某地鐵工程基坑降水方案研究

高紅影，張喜波，楊沐苑

(1.天津國土資源和房屋職業(yè)學院，天津 300270；2.天津城建隧道股份有限公司，天津 300000)

1 引言

地鐵工程基坑開挖深度較大，尤其在含水層較淺的場地中進行基坑開挖不可避免地會遇基坑降排水問題，如果不能有效地進行基坑降排水，必然會對施工進度、施工安全以及周邊環(huán)境產(chǎn)生不良影響，為了確保施工進度、施工安全以及周邊環(huán)境安全，應采取安全可靠的基坑降水方案。

2 工程概況

某地鐵車站A出入口為兩線共用出入口，A出入口上方設有主變電站接入車站內(nèi)的排管，出入口位于排管范圍內(nèi)部分施工采用蓋挖法。圍護結構采用鉆孔灌注樁及旋噴樁止水帷幕內(nèi)加SMW工法樁支撐體系，頂板以上部分開挖方式采用放坡開挖，頂板以下部分未設置支撐體系[1]。基坑工程性質(zhì)如表1所示。

表1 A出入口基坑工程性質(zhì)

3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

3.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)A出入口地下土質(zhì)巖性特征，從上到下工程地質(zhì)描述如表2所示。

表2 土質(zhì)巖性特征

3.2 水文地質(zhì)條件

地下水分布研究工作采用分析基坑及其以下部分土體的分層、巖性特征等地質(zhì)資料，外加現(xiàn)場直接抽水試驗相結合的方式展開。經(jīng)研究試驗初見水位的埋置深度在1.3～3.0 m，相當于標高0.731～1.73 m；靜止水位埋深0.9～2.7 m，相當于標高1.31～2.03 m；施工涵蓋場區(qū)范圍潛水水位年變幅約0.50～1.00 m[2]。直接影響A出入口基坑施工的有三個承壓水層，如表3所示。

表3 承壓含水層性質(zhì)

4 降水施工重點及難點

4.1 潛水土層降水不當影響基坑開挖

本工程開挖范圍內(nèi)以雜填土及粉質(zhì)粘土和粘土為主，開挖過程中施工機械難以在開挖面上進行操作；針對風險特點及上部潛水層含水層特點，為了降低基坑土層的含水量，基坑開挖前預抽水并在基坑內(nèi)布設疏干井。

4.2 場地承壓含水層

在基坑開挖過程中，隨著開挖深度的增加，承壓水上層土層變薄上覆土壓力變小，當承壓水向上的頂托力大于上覆土壓力時，承壓水突涌是要解決的工程重要問題[3]。

4.3 周邊環(huán)境因素

止水帷幕已將第一承壓含水層隔斷，經(jīng)驗算需要降壓，理論上坑內(nèi)降水對坑外影響較小，鑒于止水帷幕的施工工藝、質(zhì)量等仍存不確定因素，采取降壓措施可能將對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定影響。

4.4 施工因素

由于基坑規(guī)模較大，開挖深度較深，存在降水井運行時由于土方開挖而被機械破壞的風險。

5 基坑降水方案研究

5.1 基坑降水整體思路

根據(jù)分析，結合基坑止水帷幕設計，降水的設計思路如下。

(1)本工程開挖范圍內(nèi)以雜填土及粉質(zhì)粘土和粘土為主，開挖過程中施工機械難以在開挖面上進行操作；針對風險特點及上部潛水層含水層特點，為了降低基坑土層的含水量，基坑開挖前預抽水并在基坑內(nèi)布設疏干井，同時布置明排水，保證土質(zhì)含水量能正常進行土方開挖及開挖面施工。

(2)對于第一承壓含水層，需進行基坑底抗突涌驗算后確定降水井數(shù)量[4]。

(3)在潛水及承壓水層分別布設坑外觀測井，以觀測坑內(nèi)降水時坑外水位的變化，對施工進行一定的預警。針對性地觀測坑外水位變化。

(4)保證疏干井正常工作避免機械破壞，本工程采用鋼材質(zhì)管井。

5.2 基坑降水方案計算

5.2.1 疏干井計算

本場地上部土以黏質(zhì)土、淤泥質(zhì)粘土為主，滲透性差，且坑底位于淤泥質(zhì)土層中[5]。疏干井濾頭依據(jù)不同開挖深度及地層分布布設，其深度插入坑底以下不小于5 m。A出入口屬狹長型基坑疏干井按14～16 m左右一口布設，共設置7口井。

5.2.2 基坑抗突涌驗算

基坑底板抗突涌驗算應滿足基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力與承壓水的頂托力之比應大于安全系數(shù)[6]。即：Σh·γs/γw·H≥Fs。

(1)

式(1)中：Σh為各土層厚度之和(包含基坑底板至承壓含水層頂板之間所有土層)，以m為單位；γs為各層土層加權平均重度，以kN/m3為單位；H為需降水高度，以m為單位；γw為水的重度(kN/m3)，取10 kN/m3；Fs為安全系數(shù)，本場地取1.10。

A出入口第一承壓水層為粉砂層其上層為粉質(zhì)黏土層，γs取土層平均重度值為20.3 kN/m3，根據(jù)工程的具體情況分析得出第一層承壓水水位高于承壓含水層頂板0.937 m，即需降水0.937 m，基坑底板到承壓含水層頂板之間土層厚度為2.76 m，將以上數(shù)據(jù)帶入抗突涌驗算公式，經(jīng)計算第一層承壓水上土層滿足抗突涌要求[7]。

5.3 降水井布置

5.3.1 坑內(nèi)疏干井

坑內(nèi)疏干井至少在挖掘機挖土、土方外運、坑內(nèi)施工等作業(yè)施工前20 d以上進行疏干降水，提前進行疏干井降水工組目的是有效降低有待開挖土體的含水量，確保基坑開挖施工的順利進行[8]。地下水位至少降至基坑開挖面1.0 m以下方可進行下一步土方開挖，如降水不到位不得施工。另考慮到施工期間疏干井損壞嚴重，坑內(nèi)疏干降水井均采用鋼管。A出入口屬狹長型基坑疏干井按14～16 m左右一口布設，共設置7口井，疏干井口直徑650 mm，材質(zhì)采用273鋼管，疏干井壁厚3 mm，井深為三種類型，分別是：15 m一口、18 m一口、16 m三口。

5.3.2 降壓井

降壓井的布設目的是降低承壓水壓力，以降低含水層對基坑的影響。降壓井可減少基坑底部發(fā)生突涌的可能性，確保施工過程中施工安全不會出現(xiàn)基坑底板失去穩(wěn)定性現(xiàn)象[9]。另降壓井可兼?zhèn)溆镁褂谩１竟こ探祲壕?口，井徑650 mm，273鋼管材質(zhì)，壁厚4 mm，井深22 m。

5.3.3 坑外觀測井

坑外觀測井主要用于觀測，通過觀測基坑內(nèi)、外水位變化情況收集相關數(shù)據(jù)及資料，進而經(jīng)過數(shù)據(jù)分析可校驗坑內(nèi)降水對坑外周邊水位影響，一旦產(chǎn)生不良影響應立即停止降水工作。同時可根據(jù)坑內(nèi)外水力聯(lián)系情況分析止水帷幕是否出現(xiàn)滲漏，當工程一旦出現(xiàn)抽水過多導致坑外水位下降嚴重情況，坑外觀測井也可作為回灌井使用。本工程坑外共設置觀測井3口，井徑650 mm，273鋼管材質(zhì)，壁厚4 mm，井深22 m[10]。另設若干坑外淺表觀測井。

5.3.4 集、排水措施及要求

降水運行過程中排水應順暢，以減小基坑開挖范圍內(nèi)土體中含水量，保障降水效果確保工程正常施工。施工現(xiàn)場排水設施中排水管的尺寸、長度，水泵的功率、數(shù)量等方面必須滿足工程降水的需求。施工現(xiàn)場基坑的兩側(cè)相應位置應設置排漿池做到排水有組織，確保不出現(xiàn)無組織亂排水現(xiàn)象。并保證在排水管線距離最短的情況下將基坑內(nèi)降水井中水體排入集水箱，集水箱內(nèi)應放置污水泵做二次轉(zhuǎn)接抽水，將水最后排入市政排水管網(wǎng)。排水設施還應滿足以下要求。

(1)排水設施必須保障排水的順暢，排水管宜短，且滿足工程降水最大出水量的需求[11]。

(2)基坑挖土施工過程中如果遭遇強降雨，基坑匯水面積大低洼處將匯集明水，應做好基坑明排水工作。采用設置臨時集水井、污水泵等設施將明水及時排入坑外排水網(wǎng)道中。

(3)應根據(jù)施工季節(jié)提前掌握降雨情況及降水量，提前準備足夠數(shù)量的水泵、排水管等物資做好基坑明排水的準備工作。

5.4 基坑封井方案

5.4.1 封井注意事項

(1)部分疏干井于基坑開挖至開挖到底，底板澆筑前封閉；但部分疏干井保留下來作為泄水孔，這部分疏干井于底板澆筑完成后割除井管至底板面后按照泄水孔要求時間封閉。

(2)承壓水觀測井應在底板澆筑完畢后可考慮停止抽水，但必須滿足抗浮要求。

(3)在試停抽水期間不應拆除降水井內(nèi)的抽水泵，在工程需要繼續(xù)抽取地下水時抽水泵可以隨時正常進行抽水工作。

(4)封井應在相關單位共同協(xié)商并形成相關文件后進行。相關單位未簽字認可，任何一方不得停止降水井抽水及封井工作。

5.4.2 封井方案

5.4.2.1 疏干井

基坑開挖至底板標高后，出水量較小的疏干井可最先進行封井，但封井必須在靜水狀態(tài)下進行，底板以下填混凝土，混凝土上填爐渣后再施工底板墊層。根據(jù)現(xiàn)場具體情況，出水量較大的疏干井可進行適當保留，這部分疏干井封井方法可參考降壓井封井方案，并與降壓井同時進行。

5.4.2.2 降壓井

降壓井封井工藝流程：降水井管外焊環(huán)形止水鋼板→預拌混凝土→井內(nèi)下泵抽水→首次澆筑混凝土并振搗密實→二次澆筑混凝土并振搗密實→割除降壓井井管→井管外焊止水鋼板并抹平井口。

基坑開挖至設計標高后，在降水井管外焊一道環(huán)形止水鋼板，止水鋼板外徑大于等于600 mm，止水鋼板位于距離基坑底面50 cm高度位置；預拌足量的混凝土，封井混凝土量需按照設計圖紙計算單井用量后再根據(jù)現(xiàn)場實際封井數(shù)量確定；井內(nèi)放入抽水泵，抽水泵將井內(nèi)水位抽至最低后立即取出；首次將混凝土灌入井內(nèi)至底端濾水管頂部以上2～3 m處，搗實井內(nèi)混凝土；混凝土初凝后檢查管內(nèi)余水高度，如果余水高度大于50 cm應在井內(nèi)放置水泵抽出余水；二次將混凝土灌入井內(nèi)灌至距離基坑底板頂面10 cm位置，再次搗實混凝土；待第二次澆灌的混凝土初凝后切割剩余的井管，切割完成后井口位置設置在基坑底板頂面以下10 cm處；井口處井內(nèi)焊一道厚4 mm的止水鋼板，采用水泥砂漿抹平井口后降壓井封井完成[12]。

5.4.2.3 坑外觀測井

根據(jù)坑外觀測井的特點，采取如下封井方案：封井混凝土用量應提前計算并提前攪拌備用；為控制灌入混凝土時的離析現(xiàn)象首先向井內(nèi)投放兩包水泥；然后灌入混凝土至濾管頂以上3～5 m處；混凝土初凝后觀察井內(nèi)滲水情況，必要時下泵抽出余水[13]；二次灌入混凝土至地面下10 cm處，混凝土振搗密實；切割井管至地面位置；在井口處抹水泥砂漿至填平，觀測井封井完成。

6 結語

基坑降水過程仍受到工程現(xiàn)場實際情況的制約，雖然止水帷幕已隔斷潛水及第一承壓含水涌入基坑，理論上坑內(nèi)降水對坑外影響較小，但考慮到止水帷幕的施工工藝、質(zhì)量等仍存不確定因素。因此應通過在基坑外設置監(jiān)測觀察點，隨時觀察監(jiān)測水位變化及土體沉降變化，如發(fā)現(xiàn)水位即沉降量達到了預警值，必須采取應急措施，以免工程事故的發(fā)生，同時也要求在降水過程中一定不能盲目降水，不得過多抽取地下水，過多抽取地下水是對水資源的一種浪費，而且會對基坑周圍房屋、道路等工程產(chǎn)生不良影響。基坑降水過程中相關觀測資料一定要及時收集、整理、匯總，根據(jù)資料是否有異常分析工程是否安全及指導降水施工。降水正式運行前應通過試驗驗證降水對坑外水位降深的影響，必要時考慮將坑外承壓水觀測井作為應急回灌井使用，或適當增補回灌井。