武漢地鐵岳家嘴車站深基坑降水技術應用

覃亞偉， 楊 新， 王 帆， 高永進

(1. 華中科技大學 a．土木工程與力學學院； b．控制結構湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430074；2. 武漢市市政建設集團隧道工程公司， 湖北 武漢 430023)

1 工程概況

1.1 車站概況

岳家嘴站為武漢地鐵四號線和七號線的換乘站，位于中北路與徐東大街的交叉路口，岳家嘴互通式立交橋匝道內。其中：四號線站臺寬度為6 m，站中心頂板覆土2.7 m，主體結構標準段基坑開挖深度為10.71 m；七號線岳家嘴站外包總長為95 m(含圍護結構)，寬度為30 m，主體結構標準段基坑開挖深度為17.02 m。

圖1 基坑開挖深度及降水井布置

該工程平面形狀復雜，開挖深度變化較大，具體土方開挖深度如圖1所示；該基坑多處緊鄰立交橋橋墩，施工中如何保護周邊立交橋的安全是本工程施工的難點。

按照國家和湖北省建筑基坑支護有關技術規范和規定，本車站基坑支護工程安全等級為一級基坑，四號線車站主體圍護結構采用Ф800@1000 mm鉆孔灌注樁，圍護結構的水平受力體系采用混凝土內支撐+預應力錨索方案。七號線車站主體圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，圍護結構的水平受力體系采用混凝土內支撐+預應力錨索方案。

1.2 工程地質與周邊環境

岳家嘴站位于武漢市武昌區，中北路與徐東大街的交叉路口下，有岳家嘴大型立交橋穿越場地，地勢略有起伏，場地地貌形態屬長江沖洪積三級階地。

1.2.1工程地質條件

在勘探孔所揭穿范圍內，場地地層自上而下主要由5個單元層組成，即(1)層人工填土層；(3)層第四系全新統沖積的一般粘性土層；(7)層第四系上更新統沖洪積的老粘性土層；(9)層第四系上更新統沖洪積的圓礫、礫砂層；(15)單元層白堊～下第三系風化泥巖、砂巖。

1.2.2水文地質

擬建場地地下水類型可分為上層滯水和孔隙承壓水兩種類型。

孔隙承壓水主要賦存于(9)單元層圓礫及中粗砂中，其上覆(7)單元層老粘性土可視為其隔水頂板，下臥(15)單元層砂巖和泥巖可視為隔水底板。(9)單元層中承壓水水量豐富，與長江有較密切的水力聯系，其水位變化幅度受長江水位漲落影響，據現場抽水試驗結果，勘察期間實測承壓水位埋深在4.92～5.10 m，相當于標高20.10 m左右。

1.2.3周邊環境

岳家嘴站主體基坑周圍主要建筑物為岳家嘴立交橋，橋樁為端承摩擦樁。在基坑開挖前，采取措施對橋梁樁基進行袖閥管注漿加固，提高樁基摩擦力。在基坑開挖時，通過布設在立交橋內的沉降、傾斜監測點，監測建筑物的變形，控制變形在允許范圍內。

2 降水方案設計

2.1 降水必要性驗算

承壓水位參考詳勘報告，考慮開挖期可能跨越洪水期，故設計取值定為20.85 m。根據設計文件知該場區開挖深度不一，基底標高在8.75～16.87 m，即開挖深度在8.9～17.02 m，根據下式進行抗突涌驗算：

(1)

式中：γty為坑底突涌抗力分項系數，對于大面積普遍開挖應大于1.2，對于局部承臺分別開挖，應大于1.0；D為坑底至承壓水層頂板的距離；γ為D范圍內土的平均天然重度；Hw為承壓水水頭高度；γw為水的重度。式中γ取19 kN/m3，D=16.87-12.93=3.94 m，計算得γty=0.95<1.2，即開挖深度最淺的區域均會發生突涌，該場區需進行降水。

2.2 降水方案

根據岳家嘴站主體基坑設計方案，該基坑降水方案總體思路如下：(1)地鐵四號線與規劃七號線換乘節點及過軌通道、過軌風道、過軌管道處基底均已揭穿或局部揭穿含水層，降水設計按疏干考慮；其他未揭穿含水層區域降水設計按減壓考慮。(2)由于換乘節點處采用落底式地下連續墻圍護結構，該圍護結構的存在理論上可將地下水的補給源切斷，因此該處降水方案主要針對圍護結構漏水的情況而設計。

2.3 涌水量的估算及井位布置

按均質含水層、穩定流、承壓水、完整井考慮，采用JGJ 120-99《建筑基坑支護技術規程》(F.0.3.1公式)及湖北省基坑工程技術規程(DB 42/159-2004)對開挖段進行估算[1，2]：

(2)

式中，Q為涌水量(m3/d)；K為含水層滲透系數(根據勘察報告取值5.26 m/d)；M為含水層厚度；R為抽水影響半徑(根據勘察報告取值110 m)；S為承壓水降深；r0為基坑折算半徑。

承壓水自然水位絕對標高按20.85 m考慮，將整個基坑分5個區域進行驗算。

(1)起點過軌風道區域基底標高為11.71 m，該處為疏干降水，降水后設計水位標高為10.71 m(按基底下1 m考慮)，承壓水位下降設計值S=10.14 m。按大井法估算單坑涌水量Q=1119.9 m3/d，設計泵量為240 m3/d，則需5口降水井。

(2)七號線基坑參考相關施工經驗暫布5口降水井，若地下連續墻止水效果良好，該井群可作坑內疏干井使用；若連續墻體發生滲漏，則作為減壓井使用。

(3)過軌管道處基底標高為11.71 m，含水層頂板標高取9.45 m，承壓水位下降設計值S=7.2 m。按大井法估算單坑涌水量為912.3 m3/d，設計泵量為240 m3/d，則需4口降水井。

(4)過軌通道降水后設計水位標高為8.55 m(按基底下1 m考慮)，承壓水位下降設計值S=12.30 m。按大井法估算單坑涌水量Q=1873.3 m3/d,設計泵量為240 m3/d,則需8口降水井。

(5)接明挖區過軌風道降水后設計水位標高為11.36 m(按基底下1 m考慮)，承壓水位下降設計值為9.49 m。按大井法估算單坑涌水量為1389.2 m3/d，設計泵量為240 m3/d，則需6口降水井。

由于過軌管道和過軌通道面積不大且距離較近，根據相關工程經驗，相鄰井群抽水相互影響較大，兩個區域可共用部分降水井，因此這兩個區域暫定降水井合計11口，相對位置詳見降水井布置圖。

綜上，該場區共布設降水井27口，將整個基坑區域進行天漢軟件驗算，設計井數能滿足基坑施工降深要求。

2.4 降水井構造

結合場區實際地質條件，降水井采用完整井，井深控制至基巖面(基巖面埋深大于30 m區域井深控制至30 m)。根據開挖深度差異，降水井結構設計為兩種：一種為疏干井(人行過軌通道與換乘節點處)；另一種為減壓井(普挖區域)。疏干降水井、減壓降水井其構造如圖2所示。

圖2 降水井構造

2.5 對周圍環境影響的評估

根據相關技術規定[1，2]，估算因降水而引起的地面最大沉降量可用下式計算：

(3)

式中：ΔSw為承壓水水位下降引起的地面沉降量；Ms取經驗數值0.30～0.90；δwi為承壓水下降引起i層的附加應力(kPa)，δwi=rw(h1-h2)/4，h1為降水前土體的水頭高度，h2為降水后土體的水頭高度；Δhi為i層厚度(cm)；Esi為i層的壓縮模量(MPa)。

Δh7-2=1390 cm，Es1-2=15 MPa，把各分層參數及Ms=Ms1×Ms2(Ms1=0.3～0.5，Ms2=0.5～0.7代入上式得ΔSw=0.8 cm。

為了反映周邊土體地面沉降的空間變化規律，采用武漢市勘測設計研究院開發的“天漢深基坑設計軟件降水CAD”(2008)軟件進行優化驗算[3]，得到最大地面沉降為12 mm。

3 降水井施工及運行

3.1 降水井施工方案

(1)降水井施工在圍護結構鉆孔樁/地下連續墻施工完畢，基坑范圍內表層土方開挖至-2.5 m后，進行圍護結構冠梁以及第一道鋼筋砼支撐和預應力錨索施工的同時，分區同步進行。

(2)為保證降水效果，降水井施工采用沖擊式鉆機清水鉆進成孔，采用泥漿護孔。

(3)降水井施工工藝流程

測放井位→埋設護口管→安裝鉆機→鉆進成孔→清孔換漿→下井管→圍填濾料→洗井、試抽。洗井完畢后，進行單井試驗性抽水，檢查單井出水量、含砂率等指標，進行單井驗收，合格后即可投入使用[4]。

3.2 重點部位土層預加固

基坑開挖之前，對車站一倍基坑范圍內的岳家嘴立交橋主橋(沿徐東路)A1～A4樁基礎所處的圓礫層進行袖閥管注漿加固處理，袖閥管注漿采用雙液漿，水泥采用42.5普通硅酸鹽水泥。注漿施工采用XY-100型工程鉆機成孔，400L高速攪拌機進行漿液拌制，KBY50/70型鉆機按自下而上的順序實施注漿施工。注漿壓力0.6～1.2 MPa，注漿鉆孔直徑100 mm，花管內直徑50 mm，注漿分段長0.3～0.5 m，單孔分段注漿量0.15 m3。

3.3 降水井運行

(1)降水維持適宜采用分段分級降水，按開挖進度及降水要求(一般在土方開挖至突涌計算高程面7 ～12 d左右前啟動)逐漸開啟降水井數量，嚴禁隨意開啟或關閉水泵，嚴格控制因降水引起的周邊地層不均勻沉降[5]。

(2)現場配置備用發電機構成雙回路電源，成立現場專班, 24小時現場巡查，作好各項記錄，確保各抽水、排水和供配電系統的正常運行，發生設備等故障和基坑險情時，能及時反饋并采取有效措施加以排除。

(3)在基坑周邊布設變形監測點及水位監測孔。通過上述各監測點跟蹤觀測結果要及時匯總分析，進行信息反饋，一旦發生地面沉降超標、變形過大等不良現象，應立即采取應急措施處理[6]。

(4)結構底板完全封底后，在滿足結構抗浮的前提下，逐步減少降水井開啟數量。在主體結構完成后，深井降水完畢后，應采取有效措施封堵井孔，避免承壓水沿井孔及井壁上涌[7]。

4 降水效果

4.1 降水監測點布置

降水監測點沿基坑周邊布置，主要監測內容如表1所示，在基坑降水開挖前完成監測點布置及獲得穩定初始值。

表1 降水監測點布置

圖3 橋墩位移及沉降測點布置

4.2 降水效果

本工程進行降水后，基坑施工過程中(目前已完成基坑主體底板及部分頂板施工)，周邊地表沉降較小，坑外水位變化較小，立交橋橋墩及維護結構水平位移及沉降符合規范及設計要求，最大變化量數據如表1所示(典型時序曲線如圖4～6所示)。實踐證明，該車站深基坑降水技術應用合理，很好地解決了武昌地區大型深基坑降水問題。

圖4 地表沉降時序曲線(+隆起-下沉)

圖5 橋墩沉降時序曲線(+隆起-下沉)

圖6 樁(墻)體測斜時序曲線(+向基坑內-向基坑外)

5 結 論

(1)降水方案設計及施工是一項理論和實踐結合非常緊密的工作。降水設計時應根據工程地質、水文地質資料和設計資料，結合該地區施工降水經驗合理選取計算參數，優化井型布置；在抽降地下水時應堅持信息化施工，并根據施工進度和監測信息，合理調整抽水井開啟數量，減小基坑周邊水位降幅，無論從理論上還是實踐上，是可以將抽降地下水對周邊環境的影響控制在規范允許的范圍之內的。

(2)對周邊土層預加固是一種非常有效的減少降水及土方開挖對周邊環境影響的手段，土層預加固質量非常重要，必須檢驗合格后方可進行降水和土方開挖施工。對重點結構和部位可采取跟蹤注漿技術，結合實時監測信息，動態優化注漿空間和時間參數，減少周邊環境變形。

(3)降水井洗井工序質量非常重要，而且必須設置觀測井，從而有效監測地下水位[8]。施工過程中成井后必須逐井進行現場單井抽水試驗以及群井的抽水試驗，以確認降水設計參數選用的合理性，并據此對設計方案中降水井數量、井深、井距以及井的結構作優化調整。

[1] JGJ 120-99，建筑基坑支護技術規程[S].

[2] DB 42/159-2004，湖北省基坑工程技術規程[S].

[3] 武漢市勘測設計研究院.天漢深基坑設計軟件降水CAD[CP].武漢：武漢市勘測設計研究院，2008.

[4] 張永波，孫新忠.基坑降水工程[M].北京:地震出版社，2000.

[5] 夏才初, 李永盛．地下工程測試理論與監測技術[M].上海：同濟大學出版社，1999.

[6] 何 爽,馮曉臘.長江隧道深基坑降水技術的應用[J].山西建筑, 2007, 33(34)：23-24.

[7] 章 昕.深基坑降水技術淺析[J].巖土工程學報, 2010,32(s2)：443-446.

[8] 宋福淵,劉小剛,程學軍.建筑深基坑降水設計與施工[J].施工技術，2007,36(2)：99-100.