杭州地鐵1號線過江隧道江北風井降水工程實踐中建立的數值模型的分析研究

沈 敏

（上海隧道工程股份有限公司，上海 200331）

1 工程概況

杭州地鐵1號線濱江站-富春路站區間擬建工程位于濱江站（江南大道與江陵路交叉處樁號K5+886.50）至富春路站（富春路與婺江路交叉處樁號K8+838.70）之間，橫穿錢塘江，設計使用年限為100 a，區間全長2 952.20 m。隧道最大縱坡為25‰，為地下雙線單圓盾構隧道，隧道外徑6.2m。在南北兩岸各設置一座中間風井，江中設置區間聯絡通道；錢塘江中段盾構區間走向基本與錢塘江流向方向垂直，長度約1 310m（見圖1）。

圖1 杭州地鐵1號線工程線路示意圖

工程開挖深度及圍護深度見表1所列。

表1 工程開挖深度及圍護深度匯總表（單位：m）

2 江北風井降水概況

2.1 降水方案設計簡介

潛水：上部砂土層厚度20.60 m，層底埋深22.87m，主井底板位于土性較好的⑨1a粉質粘土層中，附屬井底板位于③6層粉砂層中，圍護將潛水含水層隔斷。

承壓水：承壓含水層頂板埋深32.77 m（標高-24.93m），距離基坑開挖面6.364m。承壓含水層初始水頭埋深7.92 m（標高-0.08 m，詳勘報告），承壓含水層水頭高度為25.01m。

水頭壓力：Pwy×1.1=（24.93+0.08）×10×1.1=275.11（kPa）。

基坑開挖到底時承壓含水層上伏土壓力：Pcz=6.364×19.0=120.92（kPa）。

Pcz/Pwy<1.1，需要降低承壓水水頭14.02 m，基坑開挖到基坑底板時按照1.1的安全系數考慮需要控制承壓水水頭埋深在21.94 m（以下），控制承壓水水頭標高為-14.10m。

同時根據水土壓力平衡條件，計算得基坑臨界開挖深度為18.29 m，標高為-10.45 m。位于第四、第五道混凝土支撐中間。即第四道混凝土支撐（底標高-9.415 m，深度17.255 m）養護完畢進行下一層土體開挖時，便需要考慮承壓水減壓。

根據場區的工程地質及水文地質條件，結合工程實際情況，采用坑內布置降壓井（見圖2～圖4）。

圖2 坑內降水井平面布置圖

圖3 江北坑內、坑外預測水位降深曲線圖

圖4 江北預測水位降深等值線圖

預測結果表明，降水方案可行，可以滿足基坑降承壓水要求。

2.2 降水效果

根據降水方案設計組織降水井施工，并且于2008年10月19日晚進行坑內群井試驗，采用逐個開啟降壓井的抽水運行方式，Y1抽水2 h后增開Y4，2 h后增開Y2，逐步開啟坑內Y1、Y4、Y2。觀測坑內Y3水位降深變化情況。抽水時間擬定6 h。

群井試驗工況見表2所列，坑內水位埋深變化見圖5所示。

表2 群井試驗工況表

同時根據坑外水位觀測井G1的水位變化，坑內水位降深15.58m時，坑外水位降深0.90m。

2009年2月19日坑內降壓降水開始抽水運行，之前已經建立了風險可控的承壓水降水運行風險控制系統，至6月10日，江北風井成功實現封底后降水運行結束。北風井成功實現降水明挖，證明了圓礫層承壓水通過懸掛式止水帷幕＋井點降水的施工方案是可行的。

3 水文地質模型

以江北風井的工程地質、水文地質為背景，承壓含水層為圓礫層，滲透性好，水量豐富。含水層埋深33 m，厚度為28 m，承壓水水頭要求降低12m（見圖6）。

4 數值計算結果（見表3）

（1）止水帷幕由34 m增加到41 m過程中，每加深1 m，基坑總涌水量減少超過10%；由44 m增加到52 m過程中，每加深1 m，基坑總涌水量減少基本呈線性變化，減少比例約為7%。

圖5 坑內水位埋深－時間變化曲線圖

圖6 止水帷幕33～52 m深模型剖面示意圖

（2）從基坑承壓水降水考慮，基坑圍護深度應超過40m為宜，布井數量少于5口。對于小面積基坑具有合適的布井位置，且圍護結構已經進入承壓含水層超過7 m，井結構設置時，可以降井的深度淺與地墻深度。

（3）從圍護結構施工難度考慮，當地下墻在圓礫層施工時，越深難度越大，一般在不超過45m位置時可以采用普通的成槽設備，且難度不大，成本可以按照正常的連續墻施工成本進行控制。當連續墻施工超過45 m時，成槽難度加大，單價增加；因此成槽不超過45m深為宜。

表3 數值計算結果表

（4）從排水角度考慮，基坑涌水量不超過7200m3/d，每小時不超過300 m3時，現場一般比較容易解決。因此運用三維流理論進行本基坑降水工程時，地下墻深度宜超過41m。

綜上，該工程在降水－圍護一體化設計時，圍護墻深度應控制在40～45 m較為合適。江北風井工程圍護深度選擇為42 m。

5 結語

江北風井通過有效控制圓礫層承壓水水位，成功實施基坑明挖施工，避免了采取超深地下連續墻全斷面隔斷圓礫層承壓水，以及采取水下開挖施工方案。該方案既節約了工程造價，縮短了施工工期，又大大減小了超深基坑工程施工風險與環境安全風險，取得了顯著的經濟與社會效益。該工程在實踐中建立的數值模型為類似工程提供了一種可靠的計算和設計思路。