臨近河流地鐵車站深基坑降水施工技術

摘要： 本文主要介紹了利用井管降水實現臨河地段地鐵車站深基坑土體降水的分析與實施，根據寧波市軌道交通5號線雅渡站基坑降水施工的實例，詳細介紹了基坑抗突涌、基底穩定驗算以及降水井設計的相關內容，同時對降水施工要點做了詳細地說明，以期為相似臨水臨河段深基坑降水施工提供理論依據。

關鍵詞： 臨河;深基坑降水;抗突涌;泄壓井;沉降

De-wateringConstruction Technology of Subway Station Deep Foundation Pitnear Rivers

Jin-Chang Li*

China Railway 14th Bureau Group 4th Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250000， Shandong， China

Abstract： This paper introduces the analysis and implementation of using well pipe de-watering to realize the de-watering of the deep foundation pit soil of the subway station near the river. According to the example of the de-watering construction of the foundation pit of Yadu station of Ningbo Rail Transit Line 5， it introduces relevant contents of the anti inrush of the foundation pit， the checking calculation of the stability of the basement and the design of the de-watering well in detail. At the same time， it explains key points of de-watering construction in detail in order to provide a theoretical basis for the de-watering construction of similar deep foundation pit section near rivers and waters.

Keywords： Near rivers; de-watering of deep foundation pit; anti inrush; relief well; sedimentation

一、工程概況

寧波市軌道交通5號線一期土建工程雅渡站起止里程SDK7+100.056～SDK7+308.056，為地下兩層島式站臺車站，車站全長約208 m。標準段基坑寬度為19.7 m，基坑深度為16.342 m，西端盾構井基坑深18.194 m，東端盾構井基坑深17.778 m。車站北側有現狀河流一條，名為橫五河，與主體車站最近距離為26.2 m，距附屬基坑最近距離為2 m。車站與橫五河位置關系見圖1。

由于主體車站靠近橫五河，基坑開挖時易發生突涌，對基坑降水要求較高，降水施工難度較大復雜性較高。根據地下水含水空間介質和水理、水動力特征及其賦存條件，雅渡站沿線地下水主要為第四系孔隙潛水類型、孔隙承壓水、基巖裂隙水。車站孔隙承壓水主要賦存于土層中部第⑤1T、⑥4a層承壓含水層和土層深部第⑦、⑧、⑨層承壓含水層中。雅渡站工程地質剖面圖見圖2。由于基坑圍護已隔斷⑤1T層，層厚較薄并局部分布接近基坑底，基坑收底時易形成較嚴重的滯水現象，采用泄壓井在坑內泄壓;由于基坑圍護未深入⑥4a層中，基本屬于敞開式降水，對于⑥4a層，根據“按需減壓”原則用降水井進行降水，保證基坑施工安全。基坑內布置降水井的同時在基坑外布置水位觀測兼備用井，用以檢驗坑內降水效果及應急備用。

二、基坑抗突涌和穩定性驗算

（一）抗突涌穩定性驗算

采用安全系數法對雅渡站基坑穩定性分析[1]。

基坑底板的穩定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于承壓水的頂托力，即：

/=（·）/（·）≥式中：

：基坑底至承壓含水層頂板間土壓力（Pa）;

：承壓水頭高度至承壓含水層頂板間的水壓力（Pa）;

：基坑底至承壓含水層頂板間距離（m）;

：基坑底至承壓含水層頂板間土的加權平均重度（KN/m）;

：承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m）

：水的重度（KN/m），取10KN/m;

：安全系數，取1.10;

計算中使用地勘報告中給出的地基土物理力學性質指標建議表中的數據。

對本工程有影響的孔隙承壓含水層為⑤1T層黏質粉土、⑥4a層粉砂。

1. 第⑤1T層頂距坑底最小處為0.7 m，該承壓水層最大厚度約1.5 m，且被地下連續墻隔斷，基坑收底時易形成較嚴重的滯水現象，采用泄壓井在坑內泄壓。

2. 第⑥4a層在車站整體分布，取最不利位置進行驗算（靠近S5XZ2地質鉆孔），小里程端頭井基坑底至承壓含水層頂板間土的層厚為16 m，⑤1a層4.983 m（重度1.96）、⑤1b層5.989 m（重度1.92）、⑤4a層5.019 m（重度1.91），經計算土層加權平均重度為19.3，場地內⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確保基坑安全，計算時采用+1.7 m進行計算，地面標高3.3 m，承壓含水層頂面標高-31.15 m，則：

小里程端頭井開挖深度約18.2 m，

Pcz =H·γs =16×19.3≈308.8 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+31.15）×10.0≈328.5 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=308.8/328.5 ≈0.94<1.10;

通過驗算，在雅渡站小里程端頭井基坑開挖過程可能存在突涌，為確保開挖安全，需進行降水。

3. 第⑥4a層在標準段基坑底至承壓含水層頂板間土的總層厚為13.9 m（參照S5XZ6地質鉆孔），⑤1a層5.316 m（重度1.96）、⑤1b層7.201 m（重度1.92）、⑤4a層1.4 m（重度1.91），經計算土層加權平均重度為19.3，場地內⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確保基坑安全，計算時采用+1.7 m進行計算，地面標高3.3 m，承壓含水層頂面標高-27.29 m，則：

小里程標準段開挖深度約16.3 m，

Pcz =H·γs=13.9×19.3≈268.27 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+27.29）×10.0≈289.9 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=268.27/289.9 ≈0.93<1.10;

通過驗算，在雅渡站標準段開挖過程可能存在突涌，為確保開挖安全，需進行降水。

4. 第⑥4a層在大里程端頭井基坑底至承壓含水層頂板間土的總層厚為16.3 m（靠近S5XZ17地質鉆孔），⑤1a層7.883 m（重度1.96）、⑤1b層4.596 m（重度1.92）、⑤4a層3.78 m（重度1.91），經計算土層加權平均重度為19.3，場地內⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確保基坑安全，計算時采用+1.7 m進行計算，地面標高3.3 m，承壓含水層頂面標高-31.1 m，則：

大里程標準段開挖深度約17.7 m，

Pcz =H·γs =16.3×19.3≈314.59 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+31.1）×10.0≈328 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=314.59/328 ≈0.96<1.10（有突涌可能性）;

通過驗算，在雅渡站大里程端頭井基坑開挖過程可能有突涌，為確保開挖安全，需進行降水。

（二）基坑安全穩定性計算

1. 安全降深計算

取安全系數1.10進行穩定性計算[2]。

主體基坑開挖深度17.7 m時，

= / =1.10，

=×s//1.1 =（16.3×19.3）/10/1.1=28.6 m

S = - =32.8-28.6=4.2 m，

= - S =1.7-1.8=-2.5 m。

即車站開挖到17.7m最大設計深度時，基坑水頭的最小降深為4.2 m（以承壓水水頭1.7 m計算），承壓水水位降至-2.5 m。

S—承壓水含水層水頭最小降深（m）

h—降水后承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m）

h—降水后承壓水水位（m）

H—承壓水最淺水位（m）

2. 安全開挖臨界深度

取安全系數1.10，

Fs= Pcz/Pwy =1.10，

Pcz=360.8 Kpa;

（17.7-h）×19.3+314.59=360.8

h=15.3 m

h—開挖臨界深度（m）

根據“按需降水”原則，當基坑開挖到15.3 m前20天開始啟動降水。為保證基坑施工安全，降水時間要結合情況減小到最小以對周邊環境的影響為最小，降水工程實際開始時間需根據實際水位進行計算，確定降水啟動時間[3]。計算結果見表1。

三、基坑降水設計

（一）泄壓性降水設計

為確保基坑順利開挖，需泄壓⑤1T層中的地下水。布置泄壓井時，按單井有效降水面積的經驗值并結合基坑土層性質、基坑尺寸、基坑平面形狀和位置確定，滿足基坑開挖及施工要求，確保基坑施工安全、順利進行[4]。因⑤1T層承壓水呈局部分布，設置一口泄壓井，本工程基坑圍護結構已隔斷基坑內外潛水的水力聯系，開挖深度范圍內總涌水量可根據下式計算：

W：應抽出的水體積（m3）

V：含水層體積（m3）

A：含水層面積（m2）

M：泄壓含水層厚度（m）

μ：含水層給水度（給水度經驗值為0.05～0.10）

根據此計算式對基坑進行總泄壓水量計算如下：

⑤1T層含水層長度為27 m、寬度為19.7 m，含水層最大厚度1.5 m，泄壓范圍內均為給水度取0.05。

由此計算基坑需泄壓的總水量為：

=0.05×27×19.7×1.5≈40 m

根據長期的降水經驗，結合本次降水井井結構、地層情況，對于本工程基坑初始降水時最大單井涌水量為20.0～50 m/d，抽水量隨抽水天數增加逐漸減小，平均日單井涌水量約10.0 m/d。

則基坑單日總出水量分別為：

抽水天數=基坑總儲水量÷單日出水量，則基坑抽水天數計算如下：

=/=40/10≈4d

依據上面的井數計算，在本工程基坑內共布置泄壓井1口。

（二）降壓性降水設計

第⑥4a層降壓設計，采用井點降低承壓水水頭能滿足基坑開挖要求，保證基坑穩定安全。承壓含水層平均厚度6 m左右。取滲透系數k=33，基坑總涌水量按地下連續墻未隔斷第⑥4a承壓含水層基坑內外水力聯系進行計算，計算式如下：

式中：Q—基坑總涌水量;

k—含水層滲透系數;

Sw—基坑水位最小安全降深（m）;

M—承壓含水層厚度（m）;

R—抽水影響半徑（m）;

r—基坑等效半徑（m）。

本工程降壓具體計算如下：

考慮到基坑開挖安全，按最大水位降深=4.75 m，主體結構基坑等效半徑r=1.10×（19.7+208）/4≈60 m，抽水影響半徑R=200 m，均質含水層承壓水完整井基坑涌水量公式計算：

=2.73×33×6×4.75/lg（（200+60）/60）≈4031 m/d

單井涌水量計算

管井的單井出水能力可按下式進行計算：

q=120πrlk（《建筑基坑支護技術規程》7.3.11）

q——單井出水能力（m/d）

r——過濾器半徑（m）

l——過濾器進水部分長度（m）

k——含水層滲透系數（m/d）

可求得：q=120×3.14×0.1365×5×33≈800 m/d

降水井數量n=1.1Q/q≈5口

所以現場布置1口泄壓井5口降壓井，4口觀測兼備用井，降水井平面布置圖見圖3。

四、預估沉降計算

根據勘察報告提供的土層特質（含水層埋深、厚度）建立⑥4a層基坑降水等值線模型，根據降水等值線模型進行預測，將計算區域邊界外擴一定范圍，以消除邊界對模擬結果的影響[5]。分局計算的平面范圍、地層特性、初始條件和邊界條件，同時考慮抽水井、觀測井在離散模型中的空間位置，對計算區域進行分析離散，建立三維計算數值模型。⑥4a層基坑降水等值線圖見圖4。基坑降水等值線圖見圖4。

圖4⑥4a層基坑降水等值線圖

通過理論計算分析，可以總結得到地面沉降因降水發生的變化規律。⑥4a層敞開式減壓降水后，預估產生的地面沉降如圖5所示：

五、施工注意事項

（一）井位放樣

根據雅渡站降水井平面布置圖，使用全站儀或GPS確定井位位置，井位位置確定完畢后做好相應標記。當地面有障礙物影響降水井布設時，可做適當調整降水井位置，確保降水井施工能安全有序進行[6]。

（二）埋放護筒

為防止孔口坍塌，對空口應采用護筒保護，同時對埋設護筒進行外圍封堵護防止防止漿液外返，護筒的埋設高度不少于地面以上30 cm。

（三）鉆機就位

選用GPS-10型工程鉆機進行成孔，鉆機安裝需平穩牢固，鉆機大鉤對準孔位中心，使轉盤、大鉤、井孔中心在一條直線上。

（四）鉆進成孔

降水井直徑為?600 mm，開孔時應輕壓慢轉，以保證垂直度。鉆進時一般采用自然造漿鉆進，遇砂層較厚時，應人工制備泥漿護壁，泥漿密度控制在1.10～1.15。當提升鉆具和臨時鉆停時，孔內應壓滿泥漿，防止孔壁坍塌。鉆進時按指定鉆孔、深度采取土樣，核對含水層深度、范圍及顆粒組成[7]。

（五）清孔換漿

清孔換漿是成井質量的關鍵，直接影響成井質量，首次清孔尤為重要。若清孔換漿沒有達到規定要求，則絕不能進入下一工序。到達設計標高后，提升鉆具至距孔底0.5 m處，采用泥漿泵清孔，直至孔內沉淤小于0.2 m，清孔過程中將泥漿比重調至1.05左右。

（六）井管下放

濾水管外包2～3層尼龍網，下放井管使用直接提吊法。現場使用管材應進行質量驗收，符合標準。下管時要保證井管居中，井管之間滿焊，且焊縫高度不小于8 mm，焊接完成后敲掉焊渣，焊接時應保證焊縫均勻，飽滿，不對接口處鋼環造成破壞，應安排專人進行盯控，嚴格控制焊接質量，焊接井管應垂直且不透水。井管下放要一次性連續完成，避免中途孔內坍塌、沉淀過厚等造成二次清孔。

（七）清孔及回填濾料

逐步稀釋井管內泥漿，使泥漿密度稀釋到1.05～1.07。濾料沿井孔均勻填入，宜保持連續，將泥漿擠出井孔，填濾料時隨填隨測濾料填入高度，當填入量與理論量不一致時，及時查找原因。不得用裝載機械直接灌入濾料，應人工使用鐵鍬下料，以防下料不均勻和沖擊井壁，直至濾料下入指定位置。

（八）黏土封孔

濾料填至承壓含水層頂板上3 m～5 m后使用黏土球回填封孔，黏土球圍填長度也不宜少于2 m。圍填前需將黏土搗碎，防止圍填出現“架橋”現象[8]。圍填以“少放慢下”為原則，嚴格控制下入數量及速度。

（九）洗井

洗井采用真空+活塞法。在井管內鉆桿提出前，利用空壓機接鉆桿進行抽水，至井管內能出水后斷開空壓機連接，提出鉆桿后用活塞進行洗井。活塞大小與井管內徑相差2～5 mm，洗井時把活塞從濾水管底部往上拉。若降水井出水量很少，可用活塞在井管過濾器處上下移動，將孔壁泥皮沖出，直至活塞帶出水中泥砂含量很少后，再用空壓機抽水洗井，至水清澈且不含砂為止。

（十）管井試抽

將潛水泵下入井管內，電纜鋪設、排水管道，排水和抽水系統安裝完后可進行試抽水。抽排水系統及配套電纜在設置時要避免被挖機、吊車等碰撞、碾壓。

（十一）降水運行

根據基坑分段開挖和支撐的施工實際工況，提前開啟降壓井的數量和井號。基坑外深井降水時，若承壓水頭降至設計水位要求時，現場可適當控制井點開啟數從而控制承壓水頭的降幅，以減少由于基坑降水造成周邊沉降。

（十二）排水

洗井及降水運行時排出的水，通過場地內排水管道或明渠匯入沉淀池，達標后排入市政管道中。

六、實施效果

在雅渡站基坑開挖前20天，開始運行該站降水系統。當基坑開挖至地表以下4 m時，開啟坑內降水井進行降水，待車站主體負一層側墻施工完成后，停止降水。降水過程中，土方開挖和主體結構施工順利，沒有發生險情事故。

七、結語

臨近河流地段地鐵車站如果在承壓水埋深較淺的地段施工，降水施工的合理與否極為重要。此站正是通過抗突涌和基坑底穩定性計算和預估沉降計算，才保證了施工中無降水原因而造成的事故。通過本工程的降水施工實例為后續臨河臨水地下工程降水施工提供有力的技術支持。

參考文獻：

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[7]李曉陽.地鐵深基坑降水施工技術要點分析[J].建材與裝飾， 2019（36）：266-267.

[8]張科.地鐵深基坑降水施工技術分析[J].建材與裝飾， 2018（13）：248-249.

通訊作者：李金昌，1987年3月，男，漢族，山東濟南人，就職于中鐵十四局集團第四工程有限公司，工程師，本科。研究方向：土木工程。