專利名稱：超大超深基坑精確沉降及環保施工方法
技術領域：
本發明涉及的是一種建筑工程技術領域的方法，具體是一種超大超深基坑精確沉 降及環保施工方法。
背景技術：
隨著長三角地區經濟持續增長，城市建設的步伐也加快，地面空間已遠遠不能滿 足現在大城市經濟發展的需求，越來越多的地下工程相繼出現。因此基坑工程也成為沿海 經濟發達城市建設的新熱點。越來越多的超大超深基坑出現在城市中，而各類基坑建造開 挖的深度已經直接進入到相應的承壓含水層中，以往被忽視的地下水環境問題終于成為無 法忽略的工程問題。同時，由于水環境的改變而引起的基坑周圍地面沉降也成為基坑設計 施工中環境保護問題的關鍵。特別是基坑抽取承壓水時引起的含水層的壓縮。傳統基坑擋 墻后的地表沉降預測方法主要有根據Heish或Clough提出的地表沉降分布形態結合開挖 深度估算的方法，或是peck的地層損失法。而在工程中主要采用強化圍護措施及優化抽水 方案的方法控制周圍地表沉降。甚至在地質條件較差的環境中，不惜采用地連墻全打穿承 壓含水層這種經濟性較差的設計方案以達到控制環境影響的目的。同時目前越來越多的超大超深基坑施工中，在基坑開挖時無法避免需要長時間抽 取含水砂層的承壓水。而目前對于含水砂層壓縮預測的方法一般為單向固結或是等向壓 縮的變形模式，這種方法的共同點是僅考慮了豎向應力引起的土體變形。但是根據Budhu 等 2009 ^ ￠: ((International journal for numerical and analytical methods in geomechanics))(國際巖土工程數值模擬與分析期刊)上發表的(“Mechanics of land subsidence due to groundwater pumpimg”)(由抽水引起的地層沉降機理分析)的研究表 明，當含水砂層中的水頭因為外部原因產生了較大的水力梯度，即有較大的水力梯度情況 下，必須采用對剪切，扭轉產生變形充分考慮的cosserat非平衡力學體系確定含水層壓縮 量。同時Khoei等2010年在《Computational Materials Science》(計算材料科學)上發表 的("3D finite element modeling of shear band localization via the micro-polar Cosserat continuum theory")(基于微極Cosserat連續理論的三維剪切帶定位研究) 中指出，傳統的柯西力學中不考慮微元體的尺寸，即在確定變形時只考慮等向固結，在剪應 力集中的區域進行應力變形模擬會出現較大的誤差，已不再適用。而Cosserat非平衡力 學體系，由于考慮了單位體的尺寸，在每個單元體上的應力都可以考慮非均勻分布狀態，從 而可以較好的模擬大剪應力條件下的應力應變狀況。而在超大超深基坑施工過程中，引起 地層變形的不僅是傳統的等向固結，壓縮應力，更有剪切、扭轉的產生。所以在超大超深基 坑施工中，僅僅采用傳統的沉降預測及控制方法，不僅無法準確判斷基坑周圍的地表沉降， 并且盲目采用超深連續墻全隔斷含水層的設計經濟效益會大大降低。2006年沈水龍等在 《Underground construction and ground movement》(地下工禾呈與地層移動)2006 年其月 377 384 頁上發表的("Analysis of settlement due to withdraw of groundwater around an unexcavated foundation pit”)(由抽水引起的非開挖基礎周圍沉降問題的研究)進一步提出工程中由于抽水導致的地表沉降問題非常嚴重。這些研究表明，目前迫切 需要一種針對超大超深基坑周圍沉降準確預測及經濟控制的方法。對現有的技術文獻檢索發現，《基坑工程手冊》(中國建筑工業出版社出版)對基 坑墻后沉降的預測及控制工法都做出了詳細的說明，并且通過實際工程的驗證證明是可靠 的。但是對于超大超深基坑，圍護結構未截斷相關承壓含水層且需要抽取承壓水時，并沒有 給出針對性的預測方法及根據沉降情況采用相應的應對措施這一系列的工法。所以必須在 此基礎上提出更有針對性的配套工法，以保證此類基坑施工過程中，周圍環境的保護。
發明內容
本發明針對現有技術存在的上述不足，提供一種超大超深基坑精確沉降及環保施 工方法，操作簡單，在準確預測沉降的同時，合理判斷選擇處理方法，從而達到控制周圍地 表沉降，保護環境的目的，是一種經濟的工法。本發明是通過以下技術方案實現的，本發明包括以下步驟步驟一，現場水文地質勘測，取土鉆孔，劃分土層，確定工程影響范圍內承壓含水 層的頂板及底板深度。同時查閱設計圖紙，確定基坑開挖及圍護結構的埋設設計深度，對比 前期水文地質勘測測得的承壓含水層頂板及底板深度，判斷隔水形式。當地連墻深度小于 承壓含水層底板深度，且施工過程中需要長期抽取該層地下水時，則繼續下一步驟。步驟二，現場選址，根據各工地施工現成的實際情況在基坑周圍選擇適當的位置 建造回灌中轉池，回灌中轉池的尺寸也根據現場情況選擇，儲水量大于等于抽水井2小時 的抽水量。步驟三，沿基坑的周邊布置承壓水水位觀測井，距基坑止水帷幕5-10m的距離，同 時每個監測點間距為30 50米，水位觀測管的管底埋置深度在最低設計水位或最低允許 地下水位之下3 5米，介于當層承壓含水層之間。所述的布置水位觀測井包括管井成孔和管井成井，其中對于第四系地層采用 傳統回轉鉆進方式施工成井，同時鉆井過程中需謹防井壁失穩，采用套管護壁的方法，在成 孔后安裝井管。步驟四，根據如下公式確定基坑開挖后可能產生的墻后沉降值δ = abH，其中 a為由水力梯度變化引起的cosserat沉降系數；b為沉降經驗系數，由于各地土質不同，根 據當地基坑統計規律取值，取值范圍介于0. 05% 1. 0%之間；H為基坑設計開挖深度。所述的cosserat沉降系數a由以下方式確定①已知基坑內承壓含水層設計降水水頭hw，該含水層層初始水頭Iitl及觀測井中測 得水位ht。根據水位方程h =-(CIX^hci),帶入不同位置χ處的水位值h，聯立方程求得α 及X，確定該模型基坑的水位方程；②根據①中所確定的水位方程求導分別求得各個方向的附加應力{△ ’};③根據②中所確定的附加應力{Δ σ ’}及cosserat非平衡力學本構方程{Δε。} ={0Γ{Δ σ ’ }確定變形{Δ ε。}，其中{D}為cosserat彈性矩陣；④對比傳統柯西力學理論下的方法計算得到的{Δ ε }，根據公式a = {Δ ε}/ {Δε。}確定 a。根據國家相關規范及地區性行業指南，針對不同的基坑標準選擇沉降控制值Svms，當Svms > δ 時，則基坑沉降達到要求；當δνκ< δ 時，則基坑沉降未達到要求， 需要進行下一步處理。步驟五，采用原位回灌處理法，沿基坑的周邊布置高壓真空回灌井，距基坑止水帷 幕an的距離，同時每個監測點間距為30 50米，將高壓真空回灌井連接水管及水泵，當基 坑施工抽水開始時將回灌中轉池中的水抽出回灌至承壓含水層中。所述的高壓真空回灌井，包括鑄鐵井身、井頭、鑄鐵井帽、固定鉚釘和送水管噴 口，其中鑄鐵井身管壁厚5毫米，井頭長2-2. 5米，鑄鐵井帽外沿與鑄鐵井身管壁焊接，鑄 鐵井帽中間開孔并與送水管噴頭焊接，固定鉚釘固定設置于鑄鐵井身的周圍標定高度且以 45°角平均分布。所述的井頭長2-2. 5米并使用濾網包裹，所述的鑄鐵井帽內沿設有防水橡膠圈，防止在高壓回灌時漏水。所述的送水管噴頭與井帽之間設有止水橡膠圈。所述的布置高壓真空回灌井包括管井成孔和管井成井，其中對于第四系地層 采用傳統回轉鉆進方式施工成井，同時鉆井過程中需謹防井壁失穩，采用套管護壁的方法， 在成孔后安裝井管，高壓真空回灌井的管底埋置深度在最低設計水位或最低允許地下水位 之下3 5米，介于當層承壓含水層之間；鑄鐵井身與井壁間應回填中粗砂，在距地表5米 處使用膨潤土代替砂土回填，在井管就位的同時將鑄鐵井身上預留的鉚釘與地基固定，確 保高壓真空回灌井能正常使用。回灌施工時，供水水壓泵選擇0. 1-0. 壓力。與原有技術相比，本發明使用了高壓真空回灌井，結合目前國際上最近的 cosserat非平衡力學體系理論，在準確預測判斷基坑周圍地表沉降的同時，選擇性的采用 人工回灌的方式來控制沉降。使得超大超深基坑在施工過程中不僅能夠減小對周圍環境的 影響，更保護了地下水資源，是一種新型的工法。本發明在實際應用中，對傳統的方法優勢主要是對基坑周圍沉降的判斷預測更為 準確，方法簡單。并且對于這樣一類特殊的基坑形式針對性的選用了人工回灌的沉降控制 方法，不僅循環利用了水資源，并且有效控制了基坑周圍的地表沉降，所以本發明無論從社 會效益、經濟效益、還是技術效益上來說，都具有很大的應用價值。本發明使用方向為需要 降低相關承壓含水層水頭，而同時地下連續墻進入到承壓含水層卻無法打穿的情況下的超 大超深基坑。與現有技術相比，本發明具有如下的有益效益本發明的方法簡單，在cosserat 非平衡力學模型準確預測沉降的前提下，選擇性使用回灌技術的先進工法，保證了超大超 深基坑在施工過程中，周圍地表沉降的有效控制。在控制基坑周圍的地表沉降的同時，循環 利用了水資源，所以本發明無論從社會效益、經濟效益、還是技術效益上來說，都具有很大 的應用價值。本發明使用方向為需要降低相關承壓含水層水頭，而同時地下連續墻進入到 承壓含水層卻無法打穿的情況下的超大超深基坑。
圖1為高壓真空回灌井細部構造圖。圖2為實施例現場施工示意圖。圖3為本發明工法與傳統工法沉降控制對比示意圖。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明，本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例中涉及的高壓真空回灌井1，包括鑄鐵井身2、井頭3、鑄鐵 井帽4、固定鉚釘5和送水管噴口 6，其中鑄鐵井身2的管壁厚5毫米，井頭3長2-2. 5米， 鑄鐵井帽4外沿與鑄鐵井身2焊接，鑄鐵井帽4中間開孔并與送水管噴頭焊接，固定鉚釘5 固定設置于鑄鐵井壁的周圍標定高度且以45°角平均分布以固定高壓真空回灌井1。所述的井頭3長2-2. 5米并使用濾網7包裹；所述的鑄鐵井帽4內沿設有防水橡膠圈8，防止在高壓回灌時漏水。所述的送水管噴頭與井帽4之間設有止水橡膠圈8。如圖2所示，以某地區超大超深基坑為例，具體應用按以下步驟進行步驟一，現場地質勘探在工程影響范圍內地質分為5層，分別是第一層素填土頂 板標高-0. 5m，層厚細；第二層粉砂頂板標高-3. 5m，層厚細；第三層粘土頂板標高_7. 5m, 層厚IOm ；第四層砂土頂板標高-17. 5m，層厚5m ；第五層粘土直至工程影響范圍之外。第一 層承壓含水層在第四層砂土中。同時查閱相關設計圖紙，此基坑設計開挖深度為15m，支護 結構為地下連續墻結合四道鋼支撐的維護結構，地連墻厚度為0. 8m，設計打入深度為20m， 根據前述現場地質勘測資料知，連續墻并沒有完全隔斷基坑下部承壓含水層。基坑施工過 程中內部抽水會對周圍環境產生影響，需要對周圍的水位及沉降進行預判及選擇處理方 式。步驟二，現場選址，距離基坑50m遠處有一天然魚塘，由于在基坑施工過程中，此 魚塘位置為后續規劃場址而不再使用，則選取此處為回灌中轉池。步驟三，為了了解在施工過程中基坑內部抽水對周圍水環境的影響，及準確預測 周圍地表可能產生的沉降，在基坑周圍布置承壓水水位觀測井。本實例基坑長100m，寬 30m,根據現場的情況決定在基坑周圍共布置6個觀測井，長度方向上一邊2個，寬度方向上 一邊一個，均勻分布于每邊，每個觀測井的距離不超過50m。同時每個井距地連墻直線距離 為5m，觀測管埋設深度為20m。觀測管施工采用回轉鉆進的施工方式，施工中使用的為全液 壓工勘鉆機(YDII型)，成孔直徑350mm，同時結合套管護壁，完成空后安裝井管，最后在井 管與井壁間回填礫料完成觀測井的施工。步驟四，根據公式確定在基坑開挖到底時，周圍地表可能產生的沉降量δ ■ = abH其中根據本工法提出的a確定方法得到在此工程中a為1. 3，b根據此地區歷年的 基坑施工統計規律，選取0. 43，得到δ vm = 0. 559% H，根據該地區地鐵基坑工程施工規范 要求，三類基坑允許周圍地表沉降值為0.5%Η，δ > δ vms，需要進行沉降控制處理。步驟五，根據步驟四中確定采用沉降控制處理，此處使用本發明中設計的新型高 壓真空回灌井1。首先需要安裝高壓真空回灌井1，與水位觀測井相似，在基坑周圍共布置 6個觀測井，長度方向上一邊2個，寬度方向上一邊一個，均勻分布于每邊，每個觀測井的距 離不超過50m。同時每個井距地連墻直線距離為2m，觀測管埋設深度為20m，井頭3過濾器長細，采用雙層纏絲貼礫過濾器，過濾管外徑325mm，內徑219mm。高壓真空回灌井1施工方 式與觀測井相同，在井管與井壁間回填礫料至地下5米出，采用膨潤土回填，最后用鉚釘5 將高壓真空回灌井1固定于地面，完成觀測井的施工。在施工過程中基坑內部抽出的水集 中到步驟一中所選的魚塘中，同時用水泵連接到基坑外的各個高壓真空回灌井1中，在抽 水的同時回灌，出水管壓力控制在0. 15MPa,回灌流量控制為抽水流量的80%。
本實施例的效果超大超深基坑施工過程中，未使用處理措施及使用本實施例的 施工隊周圍地面造成的沉降比較如圖3所示；按照本實施的方法施工后可以有效減少基坑 周圍地表至少25%的最大沉降及30%的沉降影響范圍。
權利要求
1.一種超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征在于，包括以下步驟步驟一，現場水文地質勘測，取土鉆孔，劃分土層，確定工程影響范圍內承壓含水層的 頂板及底板深度并確定基坑開挖及圍護結構的埋設設計深度，對比前期水文地質勘測測得 的承壓含水層頂板及底板深度，判斷隔水形式，當地連墻深度小于承壓含水層底板深度，且 施工過程中需要長期抽取該層地下水時，則繼續下一步驟；步驟二，現場選址，根據各工地施工現成的實際情況在基坑周圍選擇適當的位置建造 回灌中轉池，回灌中轉池的尺寸也根據現場情況選擇，儲水量大于等于抽水井2小時的抽 水量；步驟三，沿基坑的周邊布置承壓水水位觀測井，距基坑止水帷幕5-10m的距離，同時每 個監測點間距為30 50米，水位觀測管的管底埋置深度在最低設計水位或最低允許地下 水位之下3 5米，介于當層承壓含水層之間；步驟四，根據如下公式確定基坑開挖后可能產生的墻后沉降值S = abH，其中a為 由水力梯度變化引起的cosserat沉降系數；b為沉降經驗系數，由于各地土質不同，根據當 地基坑統計規律取值，取值范圍介于0. 05% 1. 0%之間；H為基坑設計開挖深度；步驟五，采用原位回灌處理法，沿基坑的周邊布置高壓真空回灌井，距基坑止水帷幕an 的距離，同時每個監測點間距為30 50米，將高壓真空回灌井連接水管及水泵，當基坑施 工抽水開始時將回灌中轉池中的水抽出回灌至承壓含水層中。
2.根據權利要求1所述的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征是，所述的 布置水位觀測井包括管井成孔和管井成井，其中對于第四系地層采用傳統回轉鉆進方 式施工成井，同時鉆井過程中需謹防井壁失穩，采用套管護壁的方法，在成孔后安裝井管。
3.根據權利要求1所述的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征是，所述的 cosserat沉降系數a由以下方式確定①已知基坑內承壓含水層設計降水水頭hw，該含水層層初始水頭Iitl及觀測井中測得水 位ht，根據水位方程h =-(αχ2+、)，帶入不同位置χ處的水位值h，聯立方程求得α及X， 確定該模型基坑的水位方程；②根據①中所確定的水位方程求導分別求得各個方向的附加應力{△σ ’ }；③根據②中所確定的附加應力{Δσ ’ }及cosserat非平衡力學本構方程{Δε。} = {0Γ{Δ σ ’ }確定變形{Δ ε。}，其中{D}為cosserat彈性矩陣；④對比傳統柯西力學理論下的方法計算得到的{Δε }，根據公式a = {Δ ε}/{Δ ε J 確定a ；根據國家相關規范及地區性行業指南，針對不同的基坑標準選擇沉降控制值δ s，當 δ 5> δ 時，則基坑沉降達到要求；當δ·< δ 時，則基坑沉降未達到要求，需要進行 下一步處理。
4.根據權利要求1所述的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征是，所述的 高壓真空回灌井，包括鑄鐵管壁、井頭、鑄鐵井帽、固定鉚釘和送水管噴口，其中鑄鐵管 壁的壁厚5毫米，井頭長2-2. 5米，鑄鐵井帽外沿與鑄鐵管壁焊接，鑄鐵井帽中間開孔并與 送水管噴頭焊接，固定鉚釘固定設置于鑄鐵井壁的周圍標定高度且以45°角平均分布以固 定高壓真空回灌井。
5.根據權利要求1所述的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征是，所述的井頭長2-2. 5米并使用濾網包裹；所述的鑄鐵井帽內沿設有防水橡膠圈；所述的送水管噴 頭與井帽之間設有止水橡膠圈。
6.根據權利要求1所述的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，其特征是，所述的 布置高壓真空回灌井包括管井成孔和管井成井，其中對于第四系地層采用傳統回轉鉆 進方式施工成井，同時鉆井過程中需謹防井壁失穩，采用套管護壁的方法，在成孔后安裝井 管，高壓真空回灌井的管底埋置深度在最低設計水位或最低允許地下水位之下3 5米，介 于當層承壓含水層之間；鑄鐵井身與井壁間應回填中粗砂，在距地表5米處使用膨潤土代 替砂土回填，在井管就位的同時將鑄鐵井身上預留的鉚釘與地基固定，確保高壓真空回灌 井能正常使用，回灌施工時，供水水壓泵選擇0. 1-0. 2MPa壓力。
全文摘要
一種建筑工程技術領域的超大超深基坑精確沉降及環保施工方法，通過在超大超深基坑設計施工過程中，在坑內抽取承壓水而引起的含水層壓縮，導致基坑周圍地表沉降的準確預測及控制。本發明操作簡單，在準確預測沉降的同時，合理判斷選擇處理方法，從而達到控制周圍地表沉降，保護環境的目的，是一種經濟的工法。
文檔編號E02D1/00GK102108707SQ20111006097
公開日2011年6月29日 申請日期2011年3月15日 優先權日2011年3月15日
發明者沈水龍, 許燁霜, 馬磊 申請人:上海交通大學