基于透水性地層地鐵基坑地下水處理工法研究
——以福州地鐵建設工程為例

劉干典

(福州軌道交通設計院有限公司 福建福州 350009)

0 引言

截至2020年，福州地鐵已建或在建的地鐵車站近120座，其中大范圍遇到富水砂層、卵石層的明挖車站基坑項目達20多座。福州城區地形地貌變化大，內河縱橫交錯，地質環境復雜，靠近沿江河一帶的含水層富水性大、透水性強，水頭壓力大，基坑開挖過程中易產生突涌、基坑地下水無法抽干等問題。因此，受到行業內專業人士的普遍關注。透水性地層的基坑工程出現的機率大、風險高。

受復雜的周邊環境及當地基坑降水施工水平、施工工藝等因素的限制，基坑降水問題日益成為福州地鐵建設亟待解決的一個突出問題。探索研究一種新型、科學、合理，適合于當地水文地質條件，符合地方施工水平和施工技術的地下水處理工法十分必要。

基此，本文結合福州地鐵工程實踐，通過試驗分析透水性基坑地下水量，探析工法實施效果及其存在問題，并基此提出透水性地層地鐵基坑地下水處理工法的優化措施。

1 基坑地下水穩定原理概述

地鐵基坑的地下水控制方法主要有截水和降水，具體應根據工程地質和水文條件、基坑周邊環境要求及支護結構形式等綜合確定。當降水不會對基坑周邊環境造成損害，可優先考慮采用基坑內直接降水，否則采用截水。但無論采用何種處理方式，在方案研究階段，都應深入分析地下水的穩定問題。

關于基坑地下水穩定性問題，主要有以下兩個：

(1)抗突涌穩定，即坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層，未用截水帷幕隔斷其基坑內外的水利聯系時，在承壓水作用下可能出現坑底突涌的現象。

抗突涌穩定性分析原理可參照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩定性驗算C.0.1。

(2)滲流穩定，即懸掛式止水帷幕底端位于碎石層、卵石層、砂土或粉土等透水性地層時，由于基坑內外水頭壓力差作用，坑底的涌水力使得砂土顆粒處于懸浮狀態的現象。

滲流穩定性分析原理可參照《建筑基坑支護技術規程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩定性驗算C.0.2。

2 福州基坑地下水量分析

為可靠分析福州地鐵典型透水性地層的基坑開挖出水量，從而為選擇直接降水或截水的方案提供基本依據，以福州地鐵4號線某一靠近烏龍江邊地鐵站基坑為例，給出降水試驗及數值模擬的相關主要數據。

(1)試驗目的

通過抽水試驗，驗證在不進行地下水處理的工況下，直接降水能否滿足基坑開挖要求。

(2)單井抽水試驗結果

抽水試驗從2020年4月30日至5月20日，經歷20d，共完成5組試驗，抽取其中兩組典型試驗結果。

①單井抽水，抽水時間從2020年4月30日下午13:15開始，截止到5月1日下午，約22h。

該試驗全過程配備了3口井，其中1口井抽水，其他兩口觀測，配備1臺QJ50-65-15深井潛水泵，揚程65m，額定功率15kW，安裝水表1只。

經試驗得知，觀測井的水位埋深-時間變化曲線如圖1所示。

經歷24h后，坑內水位趨于穩定，水位從初始5.60m下降到6.40m(降幅0.80m)，單井流量60～68m3/h。

②單井停抽恢復試驗

降水井關閉抽水泵停抽后，通過觀測水位恢復情況，取得數據繪制曲線如圖2所示。

根據恢復試驗，降水井停抽后，各觀測井水位快速回升，40min內各井水位恢復100%。

(3)群井抽水試驗結果

抽水時間從2020年5月15日13:35開始，截止到5月17日15:35，約50h，其他施工參數類同單井試驗。

通過試驗發現，群井抽水試驗及群井停抽恢復試驗結果如圖3所示。

圖3 群井抽水時各觀測井水位埋深-時間變化曲線

群井抽水1h后水位趨于穩定，抽水50h后，最終坑外水位從初始值5.60m下降到6.65m，降幅1.05m，單井平均流量67～80m3/h。

根據恢復試驗，降水井停抽后，各觀測井水位快速回升，120min內各井水位恢復100%，如圖4所示。

圖4 群井停抽時各觀測井水位埋深-時間變化曲線

(4)數值模擬分析

假設基坑開挖到坑底時，已揭穿坑底的<2-4-6>(含泥)粗中砂層，其下部的<3-8>層卵石層直接對其進行水力補給，水位必須降至坑底以下1m。根據以上假設，坑內地下水位需要降深為：安全水頭深-初始水位=18.31-5.60=12.71m。本試驗運用Visual MODFLOW 軟件，采用滲流數值法進行計算，以整個基坑的東西南北最遠邊界點為起點，模型尺寸400×1000m，四周均按定水頭邊界處理。

經過模擬計算，基坑內需布置32口降壓井，基坑外布置62口降壓井，坑外設置觀測兼應急井，不間斷抽水10d后達降水深度，基坑的涌水量達96 248m3/d。模擬流場圖如圖5～圖6所示。

圖5 群井抽水10d后基坑水位埋深模擬流場圖

圖6 群井抽水10d后基坑水位降深模擬流場圖

(5)抽水試驗及數值分析總體結論

①單井涌水量大、水位恢復極快。通過抽水試驗，單井涌水量達1440m3/d(60m3/h)以上，屬極強富水性含水層；

②基坑總涌水量極大，直接降水風險極大，各井停抽后，水位在40～120min左右均恢復100%，水位恢復迅速；

③反演求得試驗場地<2-4-6>粗中砂滲透系數kh=63.3m/d、kv=34.3m/d，<3-8>卵石滲透系數kh=117.4m/d、kv=45.5m/d，地層滲透系數極大；

④現場應配置絕對可靠的電源自動切換系統。否則一旦停電，水位將在1～2h內迅速回升，基坑即處于十分危險狀態，工程風險極高。

綜上試驗可知，同類地質條件下的基坑地下水采用直接抽排降水的實施難度很大，地下水預先處理是必要的。

3 工法實施效果

針對上述基坑施工遇到的地下水問題，經過反復研究探索，多次現場試驗和專家論證，總結出了以下具備較強操作性的地下連續墻落底和坑底水平封底加固的處理方案。其工法原理簡述如下：

地下連續墻落底，即在滿足支護結構變型和承載力、基坑整體穩定性的前提下，通過延長地下連續墻長度，隔斷坑底以下砂層、卵石層等透水性強地層，是解決基坑截水問題的一種施工工法。

坑底水平封底加固，即為解決基坑抗突涌隔水層深度或厚度不足，或減緩地下水滲流速度而在基底以下某一深度人為設置一隔水層，是可以使得坑底滿足承壓水抗突涌穩定性要求的一種地基加固工法。

不過，工法實施過程仍存在一些亟待優化的問題。

(1)地下墻落底

截至目前，福州地鐵采用地下連續墻落底的基坑有4～5座。從實施的止水效果來說，基本達到預期效果，但多座車站基坑在施工過程中仍然發生坑底涌水涌砂、地下墻縫墻縫漏水等工程問題。

以5號線倉山片區某站為例，根據勘察報告，基坑開挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中砂<2-5>、中砂<3-3>及卵石<4-8>，滲透系數達30～50m/d。為解決基坑開挖降水問題，采用了地下連續墻落底隔斷卵石層的方案，地下連續墻長度達65m。圍護結構橫剖面示意圖如圖7所示。

圖7 5號線倉山片區某站圍護結構橫剖面示意圖

該基坑圍護結構小里程端圍護結構采用了地下連續墻落底的方案，在小里程第二段底板開挖到底時，坑內減壓井外壁發生坑底涌水涌砂，大量粉細砂流失，地下連續墻底被掏空，導致基坑中部分隔墻附近的冠梁局部45°剪切破壞開裂。

根據調查分析可知，該基坑產生涌水涌砂的原因有以下有幾種：

①基坑底以下地下墻接縫和墻腳開叉嚴重，內外水力聯系未有效隔斷；

②地下連續墻工字鋼接頭施工質量不合格，接縫處可能存在夾泥，在承壓水作用下成為滲漏水通道；

③在坑內的(含疏干井、承壓井)降水井質量不合格，井內濾層或井壁未做好導致泥土、砂流失，抽水失效。

(2)坑底水平封底加固

截至目前，福州地鐵采用坑底水平封底加固的基坑有6～7座。從基坑抗突涌穩定性的角度來說，基本達到預期效果，但個別基坑出現了坑底管涌、降水井壁外側涌水涌砂等工程問題。

以4號線臺江片區某站為例，根據勘察報告，基坑開挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中細砂<2-4-6>、粉細砂<3-2>及卵石<3-8>，滲透系數達28～30m/d。為解決基坑開挖降水問題，采用了坑底以下14m深處超高壓旋噴樁水平封底滿堂加固的處理方案，加固厚度4m，布置規格為φ1100@750×750。圍護結構橫剖面示意圖如圖8所示。

圖8 4號線臺江片區某站圍護結構剖面圖

在大里程端頭井基坑開挖到坑底時，個別部位發生涌水涌砂，坑內減壓井外壁發生坑底涌水涌砂等工程問題。根據調查分析可知，該基坑發生涌水涌砂的可能原因有以下兩種：

① 坑內的降水井質量不合格，井內濾層或井壁遭到破壞，導致泥土、砂流失，抽水失效。

② 超高壓旋噴樁加固質量未達預期效果，局部存在“天窗”，在承壓水的作用下產生涌水涌砂。

4 優化措施

實踐可知，無論是采用地下連續墻落底，還是坑底水平封底的地下水處理方案，從理論上來說都是科學合理的，但受限于施工機械、施工工藝、施工水平及施工管理等具體操作層面的限制，往往在某些環節還存在不足?；耍槍σ陨瞎しù嬖诘膯栴}，提出以下建議：

(1)對于地下連續墻落底方案，因地下連續墻長度一般較長，受限于與施工工藝及水平的限制，深層的地下墻接縫夾泥和墻腳開叉現象十分嚴重。因此，建議通過地下連續墻垂直度限制、基坑開挖前檢測地下連續墻接縫是否夾泥等控制手段，提前采取補救措施，以避免墻縫滲漏的風險。這種檢測方法準確有效、操作方便，且成本不高。

(2)坑底水平封底加固的設計，意圖是采用高質量的超高壓旋噴樁滿堂加固封底，以形成完整的隔水層，隔斷上下層的水力聯系，但若加固體樁間搭接長度不夠，或搭接方式不對，容易導致局部未能等到有效加固即已進水。隔水效果將大打折扣。因此，建議封底加固規定采用梅花型布置，增大樁間搭接長度，并制定嚴格的試樁試驗，確定可靠的施工參數后再正式實施。

(3)對于水平封底加固方案，即使加固體本身質量合格，但在施工降水井過程，因降水井井壁穿透加固層導致原加固體遭到破壞，從而導致水平封底加固體的抗承壓能力減弱引起涌水涌砂。因此，建議在明確坑內的疏干井不超過加固體頂面前提下，進一步優化設計方案，在基坑外設置承壓井。

(4)無論是對地下連續墻落底或基坑封底加固方案，均應在坑內設置一定數量的疏干井，以作為墻縫漏水、封底失效的第二道防線。另外，建議在基坑開挖之前，提前進行預抽水試驗，以便驗證圍護結構止水效果，若效果不佳，可提前采取補救措施。

5 結語

本文全面分析了基坑地下水穩定性原理，以及基坑抽水遇到的現實難題，論證了地下水處理的必要性，提出地下連續墻落底和坑底水平封底的地下水處理工法，解決了福州地鐵基坑降水遇到的棘手難題。但工法確定依據不足、論證不充分、技術標準不統一、施工工藝和水平差異大等問題依然較為突出，其高昂的工程造價也是建設方頭疼的難題。以上問題還需在日后的實踐中逐步解決。