蘇州地鐵車站深基坑降水的設計與施工

張志強

(中鐵十二局集團建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

0 引言

如何解決深大基坑降水是基礎工程施工中最棘手的問題［1］。降水的設計施工以及降水所引起的其他巖土工程問題，對基坑工程和周邊環境的安全至關重要［2］，因此對深基坑降水設計與施工的研究具有很重要的意義。本文以蘇州火車站改造工程地鐵2號，4號線深基坑降水工程為背景，具體闡述了降水設計與施工。

1 工程概況

蘇州火車站綜合改造工程主要由新建滬寧城際鐵路蘇州站場、普速鐵路蘇州站、城市軌道交通2號，4號線工程組成。規劃火車站樞紐共5層，其中地上2層，地下3層，地上第2層為高架候車大廳，地面層為城際和普速鐵路站房，地下1層為出站層兼軌道2號線站廳層，地下第2層為軌道2號線站臺層和軌道4號線站廳層，地下第3層為軌道4號線站臺層和設備、管理用房，整體呈“工”字形布置。地鐵2號線車站及風亭、4號線車站-1層及4號出入口采用明挖順作法，4號線-2層，-3層采用逆作法施工。-1層～-3層的開挖深度分別為9.6 m，17 m，23.4 m;2號，4號線最大開挖寬度分別為40 m，26 m。

2 場地土層與水文條件

2.1 場地土層條件

蘇州火車站綜合改造工程位于太湖沖積湖及瀉湖沉積平原，根據勘測報告可知，施工場地60 m土層范圍內主要土層物理性質如下:

①填土層:層厚0.70 m～2.5 m，壓縮性高，土質不均;②粘土層:層厚0.90 m～4.50m，壓縮性中等;③粉質粘土層:層厚5.0 m～15.5 m，壓縮性中等;④粉土層:層厚 1.30 m ～6.50 m，壓縮性中等;⑤粉質粘土:暗綠色，硬塑，層厚0 m～6.0 m，壓縮性中等;⑥粉質粘土:灰綠色，軟塑，厚0 m～7 m，壓縮性中等;⑦粉土夾粉質粘土:灰黃 ～灰色，中密，濕，層厚3.90 m ～10.50 m，壓縮性中等偏低;⑧粉砂、粉土夾薄層粉質粘土:灰色，中密，飽和，層厚0 m～13 m，壓縮性低。

2.2 水文條件

由地質勘測報告知:本工程場地，地下水分為孔隙潛水、微承壓水及承壓水。

1)潛水。

潛水主要賦存于①填土層中，在勘察區分布均勻，透水性不均勻。主要接受大氣降水、沿線污水入滲補給。勘察期間，潛水埋深為0.00 m ～1.36 m，相應標高0.48 m ～0.85 m。

2)微承壓水。

微承壓水主要賦存于④粉土層中，由于④層水平向差異性較大，其透水性及賦水性中等。該含水層補給來源主要為潛水和地表水，埋深為6.80 m ～12.20 m，厚度為 1.30 m ～6.50 m，對車站施工影響較大。根據抽水試驗報告，④層滲透系數K=1.75E-3 cm/s，影響半徑為45 m，為透水土層。

3)承壓水。

承壓水主要賦存于⑦粉土夾粉質粘土層中，該土層水平向差異性較大，該含水層的補給來源主要為承壓水越流補給及地下徑流補給。該含水層埋深為29.00 m～34.90 m，厚度為3.90 m～10.50 m，對車站施工影響較大。根據抽水試驗報告，⑦層滲透系數K=7.59E-4 cm/s，影響半徑為45 m，為弱透水土層。

3 基坑降水、降壓設計

火車站地下①層基坑開挖深度9.6 m，開挖面積31 850 m2，坑底位于第④層粉土上。根據勘察報告，②層，③層滲透系數較小，均為不透水層，影響到地下①層基坑開挖的地下水為潛水，主要賦存于填土層。故地下①層基坑降水可采用如下方法:在開挖表層填土之前，采用集水明排方式疏干表層填土中的潛水。第①層填土開挖完畢，采取同樣的方法依次挖土至設計標高。

為了便于說明本工程基坑降水設計與施工，取2號，4號線地鐵車站基坑標準段、風亭及4號線出入口基坑等部位降水為例，進行具體闡述。

3.1 降水(疏干)井設計

1)2號，4號線基坑標準段降水井設計。

2號線基坑開挖深度17 m(標高-14.960 m)，4號線基坑開挖深度23.4 m(標高-22.16 m)。2號，4號線連續墻入土深度分別為49 m，43 m，連續墻墻底均進入⑧層土中，完全隔斷了④層微承壓水與外部的水力聯系，故可按潛水考慮用降水井進行疏干。

根據以往地鐵基坑降水施工經驗，并結合本基坑特點，每口降水井有效降水面積可取200 m2。2號，4號線標準段基坑面積分別為2 812 m2，3 010 m2，故2號，4號線基坑可分別設14口、15口降水井，設計井深分別為23 m，28 m。

由于地鐵基坑呈狹長形，降水井采用梅花形均勻布置，井點至圍護結構距離控制在5m左右，井與井之間距離控制在10m左右，降水深度控制在基坑底以下1.0 m，每個深井井點配深井泵1臺，3個井點配真空泵1臺。

2)風亭及4號線出入口基坑降水井設計。

風亭基坑、4號線2個出入口基坑分別開挖至-15.02 m～15.05 m，其圍護結構均完全隔斷④層微承壓水與外部的水力聯系，故可按潛水考慮用降水井進行疏干，同樣降水深度控制在基坑底以下1.0 m。

根據經驗，每口降水井有效降水面積為200 m2，由于兩個風亭面積各為90 m2，故每個風亭設置一口降水井即可，設計井深20 m;4號線2個出入口面積均為1 215 m2，故4號線每個出入口均需設置6口降水井即可滿足要求，設計井深20 m。

3.2 降壓井設計

3.2.1 基坑底板穩定性驗算

1)2號，4號線標準段基坑底板穩定性驗算。

由于連續墻進入⑧層土，此層土為第⑦層承壓水含水層的隔水底板，故連續墻基本完全隔斷墻內承壓水層與外界的水力聯系，可考慮不設置降壓井。

2)風亭及4號線出入口基坑底板穩定性驗算。

風亭及4號線出入口基坑圍護結構均未穿過第⑦層承壓含水層，承壓水層與外界有水力聯系，對于基坑開挖面穩定性有極大影響，故需驗算基坑底板穩定性。基坑底板的穩定條件:基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于承壓水的頂托力即:

其中，H為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m;γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土的平均重度，kN/m3;h為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;γw為水的重度，取10 kN/m3;Fs為安全系數，一般為1.0 ～1.2，本工程取1.2。

a.風亭驗算。

取風亭處鉆孔Jz-IV07-D4資料進行驗算。鉆孔揭示第⑦層承壓含水層頂板標高-31.51 m，承壓水頭標高-1.32 m，故h=30.19 m。γs=19.6 kN/m3，H=16.5 m。按式(1)，計算得基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力H·γs=323.3 kN/m2，承壓水的頂托力 Fs·γw·h=362.28 kN/m2，需要降低⑦層承壓水水壓，故降深為:(362.28-323.3)/10=3.9 m。同時由計算可知，當基坑開挖至標高-13.03 m時就需要采取降壓措施，否則將產生突涌。

b.4號線出入口驗算。

取出入口處鉆孔Jz-IV07-I4資料進行驗算。鉆孔揭示第⑦層承壓含水層頂板標高-28.93 m，承壓水頭標高-1.32 m，故h=27.61 m。γs=19.6 kN/m3，H=13.88 m。按式(1)，計算得基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力H·γs=271.98 kN/m2，承壓水的頂托力Fs·γw·h=331.32 kN/m2，需要降低⑦層承壓水水壓，故4號線出入口基坑需要的降深為:(331.32-271.98)/10=6 m。同時由計算可知，當基坑開挖至標高-12.04 m時就需要采取降壓措施，否則將產生突涌。

3.2.2 降壓井井數計算

1)風亭降壓井井數計算。

由于風亭基坑面積較小，同時周邊無重要建筑物，故在兩風亭坑外設置一口降壓井即可滿足降壓要求，設計井深41.5 m，濾管長度為8 m。

2)4號線出入口降壓井數量計算。

首先，估算涌水量即:

其中，K取⑦層及以上土層滲透系數加權平均值，K=0.637m/d;M為含水層厚度，取10.5m;S近似按6m考慮;R=10S=50.28m，r0=24.27 m，R′=R+r0=74.6 m;將各參數代入式(2)，得一個出入口涌水量Q=225 m3/d。

根據現場抽水試驗，在無隔水帷幕條件下，單井極限出水量q=63 m3/d。

3)計算井點數，將Q與q代入式n=1.1×Q/q可得n=1.1×225/63≈3.9，故n取4。由此可得，2個出入口需共設8口降壓井，降水井設計深度39 m，濾管長度8 m。

4 基坑降水施工

基坑降水施工主要包括降水井成孔、降水運行、降水井封孔施工等內容。

4.1 降水井成孔施工工藝

成孔施工機械選用GPS-10型工程鉆機及其配套設備。采用正循環回轉鉆進泥漿護壁的成孔工藝，其主要工藝流程如下:

1)測放井位、埋設護口管:根據降水井點平面布置圖測放井位;護口管底口插入原狀土層中，管外用粘性土和草辮子封嚴，防止施工時管外返漿，護口管高出地面0.20 m左右;

2)安裝鉆機:機臺安裝穩固水平，大鉤對準孔中心，大鉤、轉盤與孔的中心三點成一線;

3)鉆孔下井管:疏干井開孔，孔徑為500 mm，降壓井開孔，孔徑為600 mm。鉆進開孔時吊緊大鉤鋼絲繩，輕壓慢轉，以保證開孔鉆進的垂直度，成孔采用自然造漿，泥漿密度控制在1.10～1.15，孔內必須注滿泥漿，以防孔壁坍塌;下管時在濾水管上下兩端各設一套直徑小于孔徑5 cm的扶正器(找正器)，以保證濾水管能居中;

4)填濾料(中粗砂):填濾料前在井管內下鉆桿至孔底0.40 m位置，井管上口加悶頭密封，從鉆桿內泵送泥漿，邊沖孔邊逐步稀釋泥漿，使孔內的泥漿密度逐步稀釋到1.05，然后開小泵量按前述井的構造設計要求填入濾料，并隨填隨測填濾料的高度，直至濾料下入預定位置為止;

5)井口填粘性土封閉:為防止泥漿及地表污水從管外流入井內，在地表以下回填2.00 m厚粘性土封孔;

6)洗井:當降水井出水后用活塞洗井，活塞必須從濾水管下部向上拉，將水拉出孔口。當活塞拉出的水基本不含泥砂后，再用空壓機抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不含泥砂為止;

7)安泵試抽:成井施工結束后，在疏干井內及時下入潛水泵，并與真空管、排設排水管道、地面真空泵安裝、電纜等連接;抽水與排水系統安裝完畢，開始試抽水。先采用真空泵與潛水泵交替抽水，真空抽水時真空度不宜小于-0.06 MPa，以確保真空抽水效果;

8)排水:洗井及降水運行時應用管道將水排至場地四周的明渠內，通過排水渠將水排入場外市政管道中。

4.2 降水運行技術要求

1)降水運行。

降水運行時開動抽水井個數和抽水量大小根據基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進行控制。降壓降水運行過程中每天將抽水量和承壓水位的動態情況詳細記錄并報告監理。底板施工完成后，由設計單位提供基礎及上部結構的抗浮力，逐步減少承壓井的開啟數量，直至降水全部結束。

2)排水保證。

排水是否正常將直接影響降水運行，要求在施工區域內合理布置排水溝，排水溝斷面500 mm×500 mm以上，且有一定坡度，能夠迅速將大量地下水排入城市管道中，要求市政管道入口比排水溝低1 m以上。

3)井管保護。

降水井管直徑一般168 mm～273 mm，壁厚4 mm～6 mm，管材強度低，井周邊的土應人工挖土，同時井周邊土體坡度不能太大，防止土方滑坡剪切井管造成破壞。坑內井管根據基坑的支撐圖正確定位，盡量布置在立柱和支撐附近，并固定在支撐立柱上，增強井管的整體強度。

4)監測措施。

因基坑開挖深度較深及降水深度較大，必須委托專業監測單位對基坑圍護結構和周邊環境進行監測，加強信息化施工。

5)回灌措施。

若降水施工過程中，周圍地表沉降偏大，分析原因，應在基坑外布置回灌井，減少降水對周邊建筑物影響。

4.3 降水井封孔施工

封孔采取在井管內先填瓜子片然后注漿再灌注混凝土的封堵方法，施工工藝如下:

1)降水運行結束封孔前，先預攪拌2 m3左右的水泥漿，水灰比0.4 ～0.5;

2)井管內填入瓜子片，瓜子片的回填高度應在濾水管頂端以上2 m左右，且在管井內下入注漿管，在井管內設置一個壓板，壓板放置深度為瓜子片回填高度位置;

3)正式注漿前，在井管口用鋼筋固定注漿管，然后開始注漿;注漿完畢，水泥漿達到初凝后，抽出井管內壓板以上殘留水，并及時觀測井管內水位變化情況，當井管內水位無明顯升高時，說明注漿效果較好;

4)達到注漿效果后，即向井管內灌入混凝土，灌入高度略低于地坪面50 cm，混凝土灌注后，及時觀測井管內水位變化情況，以判斷封堵的實際效果;待井管內混凝土初凝，并達到實際封堵效果后，即可割去外露井管;

5)井管割去后，在低于地面下50 cm左右的管口用鐵板焊封，之后用一般填土填入孔洞夯實，封井完畢。

5 結語

在基坑開挖與支護結構施工過程中均未發現有滲水、漏水現象，基坑開挖面始終處于干燥狀態;4號線出入口處的承壓水的水頭得到了有效地降低，很好地確保了基坑底板施工的穩定性，為后續工程的順利施工提供了有利的條件;同時也證明了本工程采用的降水設計與施工有效可行，為類似工程的設計與施工提供了參考。

［1］張勝森.管井降水在深基坑開挖中的應用［J］.山西建筑，2010，36(10):103-104.

［2］李玉歧，謝康和.考慮滲流作用的基坑圍護結構穩定性分析［J］.科技通報，2005，21(4):440-444.