軟土地區地鐵車站深基坑降水問題探討

□文/馮恒北

隨著城市建筑復雜程度、密集程度越來越高，基坑工程周邊環境變形控制要求也越來越高。基坑施工會引起周邊巖土體變形，為保證周邊既有建（構）筑物、周邊路面、地下管線等設施的正常使用，要將基坑施工引起的周邊變形控制在安全范圍以內。土方開挖和地下水抽取是引起基坑周邊變形的直接原因，土方開挖卸載改變了周圍巖土體的應力、應變狀態，影響范圍內的巖土體應力勢能朝開挖面釋放，進而引起巖土體的隆起變形[1～3]，而基坑降水主要是引起疏干范圍內土體的固結沉降以及水位以下地下水滲流力引起土體變形[4～7]。

本文以天津地鐵6號線某車站基坑工程為背景，采用MODFLOW軟件建立數值模型，根據設計工況分析降水對周邊環境的影響，將實際數據與模擬結果進行對比驗證，找出評估類似條件下基坑開挖降水對周邊影響的有效方法。

1 工程概況

車站主體采用明挖順作法施工，圍護結構為800 mm厚鋼筋混凝土連續墻+內支撐的形式，站后接出入段線。車站主體基坑呈喇叭口狀，標準段總寬度為21.1 m，基坑深為17.03 m；小里程盾構井段寬25.7 m，基坑深18.66 m；大里程盾構井段寬48.77 m，基坑深19.66 m。場地整平地面大沽標高為3.370 m。

2 工程地質及水文地質概況

2.1 工程地質

根據勘察揭示，場地自上而下為①1雜填土、④11黏土、⑥1粉質黏土、⑥2淤泥質土、⑥3黏質粉土、⑥4粉質黏土、⑦粉質黏土、⑧1粉質黏土、⑧23粉砂、⑨1粉質黏土、⑨2粉砂、⑩21粉砂、?21粉砂、?3粉質黏土、?4粉砂、?5粉質黏土。

2.2 水文地質

場地淺層地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于Ⅱ陸相層及以下的粉土、砂層的地下水具承壓性，為承壓水。

2.2.1 潛水

埋藏較淺，勘測期間本工點地下水初見水位不明顯，穩定埋深1.70～2.90 m（高程0.54～1.95 m），主要賦存于人工填土(Qml)、上組陸相沖積層(Q43al)及海相沉積層(Q42m)的黏性土及粉土中，含水層水平、垂直向滲透性差異較大，當局部地段夾有粉砂薄層時，其富水性、滲透性相應增大。

2.2.2 第一承壓含水層

下組陸相沖積層(Q41al)，⑧2黏質粉土、⑧23粉砂，厚度0.80～5.00 m；上更新統第五組陸相沖積層（Q3eal），⑨2粉砂、⑨21細砂、⑨23黏質粉土，厚度1.00～11.40 m；上更新統第四組濱海～潮汐相沉積層（Q3cal），⑩21粉砂、⑩22細砂，厚度1.20～4.10 m；上更新統第三組陸相沖積層（Q3cal），⑩21粉砂、⑩22細砂，厚度2.30～7.60 m；上更新統第三組陸相沖積層（Q3cal），○14粉砂、○141細砂，揭露最大厚度12.00 m，透水性好，富水性強。

3 重難點分析

1）工程地質條件復雜，基坑開挖范圍內存在⑥1粉質黏土、⑥2淤泥質土、⑥4粉質黏土及其夾層淤泥質土，流塑狀為主，局部軟塑狀。此類土層土質軟弱，對基坑側壁穩定性及工后沉降控制不利，在進行有效疏干的同時需要保證坑外的水位降深不能過大。

2）基坑開挖深度較大，底面距⑧23、⑨2層粉砂頂面很近，抗突涌驗算不能滿足要求，需要進行減壓降水。

3）需分層降水，疏干井和減壓井分開布置，減壓井的開啟和水位控制對本工程基坑和環境安全影響很大。

4）發現并應對基坑圍護結構的滲漏，是本工程降水控制的重點。

4 降水井的布置

4.1 承壓水抗突涌驗算

在基坑底板至承壓含水層頂板之間，土的自重壓力應大于承壓水含水層頂板處的承壓水頂托力，即

式中：PS——承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；

PW——初始狀態下（未減壓降水時）承壓水的頂托力，kPa；

hi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，m；

γsi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m3；

H——高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；

γw——水的重度，取10.00 kN/m3；

FS——安全系數，取1.05。

第一承壓水穩定埋深結合地區經驗取3.0 m，γs取19.6 N/m3，基坑抗突涌驗算見表1。

4.2 降水井的布置

4.2.1 疏干井

天津地區疏干井的布置一般按照面積經驗法計算，單井降水控制面積按200～250 m2計算，本工程地鐵車站區域單井控制面積取250 m2。整個基坑需要疏干面積約7 489 m2，計算得基坑需要布置30口疏干井，考慮10%的應急備用井，結合基坑圍護形式，總共設置33口。

采用三角形交錯布置的方式,為減少開挖過程中的損壞，保證開挖效果，盡量選擇鋼管。

4.2.2 減壓井

第一承壓水需減壓降水，最大降水幅度為14 m，需要在坑內布置減壓井，按照30m/口布置，共布置15口，井深29～38 m。

4.2.3 坑外觀測井

設置淺層觀測井，按照50 m/口布置，共布置16口，根據地層起伏，井深為20 m。第一承壓水觀測井與淺層觀測井間隔布置，共8口，根據地層起伏，井深為29～38 m。

4.3 降水井運行控制

4.3.1 疏干井

根據基坑土方開挖方案，結合基坑支撐分布狀況，分層進行抽水。嚴密監控坑內外水位變化，動態調整出水量。

基坑降水需降至基底下1 m。降水過程中加強監測，根據監測數據做動態調整。結合基坑地層情況以及基坑開挖深度，降水分二步進行，第一步水泵放置深度8 m，第二步水泵放置淺層降水井井底，對基底以上土層進行土方開挖。

4.3.2 減壓井

最不利位置在基坑端頭井，減壓井的開啟和水位控制按照最不利位置井徑控制，根據抗突涌驗算，開挖深度超過11.3 m時開啟減壓井，開挖深度與對應安全水位埋深關系曲線，見圖1。

5 降水對周邊環境影響評價

5.1 數據模擬

根據基坑的幾何形狀、區域地層結構條件、場地工程及水文地質特性等信息，將模型剖分為118 行、207列、6層。見表2。

表2 數值模擬計算參數列

5.2 模擬結果

根據模型，結合水位降深資料，對后期降水引起的地面沉降進行預測，暫估降水井運行時間為180 d。見圖2-圖4。

由圖2-圖4可知，基坑降水運行180 d后，坑外潛水水位在距離基坑最近處降深為0.6 m，坑外第一承壓水承壓含水層水位在距離基坑最近處降深為6 m。基坑外由于降水引起的地面沉降最大值約12～14 mm。

圖2 運行180 d后坑外淺層水位降深等值線

圖3 運行180 d后第一承壓水水位降深等值線

圖4 運行180 d后坑外地面沉降

5.3 結果分析

1）由于基坑開挖深度較大，需要抽第一承壓水而止水帷幕深度未進入第一承壓水，因而導致坑外第一承壓水降深較大。

2）承壓水對周邊環境影響范圍較大。

3）止水帷幕雖然已經隔斷潛水，但坑外的承壓水和潛水都有一定的變化，可能為越流引起的潛水水位下降，說明潛水和承壓水存在一定的水力聯系。

6 結論

1）下部承壓水問題為本工程施工重點，施工應按嚴格按照方案及理論計算施工，在基坑開挖過程中實時監測坑內外水位變化，動態調整降水井的運行。

2）降水單位應根據工程風險制定專項施工方案并結合工程特點制定有效的內部管理流程。一旦發現滲漏水跡象，應立即通知各有關單位并采取相關堵漏措施，控制事態一步發展。

3）從理論計算可以看出，坑外的降深和沉降影響范圍較大，后期還應同坑外地表、建筑物、管線等監測相結合，對基坑和周邊環境安全進行多元化保護。