臨近既有線地鐵車站深基坑降水施工分析

王住剛

（西安市地下鐵道有限責任公司，陜西西安　710018）

臨近既有線地鐵車站深基坑降水施工分析

王住剛

（西安市地下鐵道有限責任公司，陜西西安710018）

針對復雜地質情況下臨近既有線的深基坑降水施工，通過建立基坑降水數值模擬模型進行降水設計和計算，并對既有線采取自動化監測技術，確定合理的降水方案，提出了減少降水對周圍環境影響的防治措施。采取坑外管井降水和自動化監測技術在臨近既有線降水施工中獲得了良好的效果，可為今后類似工程提供參考和借鑒。

滲透系數降水井自動化監測既有線

工程降水是基坑工程的一個難點，在地下水位較高的地區開挖地鐵深基坑時，由于含水層被切斷，在壓力差的作用下，地下水會不斷地滲流入基坑，將會造成基坑涌水、涌砂、坍塌等事故發生。降水使原有地下水位降落，使臨近基礎下水的浮托力減少，亦使地基土的荷載增加，在大多數情況下，由于附加荷載增加而使土固結，從而造成建筑物的下沉。在臨近既有線地鐵車站深基坑降水施工中，通過建立基坑降水數值模擬模型確定了管井井點降水方案，對既有線采取自動化監測技術，使得降水對周圍環境的影響達到最小。

1　工程概況

1.1工程簡介

西安市地鐵四號線行政中心站位于張家堡廣場內，沿鳳城八路方向東西向布置，為二號線與四號線換乘車站，二號線已于2011年投入運營，張家堡廣場南北長約326米，東西長約328米，廣場內除二號線既有車站及主變電站外無其他重要建構筑物，廣場內影響車站的管線在二號線施工時已改至廣場以外。車站基坑長度255米，基坑標準段寬32米，深約22米，局部開挖深度24.05～26.41m，車站中部換乘節點在二號線車站施工時已預留。車站采用明挖順作法施工，基坑圍護結構采用鉆孔灌注樁，基坑內設鋼筋混凝土和鋼管支撐，結構設計均為現澆鋼筋混凝土箱型框架結構，結構外設置外包防水層。

1.2工程地質及水文地質條件

車站位于渭河一級階地后緣帶，地勢平坦，場地在勘探深度50.0m范圍內的地層主要為第四系堆積物，即由全新統人工填土（Q4m l）、沖擊（Q4al）黃土狀土、粉質黏土、粉細砂、中砂、粗砂和上更新統沖擊（Q3al）粉質粘土、中砂、粗砂組成。

地下水潛水位埋深14.70～17.00m，水位高程366.97～368.37m，地下水位受區域內降雨量的年度不均勻分布影響。根據勘察及區域地質資料，車站覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為強透水的中砂、粗砂和弱透水的黏性土，潛水含水層底板埋深大于80m。

2　降水施工風險分析

地下開挖勢必引起周圍巖體、既有二號線以及地表沉降和變形，而這種變形達到一定程度時，將會影響二號線正常運營，一旦發生工程事故，造成的影響和后果將會特別嚴重；本工程降水段處于砂層，砂層致密，從前期二號線的降水情況來看，降水對周邊環境影響不大，但是局部有粉細砂，在降水施工過程中容易出現滲水、涌水及涌砂現象。

3　降水方案選擇

擬建工程為地下工程，車站主體基坑開挖深度22.0m左右，局部深度為22.95～26.41m，地下水位埋深在14.0m左右，按地下水位保持在基坑底部以下0.5～1.0m要求，水位降深最大約13.5m。根據工程地質條件、水文地質條件、施工方法及基坑周邊建筑物環境條件，結合西安地鐵二號線及鄰近場地基坑降水工程經驗，本區間降水采用坑外管井降水。

3.1降水設計計算

3.1.1滲透系數選用

主要含水層為中砂，結合該地區及周邊地區的降水經驗，該車站及明挖段計算時采用的綜合滲透系數取30m/d。

3.1.2計算模型

根據本區間結構特征、周邊建筑物情況、地層地質特點，周圍水文地質條件及降深，同時結合地鐵施工降水的特點，該部分設計分兩個區間進行計算（二號線的東側和西側），同時考慮降水對已有二號線的影響，在設計中考慮將二號線水位也降至原基坑開挖深度下1m。計算模型：按潛水完整井，基坑遠離邊界。用理正降水軟件進行計算分析。

3.1.3西側基坑降水計算

西側基坑長88m，標準段寬31m，局部段寬12.5m，為不規則塊狀基坑；行政中心車站西側基坑基本參數見表1；根據文獻［2］潛水完整井，基坑遠離邊界時，涌水量按公式E.0.1計算。

（1）計算參數：降水井成井直徑700mm，井管直徑500mm，井深35m；任意點降深計算公式采用文獻［2］，計算水位降深14（m），水頭高度21（m），滲透系數30（m/d），過濾器半徑0.275（m），單井出水量360（m3/d）。

（2）計算結果：

①基坑涌水量計算：降水影響半徑R=702.794（m）；基坑等效半徑r0=29.662（m）；基坑涌水量=11536（m3/d）。

②降水井的數量計算：按文獻［2］計算：單井出水量按360（m3/ d）計算，需要降水井的數量：28口。

③單井過濾器進水長度計算：按文獻［2］計算：單井過濾器進水長度=6.569（m）。

④各點降深計算：降深根據文獻［3］按井數、井位、各井抽水量計算：指定范圍內最小降深=8.214（m），最大降深=15.012（m），降水區域內各點降深均可達到設計要求降深。

建立地下水動態監測網，確定監測井6口，平均分布于降水區域內；對水位、出水量、是否攜帶泥沙、降水泵運轉情況等進行實時監測，及時分析降水過程中不正常狀況及產生原因，提出調整及補充措施，確保達到設計降水深度。

表1　行政中心車站西側基坑基本參數

表2　行政中心車站東側及明挖段基坑基本參數

圖1　降水井平面布置圖（西側）

圖2　降水井平面布置圖（東側）

3.1.4東側基坑降水計算

本部分將車站東部和明挖段降水整體考慮，基坑長182m，車站長約124m，標準段寬37m，局部段寬慰12.6m，明挖段長約58m，寬度范圍為12.1～24.1m，為不規則塊狀基坑；行政中心車站東側基坑基本參數見表2；根據文獻［2］潛水完整井，基坑遠離邊界時，涌水量按公式E.0.1計算。

（1）計算參數：降水井成井直徑700mm，井管直徑500mm；井深35m；任意點降深計算公式采用文獻［2］，計算水位降深12（m），水頭高度21（m），滲透系數30（m/d），過濾器半徑0.275（m），單井出水量360（m3/d）。

（2）計算結果：

①基坑涌水量計算：降水影響半徑R=602.395（m）；基坑等效半徑r0=42.255（m）；基坑涌水量=12466（m3/d）。

②降水井的數量計算：按文獻［2］計算：單井出水量按360（m3/ d）計算，需要降水井的數量=41口。

③單井過濾器進水長度計算：按文獻［2］計算：單井過濾器進水長度=8.762（m）。

④各點降深計算：降深根據文獻［3］按井數、井位、各井抽水量計算：在指定范圍內：最小降深=8.073（m），最大降深=14.866（m），降水區域內各點降深均可達到設計要求降深。

建立地下水動態監測網，確定監測井8口，平均分布于降水區域內；對水位、出水量、是否攜帶泥沙、降水泵運轉情況等進行實時監測，及時分析降水過程中不正常狀況及產生原因，提出調整及補充措施，確保達到設計降水深度。

3.2管井位置確定

根據車站結構尺寸等因素綜合考慮確定降水井距的位置。考慮地下結構施工操作空間及盡量避免降水井置于結構中（以免與結構施工發生矛盾）。因此，確定降水井中心距基坑外邊緣不小于3m。根據工程地質及水文地質情況，結合水位降深要求，設置降水井深度35m，平均井間距約10～14m。具體布井詳見圖1、圖2。

地鐵二號線目前正在運行，施工時，二號線兩側的降水井應同時開啟，防止出現過大的不均勻沉降影響二號線的正常運行。

4　自動化監測技術

4.1監測目的與內容

4.1.1監測目的

（1）為了對受施工影響范圍內運營地鐵車站段進行變形變位自動、連續、跟蹤監測，準確測量出隧道結構局部或整體變形的準確位置、變形量值、變形方向和變化速率，實時動態并準確地掌握非地鐵施工過程中對地鐵結構和地鐵運營安全影響的程度，以便采取針對性的預防措施，防止車站結構局部或整體變形變位擴展。

（2）為了檢驗對運營地鐵隧道結構的安全保護設計及施工是否達到保護目的，及時消除影響隧道結構安全的隱患。

4.1.2監測內容

從基坑開挖至主體結構完成整個期間，測量施工影響范圍內的地鐵二號線隧道結構的沉降、軌道水平位移、軌距監測、道床沉降四項監測項目。

4.2測量機器人自動化監測系統

測量機器人自動化監測系統以基于一臺測量機器人有合作目標（照準棱鏡）的變形監測系統為基本單元，可以由多個基本單元通過網絡連接起來組合形成一個測量機器人遠程網絡監測系統。

系統組成：遠程無線遙控測量機器人變形監測和分析系統主要由3個單元組成，控制單元一般在辦公室內，通過具有固定IP的萬維網發送指令和接收數據；數據傳輸及數據采集單元通過有線形式連接，將控制單元的指令轉發給數據采集單元并將數據采集單元的數據簡單處理后轉發給控制單元，數據采集單元置于作業現場，根據控制單元的指令采集相應數據。其監測系統，詳見圖3。

圖3　自動化監測系統

5　降水施工出現的問題與應對措施

5.1不均勻沉降控制措施

根據既有二號線自動化監測結果及基坑變形監測結果，若基坑周圍建筑物或其他構筑物沉降變形達到警戒值，立即通報各施工單位，同時停止施工，必要的時候進行回填反壓，增加變形監測的頻次，阻止事態的進一步發展。待建筑物或地面沉降變形趨緩后，再采取相應的加固措施，把降水對地基的變形影響降至最低。

5.2降水井涌砂控制措施

此處地下水均位于砂層，砂層致密，壓縮模量較大，且根據地鐵2號線行政中心站的沉降監測資料，一般抽水造成的地面沉降小于10mm，且周邊無重要建筑物，因此在不涌砂的條件下，基坑降水對周邊的環境影響不大。

但若發生涌砂，產生的次生災害將極為嚴重，可能會引起大規模地面沉降、塌陷等，故降水井嚴禁發生涌砂，本工程采取的防止涌砂措施：

（1）采取合適的成井工藝。采取無泥漿清水反循環鉆進成井工藝、濾料厚度10cm、濾料粒徑3～5mm。

（2）加強包封處理。濾水管通常用2層60目的紗網進行包封，需用鐵絲固定防止脫落；并需特別注意管井間的連接處理。

（3）加強封井措施。井底可采用1m厚3～5mm礫石或應采用不小于0.5m厚度的低含水量素混凝土封底。用混凝土封底時需要注意封填方式，建議采用帶封口的麻袋放至井底附近再打開。

（4）采用低泵型抽水泵抽水，局部將深比較大的地方采用稍大抽水泵，出水量控制在15～25m3/h，防止抽水對地層擾動大。

（5）控制抽水泵的位置。水泵不宜放置位置太低，距離井底3m出為宜。

（6）35m以下砂層較厚，打穿后水量太豐富，因此設計采用縮小井間距，減少井深來滿足降水要求。

（7）在基坑周邊及坑內設置水位觀測井，密切注意井中水位的變化，一旦滿足降水要求，就不在進行大幅度降低水位。同時觀測井同降水井結構，水位將深不滿足施工要求時，可將觀測井作為降水井使用。

5.3基坑壁滲水控制措施

如基坑壁出現滲水現象，則先在滲水部位壘沙袋并設置排水孔，在排水孔周圍設置反濾層，確保排出的水體為清水，不得攜帶泥沙。如果是由于其他原因造成的坑壁滲水，則應加強滲水部位外側的降水強度，使該部位水位下降。

6　結語

在地鐵的建設過程中，不可避免的會碰到臨近既有線深基坑降水的問題。在基坑開挖過程中，如土層的地下水位位于基坑開挖地層標高以上時，將不可避免的會遇到基坑降水止水問題。為了減少基坑降水對周邊環境的影響，有必要對基坑降水進行研究，發現并解決一些基坑降水止水問題。本文主要研究臨近既有線基坑降水方案選擇和既有線自動化監測技術。本文獲得的主要成果如下：

（1）基坑降水方案的選擇應充分考慮工程地質條件、水文地質條件、施工方法及基坑周邊建筑物環境條件，根據主要含水層為中砂，綜合滲透系數30m/d，確定采用坑外管井降水方案。

（2）采用對地質資料分析并建立了基坑降水數值模擬模型，計算模型：按潛水完整井，基坑遠離邊界；使用理正降水軟件進行計算分析，確定基坑涌水量及降水井設計參數。

（3）基坑降水期間對既有線結構的沉降、軌道水平位移、軌距、道床沉降等進行自動化監測，實時掌握施工對既有線的影響，并及時采取相應措施，保證地鐵安全運營。

（4）通過工程實踐，提出了基坑降水過程中不均勻沉降、降水井涌砂、基坑壁滲水等防治措施。

［1］北京城建集團有限責任公司.GB50299-1999（2003版）地下鐵道工程施工及驗收規范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［2］中國建筑科學研究院.JGJ120-2012建筑基坑支護技術規程［S］.北京：中國建筑工業出版社，201 2.

［3］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［4］包宏濤.某地鐵車站深基坑降水設計及施工問題分析［J］.鐵道建筑技術，2012（S2）：62-65.

［5］熊興國.濕陷性黃土地區地鐵車站深基坑降水施工技術［J］.城市軌道交通研究，2009，12（3）：61-64.

［6］李福成.富水砂層中的深基坑降水技術［J］.鐵道建筑技術，201 2（5）：4-7.

王住剛（1985—），男，陜西乾縣人，2006年畢業于西安建筑科技大學土木工程專業，學士，工程師，現從事地鐵工程安全質量管理工作。