某城市地鐵站基坑降水方案設計及研究

王 靜

(上海長凱巖土工程有限公司，上海 200433)

1 工程概況

某地鐵站為地下3層島式站。車站設計起點里程為ZK9+428.490，車站設計終點里程為 ZK9+580.990，車站外包尺寸全長154.5 m。車站主體標準段基坑深約24.06 m，基坑寬約20.3 m;盾構井段基坑深約25.86 m，基坑寬約24.3 m。車站兩側均為盾構區間，車站小里程為盾構始發，大里程端為盾構接收(見圖1)。

2 工程地質和水文地質條件

2.1 工程地質條件

擬建場地地勢總體平坦，局部地段稍有起伏，勘察期間測得自然地面標高一般為3.14 m～5.66 m左右，地貌類型屬于“沖—海積水網化平原(Ⅱ2區)”。

根據詳勘揭露的地層資料，擬建場地在80.20 m深度范圍內地層屬第四系全新統(Q4)及上更新統(Q3)長江下游三角洲沖積層。擬建場地地基土層自上而下可分為7層、14個亞(夾)層，從上至下各地層分別為雜填土、素填土、浜土、砂質粉土、粉砂、粉質粘土、粘質粉土夾粉質粘土、粉砂夾粉土、砂質粉土夾粉砂、粘質粉土、粉砂、粉質粘土夾粉土、中砂。

2.2 水文地質條件

2.2.1 潛水

根據區域資料，近3年～5年擬建工程最高潛水位為3.00 m左右，最低潛水位0.00 m左右，年變化幅度一般為1 m～3 m。

詳勘期間(2018年10月～2019年1月)測得潛水水位埋深約 0.50 m～2.70 m(標高約 3.76 m～1.59 m)，初見水位與穩定水位埋深相當。根據觀測成果，本區域淺部地層以粉性土、砂土為主，土層滲透性好，有利于地表水和潛水的相互補給，根據工程經驗地表水與地下水水力聯系較為密切。

2.2.2 承壓水

本工程擬建場地分布有厚度約為3.2 m～7.9 m(平均厚度為4.63 m)的第④1層粉質粘土層，隔水性能較佳，屬微透水層。其下部分布有厚度約為3.0 m～8.5 m(平均厚度為6.07 m)的第④1t層粘質粉土夾粉質粘土層，總體上透水性較差，有一定的隔水性能，屬弱透水層。

第Ⅰ承壓水一般賦存于30 m左右深度以下的砂土、粉土層中，主要接受徑流及越流補給，據區域水文地質資料，水頭埋深2 m～5 m。本工點第④1t層以及下伏的第⑤1層、第⑤3層、第⑤3t層與第⑥層及第⑦層直接相連，故可作為第Ⅰ承壓含水層一并考慮，故該層地下水存在承壓性，潛水與承壓水之間有弱水力聯系。

3 降水風險分析

3.1 基坑穩定性分析

本工程基坑開挖深度較深面臨承壓水突涌危險，為保證基坑開挖安全必須進行基坑抗突涌驗算，如圖2所示。

圖1 基坑平面布置示意圖

圖2 基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理示意圖

根據力學平衡原理可知，在基坑底板與承壓含水層頂板之間，只有土的自重大于承壓含水層頂板處所能承受的支承托力，基坑底板才能有效抵抗突涌危險。承壓水位控制比例可如下計算［1］:

其中，PS為承壓含水層頂面至基底面間的上覆土壓力，kPa;PW為初始狀態下承壓水的頂托力，kPa;hi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，m;γsi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m3;H為高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m;γw為水的重度，工程上一般取 10.00 kN/m3;FS為安全系數，工程上一般取1.05～1.20。

根據工程實際，以及對參數選取和計算，其他5個附屬基坑均需要對④1t層進行減壓處理。減壓幅度為4.86 m～10.26 m。

基坑三、基坑四、基坑六三個不需要對⑤1層進行處理，剩余基坑均需要對⑤1層進行減壓處理。車站主體基坑減壓幅度最大，減壓幅度為17.61 m～21.00 m。

第⑤3層在基坑施工期間，商業基坑開挖深度小于臨界開挖深度，不需要減壓，主體車站基坑開挖深度大于臨界開挖深度，需要進行減壓處理，減壓幅度為 9.03 m～11.45 m。

第⑥層在基坑施工期間，附屬基坑開挖深度小于臨界開挖深度，均不需要減壓，主體車站基坑開挖深度大于臨界開挖深度，需進行減壓處理，減壓幅度為2.28 m～5.67 m。

3.2 地下水風險分析

通過分析本工程地質概況、水文地質特征以及圍護結構，降水施工的可靠性直接影響本基坑工程的安全穩固，因此，最大程度的降低地下水的風險影響具有重要意義。

根據實地詳勘數據分析，本基坑開挖深度范圍內地下水含量豐富，而成分不均的粉土、粉砂等土層具有較大滲透性，基坑開挖時易產生流砂、坍塌等現象。依據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》判斷本降水工程復雜程度為復雜，地下水控制設計施工的安全等級為一級。

4 基坑降水設計

為保證基坑安全，須對承壓含水層采取有效的減壓降水措施，本案例開挖底板在第④1層粉質粘土層，地下連續墻深度進入第⑤3層，未完全隔斷承壓含水層，故為懸掛式降水。為防止產生基坑突涌破壞，在基坑開挖前應分層進行專項生產性抽水試驗，另需在坑內坑外布置適量的備用觀測井，作為水位觀測井觀測基坑中的水位，指導基坑降水運行，同時可兼作備用井抽水［2］。

4.1 水文地質參數選取

本工程降水設計水文地質參數如下:

1)潛水靜止水位埋深分布取2.5 m;承壓水靜止水位埋深分布取 3.3 m。

2)水文地質參數如表1所示。

表1 降水設計水文地質參數表

4.2 減壓降水設計

4.2.1 車站主體基坑減壓降水設計

車站主體基坑對于第⑤1，第⑤3，第⑥各承壓含水層獨立降水，單獨布置降水井。具體布置如下:

減壓降水深井孔徑650 mm，井管及過濾器外徑273 mm。

第⑤1層布置12口降壓井，井深42 m，過濾器長度10.00 m。

第⑤3層布置10口降壓井，井深52 m，過濾器長度6.00 m。

第⑥布置9口降壓井，降壓井深為60 m，過濾器長度6.00 m。

在減壓降水運行過程中，一旦勘察孔和監測孔突水，要求降水最大能力是將水位控制在開挖面以下1 m左右。本次降水設計暫不考慮勘察孔和監測孔，僅根據穩定性計算，“按需降水，分層降水”原則進行降水設計，同時利用visual modelflow模擬降水效果。

4.2.2 附屬基坑減壓降水設計

根據抗突涌計算，基坑減壓降水情況如下:

1)附屬基坑六。

基坑六只需對④1t層進行減壓降水，根據降深要求，在基坑六中布置7口④1t層降壓井，井深為30 m，過濾器長度為5 m。

2)附屬基坑四。

基坑四需對④1t層進行減壓降水，局部深坑位置需要對⑤1層進行減壓降水。根據降深要求，在基坑四中布置3口④1t層降壓井，井深為30 m，過濾器長度為5 m。布置1口⑤1層和④1t混合降水井。井深35 m，過濾器10 m。

3)附屬基坑三。

基坑三需對④1t層進行減壓降水，根據降深要求，在基坑三中布置6口④1t層降壓井，井深為30 m，過濾器長度為5 m。

4)附屬基坑二。

基坑二需對④1t層進行減壓降水，局部深坑位置需要對⑤1層進行減壓降水。根據降深要求，在基坑二中布置2口④1t層降壓井，井深為30 m，過濾器長度為5 m。布置5口⑤1層和④1t混合降水井。井深35 m，過濾器10 m。

5)附屬基坑五。

基坑五需對④1t層進行減壓降水，局部深坑位置需要對⑤1層進行減壓降水。根據降深要求，在基坑五中布置9口④1t層降壓井，井深為30 m，過濾器長度為5 m。布置2口⑤1層和④1t混合降水井。井深35 m，過濾器10 m。

4.3 水位觀測及備用井設計

本工程基坑地質條件復雜，地下水滲透性好，若基坑圍護結構對地下水隔水效果不理想，在坑內直接抽降地下水將引起坑外地下水的同步變化，加劇坑外地面的沉降程度，造成惡劣的環境影響。因此，坑外需布置水位觀測井，實時監測坑外水位變化情況［3］。

坑外水位觀測井按照約20 m/組布置，共布置18組，每組各有1口潛水觀測井和④1t與⑤1層混合層層壓觀測井兼回灌井水組成。井深分別為16 m，30 m。

基坑東側增加⑤3層水位觀測井兼回灌井，按照20 m間距布置。共布置6口井深為52 m。

4.4 疏干井設計

4.4.1 根據工程經驗計算疏干井數

為確保基坑順利開挖，需降低基坑開挖深度范圍內的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括第②層、第③2層、第③3層，尤其是第③2層、第③3層，這兩土層滲透系數大，水量豐富［4］。

坑內疏干深井數量按下式確定:

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

本工程土層滲透系數大，水量較大，該地區單井有效疏干面積a井為150 m～250 m綜合考慮，單井有效疏干面積取值250 m2。疏干井布置如表2所示。

表2 疏干井布置表

4.4.2 疏干降水深井布置原則

疏干降水深井的布置原則為:井深宜進入坑底6 m～8 m;井平面位置最終施工時應避開坑內支撐、格構柱、工程樁、坑內加固等位置，過濾器以分斷面過濾器為主［1］。

成井施工結束后，即可在疏干管井內及時下入泵、鋪設排水管道、電纜線等，另外，為避免電纜與管道系統在抽水過程中不被挖土機、吊車等碾壓、碰撞損壞，設計時需合理布置，并在現場對這些設備上進行標識［5］。抽水與排水系統安裝完畢，即可開始試抽水。

5 結語

在地鐵站的施工及后續維護使用中，基坑降水技術對整個工程的安全和質量起著極其重要的作用，科學合理的降水方案是工程降水效果和工程降水質量的保障，也是地鐵站在施工和后續維護使用中的安全壁壘。本工程通過對地鐵站點進行水文地質勘測和分析，提出符合該站點地鐵安全施工要求和地質特點的降水設計，在基坑開挖中，取得了良好的降水效果和沉降控制效果，可為同類工程降水處治提供參考。