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常州地铁深基坑承压水减压降水对周围环境影响及控制措施研究

赵宇豪  
【摘要】:地下水是轨道交通、地下工程建设的重要风险源,随着国内地铁工程建设的快速发展,地铁基坑深度与规模不断扩大,地下水尤其是承压水的控制已成为地铁工程建设过程中的关键。常州地铁基坑建设所涉及到的地层大多包含潜水含水层和多个承压含水层,由地下水引发的安全风险较高。本文以常州地铁典型基坑降水工程及抽水试验为依托,对常州地区水文地质及承压水分布特征、区域应力历史、基坑减压降水的环境影响以及控制措施等进行了系统分析,主要研究成果如下:(1)对常州地区水文地质条件、地质分层特点等开展系统调研,总结分析了常州地铁车站抽水试验结果与水文参数。常州地铁车站抽水试验目标含水层第(5)层及第(8)_2层渗透系数平均值分别为2.79E-03cm/s及2.75E-03cm/s,均为中等透水性。在常州两个典型基坑工程场地分别进行无止水帷幕与悬挂式止水帷幕的抽水试验,计算了第Ⅰ_1层承压层的水文参数,结果表明止水帷幕对地下水的阻隔作用明显,无止水帷幕时平均出水量228m~3/d,影响半径156.2m,最大地表沉降7.2mm;相似降深时采用悬挂式止水帷幕的平均出水量及影响半径为32m~3/d及90.1m,最大坑外沉降1.98mm,相比前者明显减小。(2)基于抽水试验观测及数值模拟,对比分析了基坑降水诱发地面沉降的预测方法,包括分层总和法、有限单元法、考虑应力历史影响的沉降计算方法等。结果表明,常州地区地下30m以内广泛分布超固结比在1-12之间的超固结土,对基坑工程降水沉降预测影响较大;分层总和法计算沉降误差极大,超过200%,而考虑应力历史影响的沉降计算方法误差约为45%,计算准确度相对更高,可以应用这种方法对常州地区大降深基坑降水引起的周围地表沉降量进行估算;有限单元法计算结果与抽水试验沉降监测值拟合程度较高,误差为20%左右,当需要对基坑降水引发的周围环境影响精细化计算分析时,可作为一种可靠工具和预测手段。(3)基于水文地质结构类型将常州地区地铁车站基坑划分为五类,并分别选取典型车站进行数值模拟,预测分析不同设计情况下基坑降水的环境影响规律。研究结果表明:含水层结构简单、厚度较小的基坑类型,如第一类基坑降水造成坑外最大地表沉降及水位降深为3.2mm与0.62m,这些类型基坑降水对环境影响不大且易于控制;含水层结构复杂、层间相互连通、层厚较大的基坑类型,如第五类基坑降水造成坑外最大地表沉降及水位降深为16.4mm与2.38m,这些类型基坑承压水减压降水对环境影响较大,需采取保守的降水设计与严格的控制措施。(4)统计了常州地铁车站止水帷幕设计情况,并以最典型的第二类基坑——博爱路站为例,针对不同基坑降水设计因素对降水效果及环境影响进行分析,探讨了不同止水帷幕插入深度时基坑降水对周围环境的影响、不同降水井布置位置对基坑降水效果的影响。结果表明:常州地铁超过70%的车站基坑止水帷幕将Ⅰ_2承压含水层完全隔断,整体设计偏保守;随着止水帷幕插入承压含水层深度增加,基坑降水的影响范围不断减小,止水帷幕插入Ⅰ_2承压含水层深度为25%、50%、75%及100%时,坑外最大地表沉降分别为50.2mm、36.5mm、17.1mm及9.2mm,因此在止水帷幕设计时可不必完全将Ⅰ_2承压层隔断,具体设计深度需根据基坑周边环境保护要求而定;对于降水井的位置,坑内降水时坑外最大地表沉降为8.35mm,坑外降水时最大地表沉降为28.9mm,相同条件下坑内降水抽水量要比坑外降水小,对坑外因降水引起的环境影响小,是大多数基坑降水的首选方案。(5)对常州地铁车站的五种典型类型基坑进行了止水帷幕的形式及其与承压含水层位置关系的优化设计研究,提出了每种类型基坑的止水帷幕设计建议及基坑降水的环境控制措施。


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