天津地鐵4號線西于莊站深基坑降水分析

□文/馬 玲

1 工程概況

天津地鐵4號線西于莊車站線路平面為直線，為地下3層雙柱島式站臺，站臺寬14 m，車站全長190 m，結構標準段總寬度為23.1 m，基坑開挖深度29.5 m。車站共設2座風道，4個出入口，2個預留出入口。

車站位于紅橋區西于莊地區，南側為增產大街，其余三側均為待拆遷的低矮樓房區，管線主要為增產大街范圍內的雨水及污水管線，距離基坑邊約為5 m。

2 地質情況

本區地層由上至下分為9層：人工堆積、全新統新近沉積層、全新統上組陸相沖積層、全新統中組陸相沖積層、全新統下組陸相沖積層、上更新統第五組陸相沖積層、上更新統第五組陸相沖積層、上更新統第二組濱海潮汐帶沉積層、上更新統第一組陸相沖積層。場區表層地下水類型為第四系孔隙潛水，主要儲存于粉土及砂類土中，以大氣降水補給為主，附近地表水系補給為輔，其排泄以大氣蒸發為主。附存于第Ⅱ陸相層及以下的砂層、粉土中的地下水具有微承壓性，為微承壓水，見圖1。

圖1 工程地質與基坑開挖面、圍護結構相對關系

基坑采用地下連續墻圍護結構，地下連續墻深度為48 m，基坑開挖深度26.6～28.5 m。地下連續墻均穿透影響基坑開挖施工的第二微承壓水層。

3 降水難點

1）工程地質條件比較復雜，地層相互交替情況較多。由于原有建筑物較多，勘察孔基本上都是在坑外設置的，不能準確反映出坑內地層情況。

2）基坑開挖采用蓋挖逆做法，對地層沉降反應明顯。因此對基坑開挖以及基坑降水操作要求較高。為減少降水對坑外環境的影響，降水運行控制期間嚴格執行“分層降水、按需降水、動態調整”的降水原則，盡量減少坑外水位下降導致的環境變化。

3）地下連續墻滲透水是本基坑最大的危險源，需做好充分的應急預案。

4 降水驗算

4.1 基坑底板穩定性分析與計算

基坑開挖深度較大，需考慮下部62、64、74和75層承壓水的頂托力對基坑底板造成的突涌破壞。因此，必須進行基坑突涌穩定性安全驗算，根據驗算結果采取有效減壓降水措施，防止高水頭的承壓水從最不利點處突涌。由于基坑開挖面已進入第一微承壓水層，需對第6層進行疏干考慮。因此需對7層進行驗算。

開挖過程中，基坑底面的突涌穩定性安全驗算，可按式（1）進行。

式中：hs——基坑底至承壓含水層頂板之間的距離，計算時，承壓含水層頂板埋深取最小值，m；

γs——基坑底至承壓含水層頂板之間土的層厚加權平均重度，取19 kN/m3；

hw——承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——基坑突涌穩定性安全系數，一般為1.05～1.3，本工程取 1.2。

4.2 第二微承壓水層的基坑突涌穩定性安全驗算

整個基坑大底板區域內，承壓水頂板最淺埋深按10-ZK-107孔資料考慮，頂板埋深取37.00 m，微承壓含水層的初始水頭埋深暫定為6.00 m，車站標準段開挖26.60 m，端頭井開挖最深度為28.50 m。

承壓含水層頂板以上的覆土壓力PZ=hs·γs=（37.00-28.5）×19=161.5（kPa）

承壓水的頂托壓力PW=γw·hw=10.0×(37.00-6.00)=310（kPa）

F=PZ/PW=161.5/310=0.52＜1.2

需要布置承壓井，降低承壓水位。如要滿足，則需降低承壓水的水頭值為17.5 m，即水位埋深在23.5 m。

4.3 降水計算與分析

根據前述基坑突涌穩定性安全驗算結果，必須對62粉土、64粉砂、74粉土、75粉砂含水層組采取有效減壓降水措施，才能防止產生基坑突涌破壞。根據擬建場地的地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，本次設計采用了滲流數值法進行計算，為減壓降水設計與施工提供理論依據。

根據研究區的實際水文地質結構條件及幾何形狀，對研究區進行三維剖分。根據研究區水文地質特性、基坑圍護連續墻埋藏深度，水平方向將其剖分為75行，135列，垂向將其剖分為6層，圖2。

圖2 研究區平面剖分

減壓降水設計計算以初始微承壓水水頭埋深5.0 m為前提條件。由于地下連續墻已將基坑下影響基坑安全的承壓含水層組基本上隔斷，因此為保證減壓降水效果及盡量減小減壓降水對環境的不利影響，采用坑內降水。計算結果見圖3。

圖3 第二層微承壓水粉細砂⑦4⑦5層減壓水位分布等水位線

根據計算結果，潛水及第一微承壓含水層作為疏干目的層，水位控制在-26.6～-28.5 m以下即可，需布置24口疏干井，井深為35 m。對于第二微承壓水層，需降低承壓水頭至-23.5 m，需布置6口減壓井，另設置2口備用觀測井，井深為43 m。因為基坑周邊保護建筑物較多，為能夠提前發現地下連續墻滲透情況，適當在建筑物附近設置部分坑外水位觀測井。

4.4 減壓降水引起的地面沉降預測

1）減壓降水引起的地面沉降計算。根據地下水滲流模型計算得出的水位降深值，采用經典彈性地面沉降公式進行降水引起的地面沉降預測計算。

式中：△b——地層壓縮量，m；

b0——地層初始厚度，m；

mv——體積壓縮系數，MPa-1；

s——承壓水位降深，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——沉降經驗系數，其取值與土性及降水持續時間有關。

2）沉降預測計算結果。根據式（2）對基坑降水引起的地面沉降進行了預測計算（不包括土體開挖引起的地面沉降），降水90d后的預測地面沉降等值線見圖4。

圖4 降水90 d后的預測地面沉降等值線

由圖4可以看出，滿足基坑底板穩定性水位要求的前提下，若地下連續墻隔水效果很好（地下連續墻基本無滲漏），降水90 d后，由于減壓降水引起的地面最大沉降量約為10mm。

地下連續墻是否滲漏將直接影響坑外含水層水位降深的大小，從而對周邊環境產生不同程度的影響。地下連續墻的滲漏將導致滲漏點附近地面發生較大地沉降，若滲漏比較嚴重，則基坑內可能發生涌土、流砂，坑外可能發生地面塌陷破壞。

5 降水監測及沉降控制

1）降水運行期間，疏干觀測井和減壓觀測井應每天至少監測一次，在水位異常情況下，水位觀測頻率按實際需要增加。及時統計降水報表，形成水位曲線，分析降水疏干運行情況。

2）根據勘察報告、降水設計文件、降水方案和降水施工組織設計等有關監測要求，制定監測監護方案，提出各項報警值界限。監測記錄應當規范，監測數據應當準確并及時計算整理。

3）臨近建筑物和地下管線的減壓井抽水時間應盡量縮短，按需降水。

4）環境監測資料應及時報送降水項目部，以繪制相關的圖表、曲線，調控降水運行程序，確保基坑開挖安全和環境安全。

5）在降水井群施工完成后，應進行試運行，再詳細制定降壓降水的運行方案。

6）在降水運行過程中隨開挖深度逐步降低承壓水頭，根據試運行得到的結果，按開挖深度確定井群的運行。在控制承壓水頭足以滿足基坑穩定性要求的前提下，盡量減小承壓水位降深，以減小和控制降水對環境的影響。

7）對各種管線、需要保護的建筑、已建成的隧道、地下連續墻等，必須由專業監測單位進行監測。

8）基坑施工過程中，如地下連續墻發生滲漏或嚴重滲漏，應及時采取封堵措施，以避免導致基坑外側淺層潛水位發生較大幅度下降以及由此加劇坑外的地面沉降。

9）當坑外觀測井內水位下降超過自然變化最大值時，應加密監測次數。當地面沉降超過警戒值，必要時應考慮進行地下水回灌，回灌井另行根據沉降情況進行布設。

6 結語

工程在降水運行控制期間，嚴格執行“分層降水、按需降水、動態調整”的降水原則，降水效果良好，施工過程中基坑穩定，周邊建（構）筑物及地下管線沒有明顯沉降或變形。

［1］段東明.復雜條件下地鐵車站深基坑降水設計及施工工藝研究［J］.鐵道建筑技術，2003，（4）：46-49.

［2］江 科.建筑深基坑降水方案研究［J］.山西建筑，2010，（15）：106-107.

［3］吳林高，李 國，方兆昌，等.基坑工程降水案例［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］吳林高.工程降水設計施工與基坑滲流理論［M］.北京：人民交通出版社，2003.