地鐵車站基坑降水方案實例

郭小帥, 石守亮, 何建鋒, 于新政, 黃智國

(黃河勘測規劃設計研究院有限公司,河南 鄭州 450003)

鄭州機許線雙鶴湖北站位于鄭州航空港區工業五路與雍州路交叉路口,沿雍州路南北向敷設,車站總建筑面積為12 670.92 m2,主體結構外包長度為211 m,為地下兩層島式車站,采用明挖法施工。車站主體標準段基坑深度約16.56 m,基坑寬19.7 m;小里程端頭井基坑深度約18.26 m,基坑寬24.9 m。車站頂板覆土約3 m,底板埋深約16.56 m,本車站為地下兩層雙跨局部三跨矩形框架式結構,基坑采用φ1000@1300圍護樁+三道內支撐的支護型式,標準段第一道和第三道支撐均采用φ609、t=16 mm的鋼支撐,第二道支撐采用φ800、t=16 mm的鋼支撐;小里程端第一道支撐采用φ609,第二、三道支撐采用φ800、t=16 mm鋼支撐;大里程端第一、二道支撐及第三道換撐采用φ609,第三道支撐采用φ800、t=16 mm的鋼支撐。

1 工程地質條件

雙鶴湖北站屬條形壟崗洼地地貌單元(圖1),場地主要為新修道路和綠地,兩側為市政綠化帶和農田,地勢較平坦,總體呈西高東低趨勢,地面高程109.33～112.64 m,相對高差約3.0 m[1]。

第①1層雜填土:主要成分為瀝青路面及路基灰土墊層,厚0.50～2.20 m,平均厚度1.24 m;層底埋深0.50～2.20 m,平均埋深1.24 m。

圖1 雙鶴湖北站平面位置示意圖Fig.1 Schematic map of the plane position ofnorth station of Shuanghe Lake

第②32C層粉砂:黃褐色,潮濕,中密為主,層厚1.10～5.00 m,平均厚度3.32 m;層底埋深2.60～7.00 m,平均埋深4.44 m。

第②33層粘質粉土:灰黃色,稍濕,稍密—中密,層厚2.30～7.40 m,平均厚度4.54 m;層底埋深5.80～8.80 m,平均埋深7.48 m。

第②33B層粉質粘土:褐黃色,可塑—硬塑,層厚0.50～1.50 m,平均厚度1.00 m;層底埋深6.50～8.00 m,平均埋深7.33 m。

第②41層粉砂:灰黑—灰黃色,飽和,中密為主,層厚1.50～7.20 m,平均厚度3.98 m;層底埋深10.00～15.00 m,平均埋深12.80 m。

第②41A層粘質粉土:灰黑色,濕,中密為主,層厚0.90～4.10 m,平均厚度2.60 m;層底埋深8.40～14.50 m,平均埋深11.13 m。

第③21A層粘質粉土:黃褐色,濕,中密—密實,層厚1.00～3.50 m,平均厚度1.62 m;層底埋深11.80～18.50 m,平均埋深14.98 m。

第③21層粉質粘土:紅褐色,硬塑—堅硬,層厚6.00～13.50 m,平均厚度9.33 m;層底埋深21.60～25.20 m,平均埋深23.54 m。

第③22層粉質粘土:黃褐色為主,硬塑—堅硬,層厚6.30～9.90 m,平均厚度7.92 m;層底埋深28.00～35.00 m,平均埋深31.46 m。

第③23層粉質粘土:黃褐色、紅褐色,硬塑—堅硬,層厚4.00～11.60 m,平均厚度8.06 m;層底埋深36.00～42.10 m,平均埋深39.52 m。

雙鶴湖北站典型工程地質剖面如圖2。

圖2 雙鶴湖北站典型工程地質剖面圖Fig.2 Typical engineering geological profile of north station of Shuanghe Lake

2 水文地質條件

根據現場鉆探,雙鶴湖北站地下水類型主要為第四系松散堆積物孔隙水。地下水埋深6.10～9.10 m,水位標高102.33～103.55 m,主要賦存于②33層粘質粉土、②41層粉砂和③21A層粘質粉土中,為孔隙潛水,屬弱—中透水層。下部③21層粉質粘土為相對隔水層。

雙鶴湖北站穩定地下水埋深和標高統計見表1,地層滲透系數建議值見表2。

表1 雙鶴湖北站地下水情況統計表Table 1 Statistical table of groundwater situation of north station of Shuanghe Lake

表2 雙鶴湖北站滲透系數建議值表Table 2 Suggested permeability coefficient table of north station of Shuanghe Lake

3 降水井布置方案

3.1 降水目的

(1) 將基坑水位控制在基坑底板以下1.0 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) 防止基坑底部發生突涌,確保施工時基坑底板的穩定性。

(3) 通過科學的降水控制,盡量減少由于降水引起的地表沉降,減小因基坑降水對于周邊環境的影響。

3.2 基坑降水總體思路

雙鶴湖北站地下水位位于地表下6.10～9.10 m左右,水位標高102.33～103.55 m,主要賦存于②33層粘質粉土和②41層粉砂中,下部③21層粉質粘土為相對隔水層。基坑兩端的底板標高為90.194 m(北端頭)、91.704 m(南端頭),需將水位降到標高為89.194 m;基坑中間段的底板標高約為92.804 m,需將潛水含水層的水位降到標高為91.804 m。

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,結合本工程的實際情況,本次降水采取疏干降水方案,具體降水措施有以下幾點:

(1) 對潛水含水層進行疏干處理,即降水井在土層段設計全段進水,將水全部排出,將潛水含水層作為疏干目的層進行疏干降水;

(2) 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“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。

3.3 基坑降水方案

根據平面布置圖,雙鶴湖北站主體基坑長約210 m、寬約20 m,基坑開挖時周邊沒有進行止水處理,為簡化計算,采用均質含水層潛水完整井(③21層粉質粘土為相對隔水層)的計算公式;降水井主要布置于基坑外側,并在基坑內布置少量降水井用于疏干坑內水體。根據場區水文地質條件、現場抽水試驗成果資料及地區性經驗,選擇《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120—2012)附錄E中E.0.1條均質含水層潛水完整井公式估算基坑涌水量[2]:

擬建雙鶴湖北站主體基坑基底標高92.804～90.194 m,潛水含水層③21A粘質粉土層底平均埋深14.98 m,若坑外降水井降至③21A粘質粉土層底,降水后水位標高約為95.0 m;下部③21層粉質粘土為相對隔水層,現場該層新鮮開挖面為硬塑狀,假定該層不含地下水,坑外降水后沿樁間土滲入坑內的少量水體采用集水明排的方式疏干。地下水穩定水位標高取103.06 m,則sd=8.06 m。含水層綜合滲透系數取k=6 m/d,則影響半徑R為112 m,L=210 m,B=20 m,r0=36.57 m(表3)。

表3 基坑涌水量計算成果表Table 3 Table of calculation results of water inflow in foundation pit

單井出水能力:降水井濾管直徑為0.325 m,過濾器進水部分長度考慮主要位于下部隔水層③21層粉質粘土的實際情況,根據經驗取l=0.75 m。

保證每個降水井出水量不至于過大,造成降水、封井困難,同時確保降水效果,實際在坑外設置12口降水井。

降水井大面積施工前先進行抽水試驗,單井的抽水量、井的布置及井的深度必要時根據抽水試驗情況進行調整。

4 基坑降水效果檢測

降水井施工完后,進行抽水試驗驗證降水方案的可實施性。本工程選取1#井進行單井試驗,1#、2#、3#進行群井試驗。每隔半小時記錄一次井內的水位變化情況,單井試驗中抽水12小時后井內水位達到穩定,水位降至潛水含水層③21層粉質粘土以下。

待1#降水井水位恢復到初始水位后,進行群井抽水試驗,同樣每隔半小時記錄一次井內的水位變化情況。群井試驗中抽水5小時后井內水位達到穩定,水位亦降至潛水含水層③21層粉質粘土以下。

通過抽水試驗結果,單井和群井抽水時觀測井內水位下降較快,可以將地下水較好地疏干,達到降水目的。

5 降水方案與三軸攪拌樁止水方案的對比

三軸攪拌樁止水方案是通過在圍護樁外側施工攪拌樁而形成連續止水體,用來阻止或減少基坑側壁及基坑底地下水流入基坑內,然后配合坑內降水井進行降水處理。

5.1 工期對比

由于三軸攪拌樁止水方案需要進行攪拌樁施工(攪拌樁施工工期約1.5個月),完成后再進行坑內降水;而降水方案直接進行坑內降水,比攪拌樁施工方案節約工期約1.5個月。

5.2 經濟效益對比

在止水方案中,三軸攪拌樁僅是止水措施,還需要在基坑內打設少量降水井將基坑內的水排掉。相對于敞開式降水方案而言,工程成本增加200萬元左右。對比兩種方案的經濟效益,降水方案投資更小,經濟效益更優。

5.3 環境影響對比

不采取止水帷幕而直接群井降水對環境影響較大,引起地面不均勻沉降。但該基坑周邊環境較簡單,產生的沉降值在規定允許的范圍內,可采用開放式降水方案。

6 結語

本文通過對雙鶴湖北站基坑降水與止水方案的對比分析,得出如下結論:

(1) 雙鶴湖北站的地質條件和周邊環境條件采用基坑降水方案能較好地滿足工程要求;

(2) 采用基坑降水方案較止水方案更節省工期;

(3) 采用基坑降水方案較止水方案能節約工程投資,經濟效益更優。