武汉长江隧道江北竖井深基坑降水方案研究

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摘要：文章以武汉长江隧道江北竖收井深基坑降水工程为例，分析了其降水设计方法及施工工艺，在此基础上对深基坑坑内降水井的设计和施工提出了几点建议。

关键词：武汉长江隧道；盾构井；深基坑；降水设计

中图分类号：U231文献标识码：A文章编号：1009-2374（2009）11-0156-03

一、工程概况

武汉长江隧道工程位于武汉长江一桥、二桥之间，是一条沟通内环线以内汉口和武昌中心区的重要过江通道。隧道设计车速50km/h，双向车道，每车道宽3.75m，其主要施工方法为盾构法。隧道在盾构段的两端各设一处盾构工作井，其中江南竖井段位于武汉理工大学（三层楼小区）足球厂内，目前已施工完毕；汉口盾构接收井位于鲁兹故居左侧，平和打包厂的右侧，里程为RK2+710.3～RK2+741.2，地面标高25.45m，开挖深度21.555m。基坑围护分段采用800mm地下连续墙+内支撑，墙深为35.5m。

二、工程地质及水文地质条件

（一）工程地质条件

依据勘察报告，场区地层分布情况如下：

①人工填土层：该层在两岸沿线普遍分布，层厚1.80～5.60m；②1黏土：光泽反应光滑，韧性高，呈饱和、可塑状，厚度1.90～6.50m；②2粉质黏土：软塑状，主要分布于长江一级阶地；②3粉土：主要以透镜体分布于②1、②2层之中，呈饱和、中密状态，厚度0.50～3.0m；②4粉质黏土：灰～褐灰色，夹有约10～20%粉土、粉砂薄层，具水平层理，软塑状，厚1.00～6.30m。②5淤泥质粉质黏土：灰～灰褐色，含1～2%有机质饱和、流塑状，厚度2.10m；②6粉土：灰～灰黄色，夹薄层粉质黏土及粉砂，韧性低，呈饱和、中密状态，为粉质黏土～粉细砂的过渡层，厚度0.50～1.30m；③1粉细砂：呈饱和、中密～密实状态，厚度1.90～22.30m；③2中粗砂：灰色，含有机质及云母，呈饱和、中密～密实状态，厚8.60～14.80m；④卵石：呈饱和、密实状态，厚度1.20～1.90m；⑤志留系（Sf）泥质粉砂岩夹砂岩、页岩。

（二）水文地质条件

场地地下水按其赋存条件分为上层滞水和孔隙承压水两种类型，上层滞水主要赋存于填土层的孔隙之中，以大气降水、地表水及生产生活用水为主要补给来源，勘察期间测得上层滞水水位埋深变化在-0.55m～-2.8m；孔隙承压水主要赋存于粉细砂、中粗砂和卵石层之中，以上覆粉质黏土为相对隔水顶板，以志留系泥质砂岩岩层为其隔水底板，含水层厚度约38.0m，承压水与长江、汉江地表水具有一定的水力联系。根据非完整井抽水试验结果，承压含水层概化渗透系数为20.57m/d，影响半径169m。根据武汉临江场地资料，丰水期江水位高于承压水位，长江、汉江地表水系补给地下水，地表水由长江、汉江水系等流向孔隙承压含水层中；枯水期江水位低于承压水位，承压水补给江水，地下水向江水排泄。

三、基坑降水方案

上部粉土夹层中的地下水因滞后效应难以疏干，采取地下连续墙侧向止水帷幕对其阻隔，对于该场地地下承压水治理则采用深井降水方法。

1．基坑涌水量的估算。按稳定流承压环形非完整井考虑，采用大井法对基坑最大涌水量进行概算。计算公式：

式中：Q――基坑涌水量（m3/d）；

K――含水层渗透系数（综合取值18m/d）；

M――含水层厚度（取值30.0m）；

R――抽水影响半径（取值169m）；

S――基坑内承压水降深（取值20.90m，即承压水由初始值-1.60m降至-22.50m）；

r0――基坑折算半径（取值19.85m，盾构井基坑概化面积为1234m2）。

将上述参数代入公式|计算可得：

Q=31462m3/d=1311m3/h

2．降水井数量的确定。所需降水井的数量是根据基坑总涌水量与设计单井抽水量确定的。如果单井抽水量设计为50m3/h，则共需的井数为26口；如果单井抽水量设计为80m3/h，则共需的井数为16口。考虑到基坑面积较小，降水井点布置过多可能会对土方开挖及支撑施工造成影响，而且地下连续墙对侧向水流补给有一定阻渗作用，考虑采用50m3/h和80m3/h交错使用，总涌水量按衰减20%进行考虑，同时考虑20%的安全储备，则共需降水井21口。

以设计降深要求作为控制原则，采取在基坑内布置21口降水井、4口观测井，经验算，井距在5～11米左右。井位的实际布置情况详见图1。

3．降水井技术要求。降水井采用冲击式清水钻进成孔，具体满足以下技术要求：

（1）地面以下0～25m为实管，25～35m为滤水管。实管为壁厚3～4mm钢卷管，外径250mm，侧壁密封无孔隙，滤管为壁厚3～4mm钢卷管，外径250mm，侧壁钻孔，孔径16mm，孔距10cm，滤管外包缠12目钢丝网一层，60目尼龙网三层。

（2）井管与孔壁之间0～24m填黏土球，24～38m填滤料。黏土球为直径20～40mm，反滤料为直径2～3mm的绿豆砂。

（3）洗井充分，水位反映灵敏，单井涌水量不小于50m3/h，单井抽水含砂量初不超过1/100000。

4．对周围环境影响的评估。基坑开挖及降水后，承压水位降低将使周边土体产生附加荷载而导致相应的沉降，对周围建筑物及市政设施会构成不同程度的危害。因此，需对可能发生的危害程度做出正确的评估。估算因降水而引起的地面最大沉降量计算式：

式中：ΔSw――承压水水位下降引起的地面沉降量；

Ms――取经验数值0.3～0.9；

?啄wi――为承压水下降引起i层的附加应力（KPa）；

Δhi――为i层厚度（cm）；

Esi―为i层的压缩模量（MPa）。

把各分层土体参数：

Δh②2=250cm，Es②2=4.0MPa

Δh②3=50cm，Es②3=7.5MPa

Δh②1=530cm，Es②1=5.0MPa

Δh②4=600cm，Es②4=4.5MPa

Δh②6=70cm，Es②6=9.0MPa

Δh③1=200cm，Es③1=13.0MPa

Δh③2=200cm，Es③2=13.0MPa

及Ms=Ms1×Ms2代入上式得：ΔSw=4.1cm。

以上计算结果没有考虑上部土层垂直向水头分布的差异，也不考虑沉降量随时间的变化，同时也没有考虑地下连续墙体止水帷幕对坑内外水头差的影响，它仅为按弹性理论得到的最终固结沉降，这跟实际情况往往有较大出入。因为该地段黏性土层较厚，其垂直方向上渗透系数很小，地面沉降量随时间的增值比较缓慢。而在合理的降水设计和良好的施工质量的前提下，降水引起的地面沉降量一般小于预测计算值，且沉降比较均匀。但在深基坑开挖过程中，仍应根据挖土程序的需要及基坑的施工进度，合理调整抽水井开启数量，减小基坑周边水位降幅。

四、降水井施工

成井质量直接决定着抽水效果，必须严格控制成井施工质量，具体要求归纳为以下几点：

1．钻进成孔：钻机成井必须保持井孔正直，井身顶角偏斜不超过1°；扩孔直径应满足设计要求，最小不得小于450mm；成井深度应大于设计井深1～2m。