影响,实际施工中采用分层开挖,按需降水等方式,基坑外水位实测降幅0.8～1.0 m,采用分层总和法评估了降水对铁路路基沉降影响,有效控制了京广铁路路基、轨道的变形沉降,确保了京广铁路正常运营。

▍1 工程实例

1.1工程概况

某工程位于武汉市武昌区,由8栋23～43F高层住宅及2层满铺地下室组成,基坑开挖面积约25 000 m2,周长约700 m,普挖深度9.0～9.8 m,局部电梯井范围开挖深度达11.5 m。

场地距离长江1.7 km,距离巡司河200 m,基坑东侧红线外20 m为在运营京广铁路,基坑西侧红线外20 m为居民小区,以6～7层建筑为主(天然地基),北侧为市政道路,南侧为自有场地。

该工程基坑开挖范围广、深度大,属大型深基坑工程,场地承压水头高,周边环境异常严峻,对地下水采取“止降结合”、“按需减压”的治理方案,尽可能降低基坑抽水对京广铁路的影响。

1.2工程地质及水文地质条件

(1)工程地质

根据勘察报告,场地平坦,标高约22.00 m,属于长江冲积一级阶地,场地主要地层有:第(1)单元层为填土层(Qml)及新近冲积粉砂层(Qal);第(2)单元层为第四系全新统冲积(Ql)砂层,第(3)单元层为第四系中更新统冲洪积(Ql+pl)黏土层,第(4)单元层为二叠系(P)灰岩层。各单元层因物理力学性质的差异又可分为不同的亚层,典型钻孔地质剖面如图1,土层参数如表1。

(2)水文地质

场地地下水分为“上层滞水”与“孔隙承压水”两种类型。“上层滞水”赋存于地表(1)单元层填土中,静止水位埋深在自然地面下0.5～1.6 m,主要接受大气降水和地表散水垂直下渗的补给,无统一自由水面,水位及水量随季节性大气降水及周边生活用水排放的影响而波动。“孔隙承压水”赋存于场地(2)砂层中,水量丰富,与所在地质区域内的地下水及长江、巡司河等地表水体有着密切的水力联系,其水位及水量随之变化,静止水位埋深在自然地面下3.7 m,水位年变化幅度在3.0～4.0 m。

▍2 深基坑支护设计

2.1围护结构设计

本工程基坑普挖深度9.0～9.8 m,东侧、西侧邻近重要建构筑物,需加强支护刚度,控制土体侧向变形,由于“单排桩+满堂内支撑”的支护方案,对土方开挖及主体结构施工进度影响较大,基坑支护主要采用“二对一”型式双排桩,场地填土下覆3 m为砂性土,在开挖过程中极易发生滑塌,故对临京广铁路侧双排桩桩间土加固,对阳角部位设置对撑、角部设置角撑等作为构造加强措施。支护桩设计参数见表2。

2.2地下水控制设计

基坑开挖深度范围内有约6 m厚粉砂层,透水性好,且场地第四系全新统冲积(Q4al)砂层厚度达30m,承压水头高。结合工程经验,地下水控制设计采取坑内管井疏干降水+外围落底式止水帷幕方式,设计计算承压水头18.5 m,拟将水头降至基坑底板下1m,设计水头降深6.5m,主楼电梯井坑中坑附近适当增加降水井数量,考虑群井抽水效应,电梯井处水头降深可达8.0m,结合坑中坑水泥土桩侧封、底封措施,满足了基坑普挖和局部电梯井的施工需求。

范围广、降深大的群井抽水对基坑周边环境有很大影响,尤其是在运营的京广铁路线区段,对变形沉降异常敏感,故在基坑东侧采用TRD落底式止水帷幕,其余侧采用三轴搅拌桩落底式止水帷幕,基坑支护平面布置如图2,止水帷幕设计参数如表3,支护结构剖面如图3。

8个局部电梯井坑中坑深度2.5m,为减少管井抽水量和防止电梯井深坑突涌,对电梯井坑中坑采用三轴搅拌桩五面封底,三轴搅拌桩先于工程桩施工。

采用“天汉”基坑支护设计软件进行降水计算,结合地区经验,坑内布设28口降水井,3口观测井兼作备用井,单井设计出水量1300m3/d,坑外平行于京广铁路沿线布设5口观测井,井深23 m。

2.3数值模拟

本工程基坑支护设计方案采用落底式止水帷幕隔水,理想状态下坑内抽水不会引起坑外水位变化,为辅助设计方案,本工程数值模拟暂不考虑坑内抽水对邻近在运营京广铁路的影响,采用Midas GTS-NX有限元软件,建立三维数值模型进行明挖基坑施工对既有京广铁路的影响分析。

▍3 变形控制标准

3.1基坑支护结构变形标准

根据湖北省地方标准《基坑工程技术规程》(DB42/T159—2012)相关规定,结合本基坑周边环境条件,基坑支护结构变形设计控制标准如表5。

3.2铁路变形标准

根据铁道行业标准《邻近铁路营业线施工安全监测技术规程》(TB 10314—2021)相关规定,京广铁路变形控制标准如表6。

▍4 监测成果

4.1基坑变形监测

本工程基坑施工中,对桩顶水平位移、周边沉降、深层水平位移等进行了监测。监测点布设完成后,在基坑开挖前测得初始值,根据开挖工况,及时采集监测数据。基坑临铁侧土体和支护桩深层水平位移曲线如图9,土体水平位移最大值为8.88 mm,支护桩水平位移最大值为8.87 mm,均位于地表下5～6 m处,满足基坑支护结构变形控制标准要求,两曲线变形趋势一致符合桩土耦合作用变形规律。

4.2地下水位监测

根据施工组织安排,本工程基坑由西向东分两阶段分区分层开挖,按需开启降水井,在距离场地以南250m处布设1口观测井,用于静水位观测。

第一阶段降水开挖基坑西侧区域,开启11口降水井,场地承压含水层静水位标高为18.0 m,坑内最低承压水头标高为12.0 m,降深为6.0 m,临铁侧坑外承压水头标高为17.2 m,降深为0.8 m,研究区4月14日承压含水层流场如图10;第二阶段降水开挖基坑东侧区域,开启8口降水井,场地承压含水层静水位标高为17.2 m,坑内最低承压水头标高为10.5 m,降深为6.7 m,临铁侧坑外承压水头标高为16.2 m,降深为1.0 m。

4.3铁路变形监测

施工前,对基坑东侧京广铁路段进行了竖向位移、水平位移和接触网立柱等监测点的布设并获取初始值,监测断面布置间距5m,9月22日基坑底板整体浇筑完毕,轨道水平位移累计变形量最大值为-2.3 mm,轨道竖向位移累计变形量最大值为-2.5 mm,路肩水平位移累计变形量最大值为-2.4 mm,路肩竖向位移累计变形量最大值为-2.7 mm,满足京广铁路变形控制标准要求。

▍5 结 论

(1)武汉市某临江高水位涉京广铁路线基坑工程主要采用TRD等厚度水泥土墙、深层搅拌桩止水帷幕落底结合中深管井降水,分层开挖、按需降水,坑内水位降深6～7 m,坑外实测水位降幅0.8～1.0 m,对京广铁路路基、轨道的影响可控,变形沉降值均在规程限值以内,确保了邻近京广铁路的正常运营,验证了基坑工程采取的地下水控制措施的有效性,可为临江高水位地区类似的基坑工程设计施工提供参考。

(2)利用Midas GTS-NX模拟明挖基坑施工引起铁路路基沉降与采用分层总和法估算降水引起铁路路基沉降数值相当,均为引起基坑周边地面沉降的主要因素,且总沉降实测数值并非二者简单相加。

(3)在既有铁路线边深大基坑的施工中,必须严格执行地下水控制设计要求,做到“浅井密布、按需降水、动态控制”,尽可能减少承压水位降深,有效控制铁路路基、轨道的沉降量,从而确保铁路线正常运行。