超深地下空间开发中的双层止水帷幕结构及其施工方法与流程

1.本发明属于城市地下空间开发领域，尤其涉及高地下水位中心城区超深地下空间开发中安全控制和环境保护的一种止水帷幕结构及其施工方法。


背景技术：

2.近年来，我国随经济发展步伐加快，城市建设日新月异，中国城市发展进入了一个全新的阶段。随着城市化进程的加快，在浅层地下空间开发趋于饱和的情况下，很多城市开始向深层地下空间寻求空间拓展的机会。深层地下空间的新建项目伴随着城市日益增长的空间需求而出现，在垂直方向上扩充城市容量。上海是国内开发利用地下空间较早的城市之一，对深层地下空间的利用也是领先于国内大多数城市。目前，上海地区地铁车站最深达到地下40多米，世博变电站的基坑深度达到地下 34米。作为上海东西走向的第二条大动脉的上海北横通道利用地下空间的深度也已达48米，地下部分超过40米深度的路段达到2.6公里。此外上海地区正在开展的重大工程—苏州河段深层排水调蓄管道系统工程的建设，其中先期实施的试验段工程为苗圃～云岭段一级调蓄管道及配套综合设施，总长度约1.67km，两端的竖井基坑深度均已接近60m的开挖深度。
3.基坑工程是一门涉及工程地质、土力学和基础工程、结构力学、工程结构和施工技术的综合性学科，其实践性很强。上海是世界上三大软土地基城市之一，地处长江三角洲，覆盖层厚达150m～400m，其中地表以下30余米为较厚的软弱淤泥质粘土，含水量高、渗透系数很小、抗剪强度低、变形量大且具有流变特性，对基坑工程影响显著。随着基坑开挖深度的增大，达到50m～60m甚至以上量级，还会涉及到上海的第一承压含水层、第
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层黏土层、第二承压含水层、甚至第三承压含水层。超深地下空间的开发面临着更为复杂的地质条件，基坑围护结构所受水土压力成倍增加，进而增大了基坑实施的难度和风险。且上海又是特大城市，建筑物密集、地下管线众多、交通网络纵横，环境保护要求高。从而使深基坑工程尤其是超深基坑工程成为一项风险性很大的工程，这对深基坑工程的理论研究、设计与施工提出了更多的挑战性问题。
4.如何在确保周边环境能够有效保护的前提下，解决中心城区超深基坑的安全顺利实施，目前尚无成熟的技术解决方案。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种超深地下空间开发中的双层止水帷幕结构及其施工方法，该技术在高地下水位中心城区超深地下空间开发中，能够有效减小基坑开挖对周边环境的影响，同时提高基坑实施的安全性。
6.本发明的技术方案为：一种超深地下空间开发中的双层止水帷幕结构，基坑的外围依次为基坑围护结构、内止水帷幕和外止水帷幕；内止水帷幕紧贴基坑围护结构设置；内止水帷幕和外止水帷幕之间设有间距。
7.在高地下水位地区超深基坑开挖中不可避免会抽降基坑内地下水；双层止水帷幕
结构的首要作用是设置两道止水帷幕体系，从而确保基坑开挖及坑内降水过程中，不会因止水帷幕出现渗漏导致基坑外地下水位的降低，进而保证周边地下管线和浅基础建构筑物不会因地层固结沉降而产生较大的附加变形。
8.基于上述双层止水帷幕结构的施工方法为：
9.步骤一：施工内止水帷幕和外止水帷幕，内止水帷幕和外止水帷幕之间保持3～5m的距离；然后施工基坑围护结构。
10.步骤二：开挖基坑，并从上往下依次施工基坑内的各道水平支撑体系。
11.作为一种优化，基于上述双层止水帷幕结构的基础上，在内止水帷幕和外止水帷幕之间土体范围内均布若干降水井，降水井兼作为地下水水位观测井。
12.基于上述设有降水井的双层止水帷幕结构的施工方法，具体为：
13.步骤一：施工内止水帷幕和外止水帷幕；然后施工基坑围护结构；再在内止水帷幕和外止水帷幕之间土体范围内均布若干降水井。
14.步骤二：开挖基坑，并从上往下依次施工基坑内的各道水平支撑体系，利用降水井观测地下水位的变化；如基坑开挖过程中内止水帷幕和外止水帷幕间的地下水位出现降低的情况，则内止水帷幕出现渗漏，及时对内止水帷幕进行堵漏处理。
15.基于上述技术特征：在步骤一中，施工基坑围护结构的同时，在基坑围护结构内部埋设用于测量基坑围护结构受力和变形的监测装置；在步骤二中，施工各道水平支撑体系的同时，在水平支撑体系内埋设用于测量水平支撑体系受力和变形的监测装置；开挖基坑全过程中实时监测基坑围护结构和水平支撑体系的受力和变形，当基坑围护结构或水平支撑体系的受力或变形过大，超过监测报警值时，利用降水井抽降地下水，减小基坑围护结构和水平支撑体系的受力，确保基坑安全。
16.双层止水帷幕结构的首要作用是设置两道止水帷幕体系，从而确保基坑开挖及坑内降水过程不会对周边环境产生影响；设置于双层止水帷幕结构间的降水井，兼地下水水位观测井，首先可以用于观测地下水位变化，如发生水位降低，则说明内止水帷幕局部出现渗漏，可及时采取封堵措施；当基坑开挖至较大深度时，基坑开挖的风险也随之增大，通过实时监测围护结构和支撑体系的受力变形分析判断基坑的安全状况，当监测报警值时，可以利用双层帷幕之间的降水井抽降地下水，减小作用于围护结构上的水压力，进而减小基坑围护结构和支撑体系的受力，从而更好的保证基坑安全。
17.基于上述设有降水井的双层止水帷幕结构的另一种施工方法，具体为：
18.步骤一：施工内止水帷幕和外止水帷幕，内止水帷幕和外止水帷幕之间距离为0.3～1倍基坑开挖深度；施工基坑围护结构；然后在内止水帷幕和外止水帷幕之间施工降水井。
19.步骤二：通过降水井控制内止水帷幕和外止水帷幕之间的地下水位低于设计深度；设计深度根据基坑围护结构和待施工的基坑内的水平支撑体系的截面和配筋能承受的水压力值计算确定。
20.步骤三：开挖基坑，并从上往下依次施工基坑内的各道水平支撑体系。
21.基于上述技术特征，步骤二中，控制地下水位前，通过预降水试验检验内止水帷幕和外止水帷幕的封闭性；当发现基坑存在局部渗漏水的情况，在内止水帷幕和/或外止水帷幕施工加强止水措施，从而确保内止水帷幕和外止水帷幕的封闭性。
22.在确保双层止水帷幕封闭性均可靠的前提下，通过降水井控制双层止水帷幕之间的地下水位降至一定深度；基坑围护结构和支撑体系设计时，可按较低的地下水位计算作用于围护结构上的水压力，从而优化基坑围护结构和支撑体系的截面和配筋，节约工程造价。
23.综上，本发明通过在超深基坑工程中采用双层止水帷幕的技术措施，首先可以确保基坑的开挖降水过程不会引起周边地层发生固结沉降，进而保证周边地下管线及浅基础建构筑物的安全；在基坑围护结构和支撑体系受力变形较大的情况下，通过抽降双层止水帷幕间的地下水来减小作用于基坑围护结构上的水压力，可以作为基坑实施过程中的一项安全应急储备；此外，采用双层止水帷幕结构，设计过程中还可以通过适当考虑降低围护结构外侧地下水位来优化基坑围护结构和支撑体系的截面和配筋，从而节约工程造价。
附图说明
24.图1是本发明技术方案一中基坑围护结构、双层止水帷幕结构的平面布置示意图。
25.图2是本发明技术方案一中基坑围护结构、双层止水帷幕结构的剖面布置示意图。
26.图3是本发明技术方案一中基坑开挖及水平支撑体系施工平面示意图。
27.图4是本发明技术方案一中基坑开挖及水平支撑施工剖面示意图。
28.图5是本发明技术方案二中基坑围护结构、双层止水帷幕结构及降水井的平面布置示意图。
29.图6是本发明技术方案二中基坑围护结构、双层止水帷幕结构及降水井的剖面布置示意图。
30.图7是本发明技术方案二中基坑开挖及水平支撑体系施工平面示意图。
31.图8是本发明技术方案二中基坑开挖及水平支撑体系施工剖面示意图。
32.图9是本发明技术方案二中当基坑监测报警时，开启周边降水井的平面示意图。
33.图10是本发明技术方案二中当基坑监测报警时，开启周边降水井的剖面示意图。
34.图11是本发明技术方案三中基坑开挖前降低双层止水帷幕间地下水位的平面示意图。
35.图12是本发明技术方案三中基坑开挖前降低双层止水帷幕间地下水位的剖面示意图。
36.图9至图12中，虚线表示为水位线示意。
37.图中标号示意为：外止水帷幕1；内止水帷幕2；基坑围护结构3；降水井4；水平支撑体系5。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
39.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对
本发明的限制。
40.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个构件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
41.此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“数个”的含义是两个或两个以上。
42.本发明通过在超深基坑工程中采用双层止水帷幕的技术措施，可以有效减小基坑开挖降水对周边地下管线及浅基础建构筑物的影响，通过降低双层止水帷幕间的地下水水位提高超深基坑实施过程中的安全性，同时还可以优化基坑围护结构和支撑体系的截面和配筋，节约工程造价。结合附图，分别以三种技术方案，具体阐述如下：
43.一、技术方案一
44.如图1～图2所示，一种超深地下空间开发中的双层止水帷幕结构，基坑的外围依次为基坑围护结构3、内止水帷幕2和外止水帷幕1；内止水帷幕2紧贴基坑围护结构3设置；内止水帷幕2和外止水帷幕1之间设有间距。
45.基于上述双层止水帷幕结构的施工方法为：步骤一：如图1和图2所示，首先施工双层止水帷幕，即外止水帷幕1和和内止水帷幕2，内外两层止水帷幕之间保持约3～5m距离；然后施工基坑围护结构3。
46.步骤二：如图3和图4所示，开挖基坑并依次施工各道水平支撑体系5，由于基坑外侧双层止水帷幕的存在，可以有效避免因基坑开挖降水引起双层帷幕外侧地下水位降低，进而导致周边地下管线和浅基础建构筑物发生较大沉降的现象。
47.二、技术方案二
48.如图5和图6所示，基于技术方案一的双层止水帷幕结构基础上，在内止水帷幕2和外止水帷幕1之间土体范围内均布若干降水井4。
49.基于上述设有降水井4的双层止水帷幕结构，具体施工方法为：
50.步骤一：如图5和图6所示，首先施工双层止水帷幕的外止水帷幕1和内止水帷幕2，两层止水帷幕之间保持足够距离，建议距离为约0.3～1倍基坑开挖深度；基坑位于内止水帷幕2 内部，施工基坑围护结构3，并同步在基坑围护结构3内部埋设用于测量基坑围护结构3受力和变形的监测装置；再在内止水帷幕2和外止水帷幕1之间土体范围内均布若干降水井4；降水井4兼作为地下水水位观测井。
51.步骤二：如图7和图8所示，开挖基坑并依次施工各道水平支撑体系5，并同步在水平支撑体系5内部埋设用于测量水平支撑体系5受力和变形的监测装置；基坑开挖过程中利用监测装置实时监测基坑围护结构3和水平支撑体系5的受力和变形，同时利用双层帷幕之间的降水井4观测地下水位的变化；如基坑开挖过程中双层止水帷幕间的地下水位出现降低的情况，则说明内止水帷幕2出现渗漏，及时采取措施对内止水帷幕2进行堵漏处理；此时由于外止水帷幕的存在，可以有效避免因基坑开挖降水引起双层帷幕外侧地下水位降低，进而导致周边地下管线和浅基础建构筑物发生较大沉降的现象。实时监测基坑开挖期间基坑围护结构3和基坑内部水平支撑体系5的受力和变形，当基坑围护结构3或水平支撑体系5的受力或变形过大，超过监测报警值时，如图9和图10所示，利用双层帷幕之间的降水井4抽
降地下水，地下水位降低可以有效减小作用于基坑围护结构上的水压力，进而减小基坑围护结构 3和水平支撑体系5的受力，确保基坑安全。
52.三、技术方案三
53.如图11和图12所示，当基坑工程造价控制严格时，可考虑在确保外止水帷幕1和内止水帷幕2封闭性可靠的前提下，通过降水井4控制外止水帷幕1和内止水帷幕2之间的地下水位降至一定深度，从而按较低的地下水位计算作用于基坑围护结构3上的水压力，从而优化基坑围护结构3和水平支撑体系5的截面和配筋，节约工程造价。
54.具体施工方法为：
55.步骤一：施工内止水帷幕2和外止水帷幕1，内止水帷幕2和外止水帷幕1之间保持足够距离，建议距离为约为0.3～1倍基坑开挖深度；施工基坑围护结构3；然后在内止水帷幕2 和外止水帷幕1之间施工降水井4。
56.步骤二：如图11和图12所示：通过预降水试验检验内止水帷幕2和外止水帷幕1的封闭性；当发现基坑内止水帷幕2和/或外止水帷幕1存在局部渗漏水的情况，在内止水帷幕2 和/或外止水帷幕1施工加强止水措施，从而确保止水帷幕的封闭性；通过降水井4控制外止水帷幕1和内止水帷幕2之间的地下水位低于某一设定的设计深度；该设计深度根据基坑围护结构3和待施工的水平支撑体系5的截面和配筋能承受的水压力值计算确定。
57.步骤三如图9和图10所示：开挖基坑并依次施工各道水平支撑体系5。
58.综上，本发明通过在超深基坑工程中采用双层止水帷幕的技术措施，首先可以确保基坑的开挖降水过程不会引起周边地层发生固结沉降，进而保证周边地下管线及浅基础建构筑物的安全；在基坑围护结构和水平支撑体系受力变形较大的情况下，通过抽降双层止水帷幕间的地下水来减小作用于基坑围护结构上的水压力，可以作为基坑实施过程中的一项安全应急储备；此外，采用双层止水帷幕结构，设计过程中还可以通过适当考虑降低双层止水帷幕之间的地下水位来优化基坑围护结构和水平支撑体系的截面和配筋，从而节约工程造价。
59.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。