地鐵車站基坑降水設計與效果分析

楊 卓 平

(天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300000)

地鐵車站基坑降水設計與效果分析

楊 卓 平

(天津市地下鐵道集團有限公司，天津 300000)

結合某地鐵深基坑工程案例，依據工程的地質條件，對基坑降水方案進行了研究，并對涌水量、降水井數量作了計算分析，通過降水試驗結果，總結出了基坑降水的技術要點，使基坑開挖達到無水狀態。

基坑，降水，計算，試驗

1 概述

當地下水位較高或有豐富地面滯水的地段進行基坑工程土方開挖施工時，常會遇到含水層被切斷，地表和地下水大量侵入，不僅土方開挖困難，邊坡易于塌方，而且使地基承載力降低，導致工程建成后建筑物產生不均勻沉降；或出現管涌、流砂、坑底隆起等變形現象，影響臨近建筑物使用安全和工程順利進行，因此基坑的排、降水常常是開挖施工前必須解決的重大技術問題。采用合理有效的排水或降低地下水位措施，使基坑開挖達到無水狀態，以保證工程質量和施工的順利進行。一般情況下，基坑開挖前應具備以下條件：1)將基坑水位控制在坑底以下1 m，降低坑內土體含水量，方便挖掘機和工人在坑內施工作業，有利于坑內土體的邊坡穩定，防止坑內土體滑坡。2)降低承壓含水層的承壓水水頭，防止基坑底部發生突涌，確保施工時基坑底板的穩定性，同時盡量減少由于降水引起的地表沉降，減小基坑降水對周邊環境的影響。

2 工程概況及地質條件

本站為地下兩層雙柱三跨島式站臺，自然地坪高程+1.48 m，車站主體結構長約320.8 m，結構標準段總寬度33.46 m，車站標準段基坑開挖深度約18.5 m，端頭井基坑開挖深度約19.87 m。車站端頭處有一棟五層居民樓，筏板基礎，距離車站基坑11.4 m。基坑圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，地連墻接縫處施作品字形布置的高壓旋噴樁用來止水，基坑中間設置兩道分隔墻，將基坑分為三個區域， 此次降水區域主要針對南區實施，南區圍護結構深度為38.5 m～42 m，墻底標高為-37.02 m～-40.52 m，如圖1所示。

根據勘察報告等調查資料，本場地內表層地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第Ⅱ陸相層中及其以下粉砂及粉土層中的地下水具有承壓性。各土層的滲透系數值見表1。

3 降水設計及試驗

3.1 降水設計方案

為了保證基坑土體疏干、坑底土體穩定性、不產生突涌等滲透問題，根據本車站地質條件、施工環境、水位降深要求等因素，綜合考慮采用深井管井降水方法，采取坑內疏干降水和減壓備用的綜合降水方案，將基坑內地下水位降至基坑底以下1 m，從以下兩個方面采取措施：1)基底進入第一承壓含水層，故將其作疏干處理，即疏干井需進入第一承壓含水層一定深度，將第一承壓含水層一并作為疏干目的層進行疏干降水。第二承壓含水層⑨13粉土、⑨14粉砂、⑩2粉砂相對較薄且不連續，多以透鏡體的形式存在，基坑圍護結構已經將上述含水層隔斷，根據疏干井設置深度進入基底以下6 m，疏干井井底已經大部分進入到⑨13粉土、⑨14粉砂層。因此本次降水設計將第二承壓含水層所包含的連續的平均厚度約3 m的2粉土、24粉砂層作為第二含水層的主要目的層考慮。2)由于基坑周邊環境比較復雜，道路管線和建筑物較多，且距離基坑較近，對沉降要求較高，考慮基坑自身風險，在坑外布置部分觀測井，及時掌握坑內減壓降水對坑外水位的影響。同時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，盡量減小坑外水位下降對環境的影響。

表1 滲透系數建議值表 ×10-6 cm/s

3.2 降水設計計算

參考相關文獻及規范，疏干井計算如下：

1)涌水量計算。

a.基坑潛水涌水量估算:

Q1=μAs。

其中，Q1為基坑涌水量(潛水含水層涌水量，m3)；μ為疏干含水層的給水度；A為基坑開挖面積；s為基坑開挖至設計深度時的疏干含水層中平均水位降深。

經計算：

Q1=0.03×2 175×15=979 m3。

b.基坑第一承壓水涌水量估算:

Q2=μAs=0.045×2 179×5=490 m3。

c.基坑越流補給水量估算:

Q3=A·k·(Δh/L)·t。

其中,A為基坑總面積，約2 179 m2；k為第二、三承壓含水層之間弱透水層的垂向滲透系數，結合勘察報告取0.01 m/d；Δh為第二、第三承壓含水層水頭差，Δh=-4-(-19)=15 m；L為滲流路徑，結合地質剖面圖，平均取3 m；t為疏干降水時間，本工程基坑疏干預降水時間為15 d～20 d。

計算得：

Q3=2 179×0.01×(15/3)×15=2 070 m3。

因此，基坑總涌水量：

Q=Q1+Q2+Q3=979+490+2 070=3 539 m3。

2)基坑降水井數量計算。

為確保基坑順利開挖，需要降低基坑開挖深度范圍內的土體含水量。

a.坑內疏干井數量按下式確定：

n=A/a。

其中,n為井數量,口；A為基坑需疏干面積,m2；a為單井有效疏干面積，m2。

根據本地區經驗，單井有效疏干面積按250 m2考慮。

主體基坑區需要疏干面積約2 179 m2，本工程單井有效疏干面積取250 m2。計算得，主體基坑區需要布置9口疏干井。

b.根據公式：

其中,n為疏干降水井數量；Q為基坑需疏干的總涌水量，m3；q為單井涌水量，結合基坑范圍內需疏干各土層的滲透系數，取q=30 m3/d；t為基坑開挖前預降水時間(按15 d計算)。

計算得：基坑內需布置疏干井9口。與上述按有效疏干面積計算所得井數基本相近，因此基坑內布置9口疏干井。

3.3 降水試驗

本次降水基坑內9口降水井S-37，S-38，S-40，S-18～S-23作為抽水井，1口降水井S-39作為坑內水位觀測井，共分四步進行，持續時間11 d。第一步：基坑9口抽水井水泵放置深度15 m，同步觀測坑內水位觀測井及坑外觀測井水位，抽水持續時間2 d。此時間段內坑內抽水井動水位均已降至地面下14.5 m左右，各井出水量有所減小，出現斷流跡象；坑內疏干井觀測井水位穩定在-12.3 m；同時坑內5口減壓備用井水位也有明顯下降。第二步：基坑9口抽水井水泵放置深度24 m，同步觀測坑內水位觀測井及坑外觀測井水位，抽水持續時間3 d。此時間段內坑內抽水井動水位只能降至-18 m左右，各井出水量沒有明顯減小，坑內疏干井觀測井水位穩定在-15.2 m。同時坑內5口減壓備用井水位繼續下降。 第三步：由于第二步抽水期間，坑內水位觀測井水位只能穩定在-15.2 m位置，不能滿足水位降至基底以下1 m的要求，且基坑內抽水井動水位只能降至-18 m左右，并未達到井底，各抽水井并未出現斷流，因此更換出水量更大的水泵進行集中抽水4 d。第三步抽水期間，坑內抽水井動水位均已降至-23 m左右，各井出水量有所減小，出現不同程度的斷流跡象，坑內疏干井觀測水位穩定在-19.4 m，同時坑內5口減壓備用井水位繼續小幅下降。 第四步：水位恢復階段。基坑所有抽水井停止降水運行，觀測基坑水位恢復情況，水位恢復時間為2 d。通過此次降水試驗發現基坑對應的淺層水、⑨13層、⑨14層承壓水、⑩2層、2層承壓水均出現不同程度的水位下降，隨含水層深度由淺到深，水位下降幅度逐漸增加，且承壓水觀測井存在個別位置觀測井水位下降較大。

3.4 施工監測

此次降水期間，地表沉降累計最大為-6.62 mm，建筑物近基坑點沉降變化較大，最大沉降值為-12.8 mm，近基坑點累計沉降值大于遠基坑點累計沉降值，建筑物沉降縫兩側變化不同，遠基坑部分不均勻沉降較近基坑部分小，此棟建筑物受降水影響明顯，降水試驗過程中沉降速率進一步加大。

4 原因分析及措施

4.1 原因分析

通過對降水結果進行分析，初步判斷此基坑范圍各含水層之間存在一定的水力聯系，基坑有較大水源補給，坑外水位下降主要是深層承壓水水位下降，上部越流補給所導致，具體原因可能有以下幾個方面：

1)地下連續墻局部存在滲漏現象，出現過水通道，導致基坑內外水力聯系密切。可能是墻體中夾泥或淤積物在水頭壓力下失去穩定在墻體內或邊界上形成集中滲漏通道。2)地下連續墻接縫處的高壓旋噴樁施工質量較差，未能達到密閉效果。可能包括由于施工機械故障、管線等影響形成的施工冷縫，在采用高噴樁封閉止水帷幕過程中封閉不徹底，不能達到止水要求的滲透系數、強度等的要求。3)本站地質復雜，相對隔水層起伏大，可能存在相對隔水層在基坑中部某處局部缺失或薄弱，地下水從基坑底部補給。

4.2 可采取的措施

1)基坑外圍止水帷幕加深。根據基坑降水試驗分析結果，坑內外水力聯系緊密。因此，在既有地連墻外側，設置連續旋噴樁止水帷幕，加深地連墻底部止水帷幕長度，上部與既有地連墻搭接。2)鄰近基坑的建筑物采取補償注漿的保護措施。建議從坑內打設注漿管，對建筑物采取補償注漿方案，控制建筑物絕對沉降變形及不均勻沉降變形，達到建筑物保護目的。3)地連墻接縫處墻底注漿措施。針對地連墻工程，接縫為防水薄弱部位。建議對每個地連墻接縫處，墻底附近進行注漿，加強接縫止水效果。4)坑外回灌措施。鑒于周邊建筑物風險級別較高，建議坑外設置回灌井，必要時啟動。

5 結語

在基坑降排水設計和施工過程中，應注意以下幾個方面：

1)當采用地下連續墻做止水帷幕時，應當確保地連墻的施工質量，尤其是地連墻接縫處的處理，保證降水前止水帷幕的完整性。2)在基坑土方開挖與支護的過程中，出現局部地質變異性大、局部流砂或涌水、積水現象也是在所難免的，應從基坑水文地質條件及周邊環境出發，因此充分考慮相應的應急預案或處理措施是十分必要的。3)在基坑工程中一定要謹慎處理地下水，采取優化合理的降水方案以降低對坑外地下水的影響；同時要加強施工期間的觀測，及時調整施工方案，并采取有效的措施防止周圍地面破壞性的沉降。

[1] 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.

[2] 雷振華．深基坑工程降水技術淺析[J]．隧道建設，2006(4):23-26.

[3] 王君連.工程地下水計算[M].北京：中國水利水電出版社，2004.

Analysis on foundation precipitation design and effect of subway station

Yang Zhuoping

(TianjinSubwayGroupCo.,Ltd,Tianjin300000，China)

Combining with the subway foundation engineering cases, according to engineering geology conditions, the paper studies the foundation precipitation scheme, and calculates and analyzes inflow and precipitation well quantity. Through precipitation testing results, it summarizes foundation precipitation technology points, so as to make the foundation excavation in the anhydrous state.

foundation, precipitation, computation, experiment

2015-01-16

楊卓平(1982- )，男，工程師

1009-6825(2015)09-0063-03

TU463

A