文摘

本文报道了在砂卵石地层深基坑降水方案。挖掘在高渗透性地层和靠近黄河,使脱水困难的施工。目前,很少有研究者专门研究了降水方案,深度挖掘强透水地层在水源附近。现场抽水试验是在开挖前进行的活动,和地层的渗透系数是通过逆向分析。根据项目的特点,脱水方案” 提出了“。垂直防水帷幕和基础灌浆的影响在脱水被数值模拟分析。在施工过程中,现场水位和地面沉降测量。结果表明,(1)地下水位与渗透系数曲线显示了三个不同阶段,(2)脱水方案” “是有效的在强透水地层深基坑。

1。介绍

许多深挖掘或通风井的设计和建造轨道交通项目,电力隧道和输水隧道(1- - - - - -3]。基坑工程地下水位以下的建设需要低水位以下开挖的脸,所以脱水方案是至关重要的。有效的排水措施是为了防止隆起和失败的基础,避免流沙和管道,提高稳定性和保持开挖面干(4]。然而,脱水工作将不可避免地导致地面沉降。理想情况是获取所需的压降与注入水的体积至少减少对周围环境的不利影响(5,6]。

有两种常见的脱水方法对基坑工程,一个只使用抽水井,另一方法是抽油井的相互协作和防水帷幕。抽油井的方法释放大量的地下水,形成降落漏斗。周围的地面沉降也会严重,这将损害相邻建筑物的安全。因此,抽水井和防水帷幕被广泛使用,因为它对环境的影响较小。挖掘坑,因为可以使用连续墙作为支护结构和良好的防水窗帘,防水帷幕的相互协作和抽水井经常用于脱水(7- - - - - -9]。

许多研究者研究了脱水的深度挖掘。刘等人。10)提出了基坑工程流入预测公式的部分穿透窗帘效果含水层。其他研究人员(11- - - - - -13)集中在连续墙的变形机制和地面沉降引起的脱水。曾庆红et al。(14和曾庆红et al。15]调查preexcavation脱水引起的地面沉降。

在基坑降水,除了抽油井和防渗墙,水平障碍也被使用。基础灌浆进行了基坑降水的福州地铁2号线(16),中国,但没有进一步分析基础灌浆。都灵和饰演17]报道案例,设计了一种灌浆层以减少进水量从开挖的底部,和工作主要集中在灌浆质量控制活动。它可以看到从上面的做法,把水平障碍有利于脱水工作在复杂地质条件下开挖。

过去,难得遇到一个基坑的流动三个特点包括大开挖深度、距离的一条河,和高渗透性砂卵石地层。然而,在兰州城市大学之间的通风井的脱水站和南沈国安桥站兰州地铁1号线,甘肃普罗旺斯,中国遇到了所有这三个特点。轴的深度可以达到45.1米,和黄河堤防之间的水平距离和轴中心仅105米。

采用数值模拟方法和实地观察。基础灌浆和防水帷幕脱水的影响被数值模拟分析。然后,提出了脱水方案” ”是模拟。地下水位和地面沉降测量,组装数据验证了数值模拟的结果。

2。项目背景

2.1。轴的位置

兰州位于黄河上游的泛滥平原。兰州地铁1号线盾构隧道的无聊在床下面的黄河兰州城市大学之间的约317站和南沈国安桥站。一个通风井是必要的黄河北岸的盾构机接收和通风。考虑隧道的深度及现场条件,轴的深度可以达到45.1米,和黄河堤防之间的水平距离和轴中心仅105米。轴的位置如图1。

2.2。地质和水文地质

2.2.1。地质条件

地质和水文条件中起决定性作用的设计排水方案。岩土工程的调查显示,当地第四纪地层,包括1 - 1杂填2 - 1黄土土壤,2 - 6中粒砂,2 - 10卵石,3-11卵石,如图2。中粒砂只有零星分布。卵石2 - 10的厚度从5.7米到15.5米不等,和卵石3 - 10是200米至300米不等。因此,2 - 10卵石和3-11卵石主要是考虑在这个项目的大厚度。

一系列的实地测试(例如,抽水试验,现场剪切试验,见图3和动力触探试验)和实验室测试(例如,粒度分析和剪切试验)。均匀系数( )2 - 10的卵石和3-11卵石是159.04和19.34,分别和曲率系数( )分别是131.67和14.64。粒度大于20 mm占2 - 10卵石的63.5%,为3—11,价值的卵石是64.53%。图4显示了3-11卵石层。地层的建议属性参数如表所示1。

2.2.2。水文地质

地下水主要发生在2 - 10卵石地层和3-11卵石层,属于地下水水位约-9.6米,这是略高于黄河的水位。含水层之间的水力联系2 - 10和含水层3-11很好。没有发现承压水。

两组单井进行现场抽水试验获得的水文地质参数。在每一组中,注入测试大型撤军,中等撤军,和小撤军。四井相同的直径和深度都安排在每组中,一个担任抽水井,和其他三个作为观测井。根据现场抽水试验,含水层的成分分析,和地区工程经验,确定每层的平均渗透系数,如表所示1。

岩土介质各向异性的渗透系数是直接很难获得,特别是在复杂的地质条件。现场抽水试验结合逆分析可以解决这个问题(5,8,18,19]。Group-well轴进行抽水试验,为水文参数和逆分析是由Visual Modflow,地下水流动模型三维有限差分软件。

2 - 10卵石的渗透系数和3-11卵石如表所示2。它表明,水平渗透系数( )大于垂直渗透系数( )。

2.3。的挑战

总之,轴的建设呈现几个特点,包括含水层渗透性高,大深度和距离黄河。它带来了一些挑战:(1)脱水是困难的。由于高渗透系数和渗流,可以减少不确定性,水位只安全等级的抽水井和垂直防水帷幕(2)厚,砂卵石地层,防渗墙是容易出现缺陷,导致泄漏(3)施工安全风险很高。由于高水位和强透水含水层,坑内的水位会上升迅速,一旦脱水系统失败,导致严重的后果

2.4。初步脱水方案

2.4.1。屏障的影响防水帷幕

连续墙被广泛用于脱水。在厚含水层,防渗墙不能穿透的弱透水层(8]。因此,通过地下水流入基坑连续墙的底部(8,11,20.]。防渗墙的原则可用于脱水是其对渗流屏障的影响。它改变了地下水的渗流方向和渗流路径(21,22]。(1)渗流方向:抽水井的地下水流入水平没有防渗墙等障碍。当泵与障碍的情况下,进行三维地下水流动,两个水平渗流和垂直渗流存在同时[21,22]。垂直渗流消耗更多的能量,并产生较大的压降比水平的垂直渗透系数小于水平导电率(8](2)渗流路径:坑外的水需要绕过障碍流入油井的底部的一个障碍的存在。这意味着障碍延长渗流路径使得渗流时间也增加了。在泵的初始阶段,在基坑地下水排放主要来自。地下水头坑外的一段时间后开始下降,因为扩展的渗流路径(21,22]

2.4.2。轴的概述

轴的几何形状与大小的矩形平面上 (见图5),轴的深度为45.1米。黄河堤防之间的水平距离和轴中心仅105米。

鉴于防渗墙的广泛使用和抽水井,以及一些成功案例的基础灌浆、排水方案的“ 提出了“。

考虑排水设计和基坑支护设计,轴分为5层,命名为F1 F5从上到下,如图6。轴是组成的主要结构(包括侧墙、楼板、梁和柱),内防渗墙(内部防水帷幕)和外防渗墙(外防水帷幕)(见图6)。主要结构是由钢筋混凝土。C40的内在防渗墙是(它的杨氏模量 )钢筋混凝土厚度为1.2米和60.1米的深度。外素混凝土连续墙厚0.8米,深51.1米。Sleeve-valve-pipe灌浆(基础灌浆)中实现一系列10米以下改善底部地层属性。

为了确保安全盾无聊,一边灌浆加固范围的盾之间传递区域外防水窗帘和窗帘内防水在32.15米到50.15米的深度,如图6。

空间被划分为三个部分由两个防水窗帘,如图5。内部防水帷幕是区域内的空间,空间内防水帷幕和外防水帷幕之间的区域二世和第三空间外防水帷幕外区域。

2.4.3。撤军的要求

极限平衡方法假定突水时不发生上覆土的重力大于水压力系数,表示为(9,23] 在哪里安全系数,开挖深度(米),是承压含水层的水头(m),屋顶是承压含水层的深度(米)是土壤的容重基坑底部和承压含水层之间的屋顶,21 kN / m的价值³在这里,基础灌浆区域的单位重量,价值25 kN / m³在这篇文章中。

公式(1)是用于获得所需要的安全水位7个不同开挖深度(挖掘深度:10米,20米,30米,31.2米,35米、40 m和45.1米)。开挖深度和安全饮用水的比较表是表3在安全系数 。轴的极限开挖深度为31.2米。因此,开挖深度小于31.2 m时,泵轴内的盛行使开挖面干燥。当开挖面低于-31.2米,抽水井内外轴应该一起工作。

2.4.4。抽水井的布局

这是初步设计安排9抽水井(W1 W9,其中W5的观察,也由O1)在我6抽水井(W10 W15)在第二区域中,和52抽水井(W16 W67,其中W47、W53 W59,和W65观测井,也代表了O2 O5,分别)在区域三世。图7显示了抽水井的布局。抽水井的细节如表所示4。井的深度区域我55米,直径650毫米和滤波器长度15米。6井区域二世是60米深,是钢管井。水泥与深度60米,直径800毫米,和一个过滤器长度三世采用30米的区域。

3所示。数值模拟

计划的可行性脱水方案需要检查。本节主要关注三个问题:(i)垂直防水帷幕脱水的影响,(2)基础灌浆对脱水的影响,和(3)的数值模拟,提出了脱水方案” 。”

3.1。渗流机理分析

公式(2)[4,9是三维瞬变流动控制方程的各向异性多孔介质。这也是本文中使用的本构模型。在Visual Modflow中,数值模拟模型可以得到离散化的数学模型与有限差分法。 在哪里 , ,和的水力传导率吗 , ,和方向(cm / s);水位的位置( , , )(m);是特定的存储率位置( )(m¹); , ,和边界是单位法向量沿着 , ,和分别为方向;地下水的补给和排泄(d¹);是时候(h); 第一和第二类型的边界条件,分别;是单位面积上的侧向补给边界(m³/ d); 是初始水位的位置( )(m);和计算域。

3.2。垂直防水帷幕的影响

3.2.1之上。分析案例

四个分析病例组分析防水帷幕基坑排水的影响,如表所示5。没有防水帷幕在案例1中,内部防水窗帘是2,和内部和外部防水窗帘,以防3。从例1例3中,所有67抽水井工作。4,基础灌浆和两个防水窗帘,基础灌浆区域的渗透系数 ,和52抽水井坑外和3区我都打开。每种情况下的仿真时间是10天。

3.2.2。三维渗流模型

考虑到脱水的影响范围,模型的大小决定 ,高度是150米。在Visual Modflow,分析类型是瞬变流动模拟。

边界条件的模拟是常数的头包的水位-10.0米。使用这条河的包来模拟黄河,其水位-10.0米。坐标原点位于轴表面的中心。防水帷幕被墙模拟软件包的渗透系数 (考虑到P8的防渗等级)。抽水井模拟的方案。根据现场抽水试验的结果,每个在我的抽运率和二区设置为100³/ h,而每个在区域三世的泵送率是150米³/小时。2 - 10卵石含水层和3-11卵石主要是考虑在模型中。含水层的水文参数测定结果显示现场抽水试验和逆分析和仿真中使用的值如表所示6。

情况下的模型,如图48,图9介绍了防渗墙和抽水井的模型。它被划分为8层垂直。水平轴中心的网格变得稀疏外,共有214行和214列。有限差分网格的共有416025个节点和366368个元素。

3.2.3。结果

图10显示了抑郁症的圆锥曲线在每种情况下。抑郁症的圆锥曲线变得陡峭在黄河附近,离黄河相对平坦。

在案例1中,抑郁症的圆锥曲线是光滑的,和水位面积减少到-35.0。在例2例4中,地下水位是-46.9米,-51.0米,-53.3米,分别。

区域地下水位的我:在案例1中,地下水位不能降低坑的底部,和例2例4中的水位低于坑的底部。例3中的撤军是11.1%以上,2。撤军,以防4 17.3%以上,对于2。撤军,以防4大于5.6%,对于3,虽然抽水井的数量在4只有82.1%,在案件3。

水位在区域2:黄河,例1例4的水位为-33.9米,-29.2米,-34.2米,-43.6米,分别。显然,例1和例2可以满足安全要求。例3可以满足需求和案例4可以满足要求。例4的撤军比情况3的1.39倍。

以上分析占基础灌浆的协同工作和两个垂直防水窗帘形成一个相对不透水的空间和隔离液压连接内部和外部的轴。

3.3。基础灌浆的影响

3.3.1。分析案例

注浆是一种有效的方法来阻止水在地下工程24]。灌浆加固软弱地层改善力学性能(压缩模量、凝聚力、摩擦角和渗透系数)的钢筋面积。一些mesotable研究等文献[25,26)涉及浆的扩散机制,并试图通过数值方法模拟它。然而,参数的确定是复杂的,其在实践中适用性需要改进。

本文从宏观的角度被认为是灌浆效果。渗透系数设置在基础灌浆区域反映的加固效果模拟。在每个分析情况下,两个防水窗帘;的渗透系数的差异基础灌浆区和抽水井的数量操作。渗透系数的基础灌浆区域,有10个不同的值( , , , , , , , , ,和 )。抽水井,所有52井地区III和6井区域二世在操作在每种情况下,和我不同的抽水井数量从1到9。共有53例模拟分析。仿真时间是30天。

是瞬变流动使用的本构模型。模型的大小 。它被划分为8层,214行和214列共有416025个节点和366368个元素。定水头边界条件的模拟了恒头包的水位-10.0米。黄河被河流模拟方案的水位-10.0米。防水帷幕被墙模拟软件包的渗透系数 。抽水井模拟的方案。每个操作的泵送率在我和地区二世被设置为100³/ h在第三区域抽水率为150³/小时。不起作用的泵送率设置为0 m³/小时。含水层的水文参数如表所示6。

3.3.2。结果

地下水位区域如图11。从斜坡的角度来看,地下水位与渗透系数曲线显示了三个不同的阶段。

第一阶段:当渗透系数大于 ,曲线几乎是平线。在这个阶段,渗透系数的减少,地下水位缓慢下降。根据不同的曲线,水位下降的地区我主要是受到我抽水井的数量区域。

阶段2:曲线的曲率变化迅速。渗透系数之间 和 在这个阶段。与渗透系数的减少,地下水位的下降速率加快。

阶段3:水位显示了大型污水线性下降的趋势。当渗透系数小于 ,地下水位降低线性渗透系数的减小。

脱水结果密切相关的渗透系数灌浆区域。一个大的渗透系数对脱水并没有明显的影响。小渗透系数显著好处脱水工作,而很难实现。因此,灌浆区域的渗透系数应控制在第三阶段。对于这个项目,推荐系数 。

3.4。模拟的降水方案

在部分3.2和3.3,垂直防水帷幕和基础灌浆对脱水的影响进行了分析,但脱水的过程是不考虑。根据分析部分2.4。3,所需的撤军是不同的在不同开挖深度。因此,在实际的开挖过程中,脱水也应该打开几个阶段根据开挖深度。在这部分中,提出了脱水方案” “模拟。

3.4.1。模拟过程

仿真在9个阶段,进行表所示7。仿真过程如下:在阶段1中,泵不是因为地下水位进行约-10。在阶段2中,打开2井地区。在第三阶段,打开4井区域即第四阶段是打开6井区域。此后,渗透系数的基础灌浆区域设置 。然后打开1在地区,6井在第二区域中,在区域和4口井三世进行第五阶段分析。在舞台上6,第三区域的油井数量是12。在第七阶段,第三区域的油井数量是20。在舞台上8中,40井在第三区域的操作。在舞台上9中,52井在第三区域工作。

是瞬变流动使用的本构模型。模型的大小 被划分为8层,214行和214列共有416025个节点和366368个元素。边界条件的模拟是常数的头包的水位-10.0米。黄河被河流模拟方案的水位-10.0米。防水窗帘被墙模拟软件包的渗透系数 。每个操作的泵送率在我和地区二世被设置为100³/ h在第三区域抽水率为150³/小时。不起作用的泵送率是0 m³/小时。含水层的水文参数如表所示6。基础灌浆区域的渗透系数 。

3.4.2。结果

不同阶段的水位表所示7。从第一阶段到第四阶段,没有灌浆,底部和抽水井我不同从0到6。地下水位在区域中我从-10.0下降到-32.5,在第二区域地下水位变化不大。这表明抽水井的区域我不能有效降低地下水位在第二区域中当没有灌浆。由于临界开挖深度是31.2米,泵的目的是降低地下水位区域我确保开挖的干燥的脸。根据仿真结果的水位,可以获得每个阶段的挖掘深度。可以发掘和F1 F3在阶段1阶段4,表所示7。

基础灌浆后,水位在区域之间保持-54.2米和-54.8米从第五阶段阶段9。抽水井的数量在第三区域从4个增加至52岁,水位变化不大,而在第二区域地下水位下降从-17.4米到-34.2米。基础灌浆完成后,水平防水帷幕成立。只有一个需要抽水井坑内保持水位低于-54.2米。水位在第二区域的减少主要是由于增加的第三区域的油井数量。根据坑,在坑内的水位,F4和F5可以挖掘在阶段5阶段,如表所示7。

4所示。实地观察

的脱水方案” “使用,通风井完成。野外观测数据与仿真结果验证来验证三维模型的可靠性。

4.1。场脱水

以下4.4.1。挖掘策略

数值模拟的结果表明,初步设计排水方案” ”是有效的。它是用于轴的建设。提供了轴的概述部分2.4。2。图7显示了抽水井的布局。

轴是由逆转了施工方法。它在层使用力学被发掘。首先,内部隔水墙和窗帘外防水构造,和sleeve-valve-pipe灌浆方法用于灌浆。其次,preexcavation抽水试验是检查的可靠性进行脱水方案和防渗墙的质量。第三,它构造内防渗墙和盖梁顶部的水平钢筋混凝土支撑梁的主要结构。然后,轴被发掘从F1到F5一个接一个;每层的建筑序列挖掘每层的底部,应用水平支撑梁和混凝土的同一层的侧壁。在F3的开挖层、基础灌浆,和目标渗透系数 。在收到的盾构机、楼板的施工进行了从F5 F1。最后,地面被恢复。

在基坑工程中,通常需要降低水位0.5米以下开挖的脸。因此,本文把水位0.5米以下开挖地下水位控制标准。

为了减少排水对环境的影响,上演了脱水的策略是实现根据不同开挖深度指的开挖阶段表7。最初的10米,开挖期间不需要抽油井。在F1的剩余部分的开挖,打开2井与挖掘的深入,区域即抽水井的数量逐渐增加根据网站的实际情况。

4.1.2。Preexcavation抽水试验

preexcavation泵测试是一种有效的方法来检查排水方案的可靠性和防渗墙的质量27]。因此,preexcavation抽水试验是防渗墙施工后进行的。

只有5抽水井建立了在我和19个地区三世preexcavation抽水试验(每个是用红色标注的图7,其中W5, W24 W38, W59作为观测井)。抽水试验期间,4抽水井区域我在操作试运营2天,然后,所有20抽水井都打开。停泵后观测井的水位是稳定的。地下水位测量的井O1和O4如图12。

逆分析是由Visual Modflow基于preexcavation抽水试验的结果,和反分析结果的O1和O4如图12。含水层的渗透系数2 - 10和含水层3-11得到准确。垂直渗透系数( )和水平渗透系数( )含水层2 - 11的 和 ,分别。含水层3-11,是 和是 。鉴于防渗墙preexcavation之前已经完成测试,连续墙的影响也考虑反分析。连续墙的存在两个逆分析的结果(其他逆分析部分2.2)不同的最大差异为4.92%。它可以解释说,使用的参数建模足够精确。泵测试验证防渗墙的质量很好。

4.1.3。灌浆参数

灌浆将直接影响脱水效果。采用劈裂灌浆法的基础灌浆。PVC sleeve-valve-pipe使用直径65毫米。安排了灌浆钻孔等边三角形间距为1.2米。目标每个灌浆孔的扩散半径为0.8 m,如图13。灌浆材料上3 m的普通硅酸盐水泥基灌浆区域,和水灰比控制在0.8:1和1:1。低7米的灌浆材料是混合浆由普通硅酸盐水泥和水玻璃体积比为1:0.8。灌浆压力是2到3 MPa。

4.2。水位观测

地下水位的观测(观察点WT1 WT7图所示14从2015年6月26日)开始,4月24日,2016年,持续304天(2]。地下水位与时间曲线绘制,比如图中所示15。

从6月26日开始,2015年,所有抽水井投入试运营了13天。从13日到第97天,F1和F2被发掘。在这个阶段,根据开挖进展,抽水井区域我一步一步打开,确保水位在坑开挖面以下0.5米以外。面积II和III的撤军是非常弱的,和每一个观测孔的水位差(WT1 WT6)是非常小的。可以解释,基坑内的地下水排放主要来自在这个阶段。

F3的开挖期间,为了防止侵入,有些井坑外打开,和地下水位观测井WT1 WT4降至-15米。水位在第二区域中改变了约2.7。水位在区域我降至约-36.2。

从138天到230天,F4和F5被发掘。在此期间,所有6井区域二世在操作和抽水井的数量在几个阶段的第三区域逐渐增加。因此,地下水位在第三区域逐渐减少到-36在第二区域地下水位迅速下降到约-35。我是-46.1米的水位区域。轴的底部构造后,注入井的数量减少两个阶段,直到水位表恢复正常。此外,在施工期间,没有发现明显的泄漏的防水帷幕。

4.3。地面沉降观测

测量地面沉降从6月26日开始,2015年,持续340天。观察点如图14。解决与时间曲线如图16。

从图可以看出16地面沉降脱水过程密切相关。建设来看,最大沉降是-6.56厘米,是可以接受的。

大部分的解决发生在第一天到第138天,开挖期间,F1 F3。根据GS09-5,解决发生在F1的挖掘F3占88.4%的最大的定居点。可能有两个原因。首先,上部结构不稳定在此期间;降水和开挖卸荷的影响会导致较大的地面沉降。第二,基础灌浆期间F3的挖掘,和上部结构逐渐稳定。基础灌浆区、防渗墙、横向支撑梁形成了一个支持系统相结合,结构刚度增加,导致以下开挖引起小的定居点。

开挖期间F4 F5,地面沉降逐渐稳定。凝固后的底部轴,地面沉降略有提高由于地下水位的复苏。

5。验证

由于地面沉降是不被认为是在数值模拟,验证是地下水的主要参数表。测量水位与截面数值结果相比较3.4。2,如图17。

在F1的挖掘,减少数值模拟获得的8.4米,测量压降在我大约10 m,这表明仿真结果小于16%的测量结果。在地区撤军,我的模拟结果低12.3%比测量在F2的挖掘。

F3的开挖期间,在第二区域地下水位下降到-12.5米,2.5米比仿真结果。在地区撤军,我14.1%的模拟结果比测量结果。

在F4的挖掘,水位为-46.1米,而数值结果是-54.2米。地下水位在面积二世是-35 m,而模拟的结果是-20.1。

F5开挖期间,撤军是36.1米,而数值结果是44.8米。测量从地区撤军II约26米,而模拟的结果是24.2 m,只有6.9%的差别。

总而言之,测量结果与数值结果吻合较好,在F1的开挖F3和F5。的区别主要体现在F4的挖掘。这是因为为了确保项目的安全,在第三区域增加抽水井F4的挖掘。因此,数值模拟是可靠的。

6。结论

本文采用数值模拟的方法分析了降水方案。项目的成功实施,验证了脱水的可靠性分析。得到了以下结论:(1)地下水位与渗透系数曲线显示了三个不同的阶段。灌浆区域的渗透系数建议控制在第三阶段。对于这个项目,推荐的值 (2)内部防水帷幕的设计和外部防水帷幕导致大量减少。当两个防水窗帘,撤军大于11.1%,对于一个防水帷幕(3)的脱水方案” “是有效的在强透水地层深基坑

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢金融支持中铁第一勘察设计院集团有限公司,有限公司和兰州轨道交通有限公司(批准号13 - 17)。由于是由于中铁第一勘察设计院集团有限公司,有限公司和中国铁路14工程集团有限公司有限公司提供巨大的援助领域水位观测和地面沉降观测。