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为提高我国全民生活质量,让更多的人享受城市建设所取得的成果,各地积极加快推进城镇化进程的步伐,以湖北为例,“十二五”期间,湖北全省计划将300万农村人口转移至城镇,至2015年,湖北全省城镇人口总数将大于农村人口,城镇化率预计将超过52%。城镇化推进的同时,也使城市人口的数量迅速增长,车辆猛增,进而带来道路拥挤、环境污染和能源短缺等一系列问题。如何快速有效地缓解城市交通压力,已成为我国大中型城市乃至全世界各大城市所共同面临的一个难题。地下空间工程的不断发展进步,为这一难题的解决寻求了一条新的思路,那就是城市公共交通由地面向地下探索并取得成功,19世纪90年代后,大规模的地铁建设在我国大中城市兴起,地铁必将在今后城市公共交通中承担重要角色。
然而大规模修建地铁,必将会出现出大量的岩土工程问题。地铁站深基坑工程有其不同于其他建设工程基坑的特点,地铁站基坑均为典型的长条形基坑,车站宽约20m左右,长度可达几十甚至几百米,开挖深度大,两端头部位挖深一般近20m。在这种情况下,降水工程尤为显得重要,特别是在地下水位较高、渗透系数较大的武汉地区进行基坑开挖,地下水处理的合理与否直接关系着整个工程的进度和成败,降水+止水联合应用来控制基坑地下水的方法,早已成为广大工程界的共识。尤其是近年来,落底式止水帷幕的使用也逐渐兴起,然而设置了落底式止水帷幕,改变了基坑原渗流场的边界条件,现有基坑规范及应用于基坑降水设计的软件,均不能准确的建立包含止水帷幕的设计计算模式,往往仅凭设计者的经验将止水帷幕作为基坑降水安全储备,不能使降水工程既安全可靠,又经济合理。本文结合武汉市三个典型的存在落底式止水帷幕的深基坑工程,对其基坑降水设计计算方法做一探讨。
本文采用现场抽水试验、连通试验与理论分析相结合的手段,首先针对三个地铁站深基坑分别设计现场抽水试验和连通试验方案,并对比落底式止水帷幕建立前后现场试验所得流量、降深、时间、距离四者的关系。从分析现场试验成果数据出发,定义止水帷幕的止水系数,进而对落底式止水帷幕的止水效果作出评价,再根据评价结果提出基坑岩土体表观渗透系数的概念,在此基础上,定量地计算地下水透过止水帷幕向基坑内涌漏量;其次从渗流理论的发展过程出发,在讨论渗流连续方程和基本微分方程的基础上,运用GeoStudio系统软件中的SEEP/W模块,以积玉桥地铁站深基坑降水工程为例,建立数值模型,分别取渗透系数K和表观渗透系数K′作为参数,对落底式止水帷幕建立前后的两种现场试验工况进行基坑渗流场的二维非稳定渗流模拟,得到水头变化曲线,与实测水头对比,综合得到以下相关结论:
(1)一般来说,认为落底式止水帷幕底部落于不透水层或基岩上,忽略降雨和蒸发的影响,理想情况下,对于整个基坑来说,基坑内的地下水与基坑外的地下水之间的水力联系被落底式止水帷幕切断,基坑内的地下水由承压转为无压,同时没有补给来源,所以,基坑内的地下水可以在较短的时间内进行疏干。但从三个基坑的现场连通试验结果得出,实际情况中,由于止水帷幕的类型、施工工艺和施工质量的缺陷等因素,不可能使落底式止水帷幕做到滴水不漏,即便存在落底式止水帷幕,基坑内外的地下水还会存在一定水力联系。
(2)对比落底式止水帷幕建立前后现场试验结果,分析所得流量、降深、时间、距离四者的变化关系,通过定义落底式止水帷幕的综合止水系数λ,评价三地铁站基坑的止水效果:
东亭地铁站采用钻孔灌注桩加旋喷桩作为止水帷幕,桩底端均伸入基岩面以下一定深度,属完全落底式止水帷幕,定量计算的综合止水系数为0.634,总体止水效果中等;
积玉桥地铁站采用地下连续墙作为止水帷幕,墙底端嵌入基岩,形成了完全落底式止水帷幕,定量计算的综合止水系数为0.776,总体止水效果较好;
工业路地铁站采用地下连续墙作为止水帷幕,因地层基岩面起伏,有局部地段未完全伸入基岩一定深度,为基本落底式止水帷幕,故有大量地下水涌入基坑内,经定量计算,得到综合止水系数为0.376,总体止水效果较差。
(3)提出基坑岩土体表观渗透系数的概念,给出计算公式:K′=(1-λ)K,并计算得到东亭地铁站基坑含水层表观渗透系数K′=0.45m/d;积玉桥地铁站基坑含水层表观渗透系数K′=2.35m/d;工业路地铁站基坑含水层表观渗透系数K′=4.43m/d。
(4)利用计算得到的三地铁站深基坑表观渗透系数,定量地计算出地下水透过落底式止水帷幕向基坑内的涌漏量,东亭地铁站深基坑涌漏量Q=404.83m3/d,积玉桥地铁站深基坑涌漏量Q=4228.28m3/d,工业路地铁站深基坑涌漏量Q=16533.72m3/d。
(5)对积玉桥地铁站基坑建立二维渗流模型,分别取渗透系数K和表观渗透系数K′作为参数,模拟落底式止水帷幕建立前后两种试验工况下的水头变化曲线,与实测水头对比,结果基本吻合,证明了表观渗透系数概念的提出比较合理。
(6)分析渗流模拟结果还可得到,落底式止水帷幕建立后的基坑降水影响范围较建立前明显减小,在落底式止水帷幕建立前,渗流场中26m水头处距离抽水井为77.5m,而落底式止水帷幕建立后,渗流场中26m水头处距离抽水井为70.3m。