地铁1号线玉湖站盾构接收段降水方案设计.docx
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地铁1号线玉湖站盾构接收段降水方案设计
玉湖站盾构接收段
降水设计方案
1.工程概况1
1.1.基坑工程概况1
1.2.周边环境1
2.工程地质与水文地质情况2
2.1.区域工程地质概况2
2.2.盾构接收区工程地质概况4
2.3.土层物理力学指标6
2.4.水文地质特征8
3.设计依据8
3.1.相关资料8
3.2.使用规范8
4.降水整体方案9
4.1.降水目的及重点难点分析9
4.1.1.降水目的9
4.1.2.降水重点难点10
4.1.3.降水整体思路10
4.2.涌水量估算10
4.3.降水井的深度11
4.4.基坑底板稳定性分析12
4.5.疏干降水井数量计算14
4.6.降水环境影响数值模拟计算14
4.6.1.地下水运动数学模型14
4.6.2.渗流数值模型建立15
4.6.3.计算结果17
4.7.基坑降水系统18
4.7.1.降水系统布置18
4.7.2.降水井结构19
4.7.3.水泵选型19
5.成井施工要求19
6.降水运行要求22
6.1.降水试验22
6.1.1.降水试验目的22
6.1.2.降水试验安排22
6.2.正式运行降水23
7.降水工程辅助措施24
7.1.连续供电24
7.1.1.供电量的保证24
7.1.2.双电源的保证24
7.1.3.双电源切换流程26
7.1.4.供电线路的防护26
7.2.排水保证27
8.应急预案27
8.1.设置备用井27
8.2.水位降不到设计要求27
8.3.用电应急预案28
8.4.勘探孔的排查28
9.施工季节性保障措施29
9.1.冬季寒冷季节施工保障措施29
10.工期安排29
11.附图29
1.工程概况
1.1.基坑工程概况
本项目位于玉湖站盾构推进方向，车站与盾构区间设计分界里程（内壁）（内壁）XK13+941.571，加固区尺寸以及加固范围平面布置图见图1.1-1.
加固区
加固区
图1.1-1加固区分布平面示意图
本段场地标高暂定以勘探孔号为QTRGZX-001的勘探孔揭露的地表标高为基准面，地面标高为119.05m，盾构深度及降水井的设计深度暂按该地表高程计算，实际施工过程中，根据具体放点处地表高程进行换算。
盾构底部深度约为17m。
降水有效范围为加固区范围，加固区长6.5m，两侧分别出盾构线路以外3m，具体分布见图1.1-1.
1.2.周边环境
本车站位置位于玛丽市玉湖区东方大道，玛丽市玉湖区著名的5A级风景名胜区玉湖门前广场上，车站主体平行东方大道下设置，垂直玉湖风景区。
东方大道是公路大桥通往玉湖公园的主要道路，交通流量较大，车站周边主要分布了玉湖公园多处景观，西侧为玛丽极地馆，东北侧为月亮湾滑雪场等；车站周边以公园、旅游景点为主。
场地内无历史文物或古迹。
场区地下管网密集，包括给水管线、排水管线、电力管线、热力管线、天然气管线、通讯管线等地下管线，基本沿东方大道布设。
2.工程地质与水文地质情况
2.1.区域工程地质概况
根据钻探揭示及对地层成因、年代的分析，本工点地层主要由第四系全新统人工堆积层（Q4ml）、第四系全新统低漫滩冲积层（Q42al）、第四系下更新统东深井组冰水堆积层（Q12dfgl）、白垩系嫩江组（K2n）组成。
各地层岩性描述如下：
（1）全新统人工堆积层（Q4ml）
1-1层杂填土：
杂色，松散，稍湿，由建筑垃圾、生活垃圾和黏性土组成，堆积年代约20~30年，普遍分布，层底深度约1.6～6.9m，平均厚度约4.56m。
（2）第四系全新统低漫滩冲积层（Q42al）
2-2层粉砂：
黄褐色～灰褐色，饱和，松散，成分以长石、石英为主，含云母，局部含黏性土和细中砂，局部含少量淤泥质黏性土或淤泥，普遍分布于表层，层底深度约5.3～9.8m，平均厚度约2.07m。
2-2-1层粉砂：
黄褐色～灰褐色，稍湿，松散，成分以长石、石英为主，含云母，局部含黏性土和细中砂，个别孔含少量淤泥质黏性土或淤泥，普遍分布于表层，层底深度约4.0～4.6m，平均厚度约1.97m。
2-2-2层粉砂：
黄褐色～灰褐色，饱和，稍密，成分以长石、石英为主，含少量云母和黏性土，呈透镜体分布，层底深度约6.0～14.0m，平均厚度约3.84m。
2-2-3层粉砂：
黄褐色～灰褐色，饱和，中密，成分以长石、石英为主，含少量云母和黏性土，呈透镜体分布，层底深度约11.4～14.0m，平均厚度约3.82m。
2-3层细砂：
黄褐色～浅灰色，饱和，稍密，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，普遍分布，层底深度约11.0～12.0m，平均厚度约2.83m。
2-3-2层细砂：
黄褐色～浅灰色，饱和，中密，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，普遍分布，层底深度约12.4～18.5m，平均厚度约5.12m。
2-3-3层细砂：
灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，呈透镜体分布，层底深度约18.0～20.5m，平均厚度约1.80m。
2-3-6层中砂：
黄褐色～灰色，饱和，中密，成分以长石、石英为主，透镜体分布，层底深度约16.8～18.7m，平均厚度约2.43m。
2-4层中砂：
灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土和粗砾石，普遍分布，层底深度约19.5～26.5m，平均厚度约4.21m。
2-4-1层中砂：
灰褐色，饱和，中密，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土和粗砾石，普遍分布，层底深度约15.4～20.0m，平均厚度约2.99m。
2-4-2层粉质黏土：
灰褐色～深灰色，可塑，中压缩性，土质不均，稍有光泽，局部夹粉土或黏土薄层，含锈斑及铁锰氧化物，透镜体分布，层底深度约18.7～20.3m，平均厚度约1.30m。
2-4-6层细砂：
深灰色、灰褐色，饱和，中密，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，呈透镜体分布，层底深度约17.5m，平均厚度约2.10m。
2-4-7层细砂：
深灰色、灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，呈透镜体分布，层底深度约20.0～26.7m，平均厚度约2.92m。
（3）第四系下更新统东深井组冰水堆积层（Q12dfgl）
7-1-2层黏土：
灰褐色～深灰色，可塑，中压缩性，稍有光泽，含锰铁结核及灰色条带，局部夹粉细砂薄层，透镜体分布，层底深度约24.0～28.7m，平均厚度约2.50m。
7-1-9层淤泥质黏土：
灰褐色～褐灰色，流塑，高压缩性，夹粉细砂，透镜体分布，层底深度约26.0m，平均厚度约1.10m。
7-2层中砂：
灰褐色～浅灰色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，含云母碎片，局部夹黏性土薄层或圆砾，普遍分布，层底深度约27.0～33.5m，平均厚度约3.01m。
7-2-6层细砂：
灰褐色，饱和，中密～密实，成分以长石、石英为主，局部夹少量黏性土，透镜体分布，层底深度约25.8～28.9m，平均厚度约3.00m。
7-2-7层粗砂：
灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，透镜体分布，层底深度约30.3～33.0m，平均厚度约2.35m。
7-3层黏土：
灰褐色～深灰色，可塑，中压缩性，稍有光泽，含锰铁结核及灰色条带，局部夹粉细砂薄层，普遍分布，层底深度约28.9～34.6m，平均厚度约2.42m。
7-4层中砂：
褐灰色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，含云母碎片，局部夹黏性土薄层或圆砾，普遍分布，层底深度约31.9～49.7m，平均厚度约4.58m。
7-4-1层粉质黏土：
灰褐色～深灰色，可塑，中压缩性，含锰铁结核及灰色条带，局部夹粉细砂薄层，呈透镜体分布，层底深度约36.2～38.4m，平均厚度约2.93m。
7-4-3层细砂：
灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，透镜体分布，层底深度约29.8～42.5m，平均厚度约3.36m。
7-4-4层粗砂：
灰褐色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，透镜体分布，层底深度约36.0～49.0m，平均厚度约3.43m。
7-4-6层粉质黏土：
灰褐色～深灰色，软塑，中压缩性，含锰铁结核及灰色条带，局部夹粉细砂薄层，呈透镜体分布，层底深度约30.9m，平均厚度约1.10m。
7-4-7层粉砂：
褐灰色，饱和，密实，成分以长石、石英为主，透镜体分布，层底深度约33.6m，厚度约1.2m。
（4）白垩系嫩江组（K2n）
8-1层泥岩：
灰褐色、灰色、灰绿色，全风化，岩芯呈土柱状，一般柱长50～110mm，最大柱长250mm，手掰易碎，普遍分布于土层底部，本次勘察未穿透，层顶深度在47.8～49.7m。
2.2.盾构接收区工程地质概况
根据勘察资料，玉湖站盾构接收段地层涉及到的勘探孔有：
左线勘探孔号TYGZC-025和QTRGZX-001，右线勘探孔号TYGZX-028和QTRGZX-001。
勘探孔平面及剖面示意图见图2.2-1~2.2-3。
图2.2-1勘探孔平面布置图
研究区左线揭露的地层以及右线揭露的地层分别如图2.2-2和图2.2-3所示。
图2.2-2研究区左线地质纵断面图
图2.2-3研究区右线地质纵断面图
从该段左线和右线地质剖面图看出，盾构底部存在连续分布的7-1粉质黏土层隔水层，该层的厚度最薄处约为2m。
2.3.土层物理力学指标
根据勘察报告提供，各地层物理力学指标内容包括天然含水量，质量密度，重力密度，孔隙比，液、塑限、液、塑性指数等物理指标，其参考值见表2.3-1。
表2.3-1物理力学指标参考值
岩土
编号
岩土名称
天然含水量ω（%）
重力
密度γ（kN/m3）
天然孔隙比e
液限ωL（%）
塑限ωp（%）
压缩系数
压缩模量
α0.1-0.2
Es0.1-0.2
2-1
粉质黏土
30.6
18.9
0.901
42.0
22.5
0.426
4.60
2-1-3
淤泥质粉质黏土
35.7
18.1
1.053
36.2
20.3
0.555
2.92
2-2
粉砂
17.0
20.8
0.496
0.21
9.23
2-2-1
粉砂
22.6
19.2
0.717
0.140
10.92
2-2-2
粉砂
18.7
19.3
0.643
31.1
18.2
0.133
12.73
2-2-3
粉砂
20.0
19.2
0.669
0.130
13.0
2-2-4
粉质黏土
28.4
19.6
0.786
32.9
19.0
0.335
5.32
2-2-5
黏土
29.3
18.6
0.919
45.9
23.6
0.510
3.77
2-3
细砂
19.8
19.8
0.617
0.128
12.67
2-3-1
细砂
18.6
20.0
0.613
0.133
12.11
2-3-2
细砂
14.7
20.6
0.470
0.116
13.43
2-3-5
中砂
16.9
20.6
0.508
0.119
14.31
2-4
中砂
17.2
21.3
0.462
0.110
14.80
2-4-1
中砂
17.3
20.5
0.496
0.112
14.32
2-4-2
粉质黏土
28.6
19.4
0.810
35.2
20.3
0.330
4.20
2-4-4
黏土
31.9
18.8
0.922
38.7
21.0
0.340
5.61
2-4-5
黏土
34.5
19.2
0.919
38.4
20.9
0.410
4.68
2-4-6
细砂
23.4
19.1
0.719
0.120
14.32
2-4-7
细砂
21.4
20.3
0.595
2-4-8
粉砂
18.9
20.2
0.432
2-4-9
粗砂
19.3
20.2
0.560
0.100
15.73
7-1
粉质黏土
29.0
19.3
0.828
37.0
20.8
0.322
5.97
7-1-1
粉质黏土
28.8
19.4
0.806
31.3
18.5
0.400
4.85
7-1-2
黏土
30.8
19.0
0.896
43.8
22.8
0.320
6.02
7-1-5
细砂
18.2
20.0
0.586
0.10
15.53
7-1-7
中砂
20.5
0.100
15.00
7-2-2
粉质黏土
27.7
19.7
0.771
36.8
20.8
0.323
5.73
7-2-4
粉砂
20.1
0.108
14.35
7-2-6
细砂
20.3
0.10
15.10
7-2-7
粗砂
21.1
0.08
15.8
7-2-8
砾砂
21.5
0.08
15.8
7-3
黏土
28.6
19.4
0.820
38.3
21.4
0.315
5.73
7-3-4
粗砂
21.1
0.08
15.8
7-4-1
粉质黏土
27.5
19.4
0.799
37.4
20.8
0.307
6.30
7-4-2
黏土
29.7
19.1
0.866
43.1
23.3
0.261
7.68
7-4-3
细砂
20.5
0.10
15.80
7-4-4
粗砂
21.4
0.076
16.20
7-4-5
砾砂
21.6
0.072
16.80
7-5-1
粗砂
21.5
0.076
16.50
7-5-4
粉质黏土
27.8
19.4
0.786
36.0
20.2
0.350
5.42
2.4.水文地质特征
本工点位于松花江低漫滩地貌中，未见地表水。
地下水根据赋存条件，基岩以上地下水类型主要为第四系孔隙水与微承压水。
（1）孔隙潜水
在松花江低漫滩普遍分布，含水层岩性主要为粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂等砂类土，夹黏性土层，含水层厚度一般为35.4～48.2m。
受松花江江水的影响，该类型地下水有较统一的自由水面，主要受大气降水入渗和江水侧向径流补给，排泄方式主要为蒸发、向河流径流排泄。
本次勘察期间孔隙潜水初见水位埋深为3.5～4.9m，稳定水位埋深为3.3～5.0m（高程114.43～116.43m），水位变幅较大。
（2）微承压水
在松花江低漫滩分布较广，含水岩组由中部主层7层中粉砂、细砂、中砂、粗砂、砾砂、圆砾土组成；顶部存在7-1-2黏性土层，层状分布，局部不连续，使得上下含水层局部可相通，层顶埋深21.5～26.7m，厚度1.1～4.4m；底部为泥岩隔水层，该层存在微承压性，勘察期间勘察范围承压水头2.4～6.2m。
该微承压水主要补给来源为上部孔隙潜水下渗和松花江江水的侧向渗流，排泄方式以径流及向松花江水体侧向渗流为主，与松花江水具密切水力联系，呈互补互排关系。
（3）地下水参数
本段地下水渗透性参数主要参照体育公园站抽水试验所获取的参数。
3.设计依据
3.1.相关资料
人民广场站至玉湖站区间地勘报告、相关图件。
相似站点现场降水运行相关资料
3.2.使用规范
（1）国家标准：
《地铁设计规范》（GB50157-2013）；
《城市轨道交通技术规范》（GB50490-2009）；
《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB50911-2013）；
《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）；
《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-2012）；
《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003年版）；
《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》（GB50652-2011）；
《管井技术规范》（GB50295-2014）；
（2）行业标准：
《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）；
《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）；
《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）；
《建筑与市政工程地下水控制技术规范》（JGJ111-2016）；
（4）其他：
《基坑降水手册》，中国建筑工业出版社，上海长凯岩土工程有限公司2006.04
关于印发《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》的通知（建质[2009]87号）；
4.降水整体方案
4.1.降水目的及重点难点分析
4.1.1.降水目的
降水的目的主要有以下几个方面：
1、将水位维持在盾构洞身以下1.0m，降低坑内土体含水量。
2、盾构过程中，承压水满足抗承压水稳定要求，安全系数不小于1.1，确保盾构洞体安全。
4.1.2.降水重点难点
1、盾构洞身位于地下水位线以下，富水丰富，地层透水性好，该段为敞开式降水，如何保证水位降至盾构底部以下1m是本工程重点。
2、洞身以下存在较为连续的粉质黏土层相对隔水层，下部含水层7-2中粗砂层具有微承压性。
如何有效地控制承压水，防止出现涌水涌砂等工程地质问题的出现是本工程的重点。
4.1.3.降水整体思路
结合本场地的地层条件以及围护结构特征，本工程降水整体思路采用疏干降水的方案，同时考虑设置一定量的备用井。
应对以上重点、难点具体降水措施有以下几点：
1、针对含水量大的砂层，为确保降水效果，考虑适当加深降水井的深度。
2、考虑到水位降深较大，地层富水性强以及开放式降水的补给量大，适当增加一定的备用井。
3、降水井施工过程中应加强降水井成井质量的控制，严格控制降水井的出砂量。
4、降水井及观测井施工完成后，应进行有针对性的降水试验，根据降水试验结果制定后期的降水运行控制方案。
5、降水运行过程中，密切关注降水井运行状况。
对各井内水位、出水量进行观测，若发现降水井出水量及水位异常，及时进行分析。
4.2.涌水量估算
本次设计区域采取的开放式降水，不存在止水帷幕。
盾构洞身纵断面图显示，隧道底位于上部连通含水层中，涌水量计算按均质含水层、稳定流、潜水非完整井考虑，采用《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012中（E.0.2公式）对开挖段进行估算，基坑降水总涌水量可按下式计算：
计算参数中渗透系数的取值采用体育公园站抽水试验获取的参数。
经计算求得基坑涌水量为24150m3/d。
4.3.降水井的深度
降水井井结构根据降水深度，含水层分布，降水井过滤器管材以及围护结构等等因素综合而定。
井深按下式考虑：
式中：
HW——降水井深度（m）；
HW1——隧道深度（m）；
HW2——降水水位距离基坑底要求的深度（m）；1m
HW3——其值=ir0（m），i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/12；r0为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的为1/2；0.5m
HW4——降水期间的水位变幅（m）；1m
HW5——降水井过滤器工作长度（m）；18m
HW6——沉砂管长度（m）。
1m
结合本地区地层特点以及以往工作经验，该地区降水井深度考虑设置成混合降水井，井深度位于7-1粉质粘土层以下，综合考虑降水井的深度按照基坑底部以下20m左右的深度设置，井深设置为40m。
4.4.基坑底板稳定性分析
隧道底部以下存在较连续的7-1粉质黏土层相对隔水层，其下部的7-2中粗砂层具有微承压性。
需要对7-2层进行抗突涌验算。
根据最终验算结果，考虑是否需要设置减压井或减压备用井。
示意图如图4.4-1所示。
图4.4-1基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图
基坑底板抗突涌稳定条件：
在基坑底板至承压含水层顶板之间，土的自重压力应大于承压水含水层顶板处的承压水顶托力，可按下式进行承压水位控制：
式（4.4-1）
式4.5-1中：
—承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，（kPa）
—初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力，（kPa）
—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，其和等于图4.5-1中的h，（m）
—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，（kN/m3）
—高于承压含水层顶面的承压水头高度，即图4.4-1中所示H，（m）
—水的重度，工程上一般取9.80（kN/m3）
—安全系数，工程上一般取1.05～1.20；本工程取1.1。
图4.4-2左线突涌点计算图4.4-3右线突涌点计算
结合地质剖面图，根据基坑和围护结构纵断面图，选取左线和右线勘探孔所处位置的承压含水层进行抗突涌验算，承压含水层初始水位埋深取2.4m，位置选取和计算结果见表4.4-1及附图-抗突涌验算图。
勘探孔对应位置稳定性计算结果表4.4-1
序号
区域
孔号
基坑深
系数
安全埋深
降深
1
左线
TYGZC-025
16.9
0.90
7.14
4.74
2
QTRGZX-001
16.9
0.65
11.11
8.71
3
右线
TYGZX-028
17
0.75
9.76
7.36
4
QTRGZX-001
16.9
0.65
11.11
8.71
经计算，研究区的抗突涌安全系数均小于等于1.0，开挖过程中需要降低承压含水层水位4.74～8.71m。
建议设置一定数量的混合井，同时对上下含水层进行疏干降水和减压降水。
4.5.疏干降水井数量计算
以上经计算总涌水量为24150m3/d。
单井涌水量按《建筑基坑支护技术规程》（JBJ120-2012）式7.3.16计算：
式中：
q
——
单井出水能力（m3/d）；
rs
——
过滤器半径（m）；
l
——
过滤器进水部分的长度（m）；
k
——
含水层渗透系数（m/d）；
经计算单井出水能力q=2618m3/d。
考虑到群井抽水的影响，同时结合相似站点降水经验，单井出水量约为100m2/h。
根据计算，将水位降至盾构面以下1m，至少需要布置11口降水井。
考虑设置20%的备用井，需要降水井数：
N=1.2Q/q=14（口）
工作区共布置14口混合降水井，井深设置为40m，混合井进入下部7-2承压含水层。
4.6.降水环境影响数值模拟计算
4.6.1.地下水运动数学模型
根据上述水文地质概念模型，建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型:
式中：
；
；
；
为储水系数；
为给水度；
为承压含水层单元体厚度
；
为潜水含水层单元体地下水饱和厚度
。
分别为各向异性主方向渗透系数
；
为点
在
时刻的水头值
；
为源汇项
；
为计算域初始
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