福州地區高承壓富水砂層地鐵車站深基坑工程降水技術

孫明祥

(中鐵南方投資集團有限公司，518054，深圳 ∥ 工程師)

目前,大多數深基坑工程開挖施工均建立在降水的基礎上，以保證基坑在干燥、安全的環境中施工[1-2]。通過降水，可降低開挖土體含水量，提高土體抗剪切強度，為深基坑開挖提供便利。但在深基坑施工中，基坑底部常受到承壓水影響，必要時需進行基坑承壓水降水設計。由于各區域的地質及水文條件不同，承壓水降水設計理念存在差異，不同的方案在實際使用時也有一定差異。

本文以福州地鐵5號線金山路站和金華路站基坑工程為例，分析了不同工程地質、水文條件及圍護結構形式下的高承壓富水砂層降水方案、基坑圍護結構水平、豎向位移及周邊環境沉降變形。根據監測及數據分析得出，在高承壓富水砂層條件下，不同圍護結構形式的降水方案對深基坑開挖及周邊環境都能起到良好的管控效果。

1 工程概況

福州地鐵5號線起于閩侯縣，止于福州南站，其線路主要位于福州市倉山區內。本文重點介紹5號線1標金山區域地層條件下的降水方案設計。該段線路途經荊溪新城站、農林大學站、洪塘路站、金林路站、金華路站、金山站等，長度約8.7 km。

1.1 工程地質情況

金山區域地層依次為素填土、粗中砂、淤泥質土、淤泥夾砂、粉細砂、卵石、強風化花崗巖層(砂土狀)等，其圍護結構通常采用地下連續墻加內支撐形式，墻趾通常位于強風化花崗巖層，不同車站其圍護結構也有所不同。本文選擇金山站及金華路站進行分析，兩站的地質詳情分別如圖1和圖2所示。

圖1 福州地鐵5號線金山站地質詳情圖

圖2 福州地鐵5號線金華路站地質詳情圖

1.2 工程水文條件

根據勘察結果，在金山區域內主要有潛水、承壓水及基巖裂隙水三類地下水。潛水埋深較淺，水位埋深為1.5～4.5 m，水位標高為3.5～6.3 m，主要包含在粉細砂層、粗中砂層中，以淤泥質土作為隔水層；承壓水埋深為7.8 m，水位標高為0，承壓水頭約為29.5～42.9 m，主要包含在粉細砂、中粗砂及卵石層中，以淤泥夾砂層及粉質黏土層作為隔水層；基巖裂隙水主要在深部花崗巖的碎塊狀強風化及中等風化帶中分布，受巖性和地質構造控制及裂隙分布影響，其埋藏、分布及水動力特征非常不均勻，透水性及富水性較弱，具有弱承壓性。

1.3 明挖車站設計

1) 主體圍護結構設計：金山站主體圍護結構采用1 000 mm厚地下連續墻，工字鋼接頭。地連墻深度依次打穿粗中砂、淤泥質土、粉細砂、卵石層并進入砂土狀強風化花崗巖層1.5 m。

2) 地下連續墻平均深度約為66.5 m。金華路站主體圍護結構采用800 mm厚地下連續墻，工字鋼接頭。地連墻深度按依次打穿雜填土、(含泥)粗中砂、淤泥質土、(含泥)粗中砂、淤泥質土層并進入(含泥)中砂0.8～1.9 m進行設計，地下連續墻平均深度約為37.4 m。

3) 圍護支撐體系：金山站標準段采用二道混凝土支撐(一道、三道)、三道φ800mm鋼支撐(二道、四道、五道)加一道換撐φ609 mm。金華路站標準段采用四道內支撐，第一道支撐位鋼筋混凝土支撐，間距為9 m；第二道支撐為φ800 mm鋼支撐，第三、第四道支撐為φ609 mm鋼支撐，間距均為3 m。

2 基坑降水重點、難點對比分析

2.1 降水隔斷性質

金山站地下連續墻深度達66.5 m，已經直達強風化花崗巖層。根據圍護資料查看，理論上已經將承壓水完全隔斷，只需保證地下連續墻施工質量及墻縫處施工質量即可。但圍護止水效果存在不確定性，若出現滲漏，易在坑內外巨大水頭差下，造成管涌、坑外沉降、基坑失穩等，為保障安全性，需要對基坑內進行減壓降水。

金華路站地下連續墻深入淤泥質土層并部分進入(含泥)中砂層。隧道淤泥質土層滲透性差，可作為相對隔水層，但是由于其厚度過薄，僅2.1～3.5 m厚，在高承壓水條件下，極易出現擊穿薄隔水層的險情；且由于地下連續墻未深入(含泥)中砂層，坑內降水基本屬于敞開式帷幕降水。

在金華路站基坑開挖過程中，開挖面已經揭穿上層(含泥)中粗砂承壓含水層，需考慮其同潛水一同處理；且由于下部的敞開式帷幕降水形式，其后期的降壓井降水運行過程中的風險較大。

2.2 承壓水降水

對于金山區域內的基坑，都是在高承壓水條件下的降水設計。兩站的不同之處在于：對于金山站，施工中投入了較大人力物力進行了大深度的地下連續墻施工，由于地下連續墻深入隔水層，因此僅需保證地下連續墻的施工質量及墻縫間施工質量即可；對于后續的承壓水降水，主要是針對工程施工層面，是在難以完全保證地下連續墻下部施工質量的完整性情況下而設計的降水井，同時為了減少基坑開挖時基底隆起突涌風險。而對于金華路站，通過減少地下連續墻的深度(僅為金山站地下連續墻深度的一半)，大大減小了施工成本；但由于降水形式采用敞開式帷幕降水，因此大大提升了對降水井質量要求及后續降水井管控要求。

3 基坑降水設計技術思路對比分析

1) 金山站的主體圍護結構相對深且厚，達66.5 m深、1.0 m厚，且墻趾位于強風化花崗巖層，持力層穩定；而金華路站的主體圍護結構相對淺且薄，僅37.4 m深、0.8 m厚，墻趾主要位于(含泥)中砂層中，底部持力層不穩定。

2) 地下連續墻設計形式不一致直接導致了降水形式的差別。金山站的主體圍護結構完全隔斷了外部水來源，進行降水時，可直接采用封閉式降水；金華路站的主體圍護結構墻趾位于承壓水層中，且相對隔水層厚度較薄，為敞開式降水。

3) 不同深度的降水井，采用的降水思路不同，現場管控形式也不同。

4 基坑降水設計

4.1 疏干井設計

對于圍護結構的明挖施工，需要及時疏干開挖范圍內的重力水含量，保證基坑開挖過程中土體的干燥，因此均需布設若干疏干井。在淺層疏干降水時，按照有效抽水面積進行計算。由于疏干井具有普遍性與形式一致性，對于數量及形式在此就不進行對比，僅對高承壓水降壓井進行對比說明。

4.2 降壓井設計

4.2.1 降水滲流模型及依據

根據止水帷幕與含水層之間的空間關系，可將基坑降水滲流的形式分為封閉式、敞開式及懸掛式等三種降水。封閉式降水為止水帷幕深入含水層并直達隔水層，將含水層完全隔絕；敞開式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，但底板在(半)隔水層之上；懸掛式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，且底板揭穿隔水層[4]。

對于金山站，由于止水帷幕將基坑完整包圍，基本屬于封閉式降水，降水時的難度主要體現在基坑抗突涌穩定性上；對于金華路站，減壓降水形式基本屬第二類敞開式降水滲流模型，其難度在于整個基坑開挖過程中對于降水井的保護及管控。

4.2.2 基坑抗突涌穩定性驗算

基坑開挖過程中，由于承壓水上覆土層不斷減小，當上覆土壓力小于承壓水層頂托力后，基坑底將產生隆起，嚴重時發生基坑突涌[5-6]。通常采用式(1)進行穩定性驗算。

(1)

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，工程上一般取10 kN/m3；

Fs——安全系數，根據規范本工程取1.10。

對于金山站而言，基坑開挖深度約為23 m，承壓水頂面埋深約為38 m，根據式(1)計算結果，其基坑穩定性明顯不滿足抗突涌驗算要求；若取安全系數為1.1，則車站內減壓降水臨界開挖深度約為18 m，通過減壓降水涌水量計算的減壓井數目約為23口。金山站減壓降水臨界深度、降壓井信息分別如下表1、表2所示。

表1 福州地鐵5號線金山站降壓降水臨界深度 單位：m

表2 福州地鐵5號線金山站降壓井信息統計表

4.2.3 地下水滲流模型計算

通過滲流模型求解地下水在多孔介質中的流動，采用滲流連續性方程及其定解對三維非穩定滲流規律進行模擬計算。根據勘察報告中的地質水文條件建立的模型，其計算結果為：在敞開式降水條件下，取1.10的安全系數，坑內(含泥)中砂承壓含水層水位需滿足降深3.88～4.25 m的需求。

根據計算結果，設置降壓井時，其深度一方面需要考慮降壓井的水頭損失(即井損)，另一方面需考慮到抽水至觀測井之間的水力梯度漏斗可達到的安全水位?？紤]到地層性質、圍護深度特點及降壓幅度要求，金華路站降壓井主要布置于坑外，主體基坑需要布設10口降水井；按照觀測兼備用井數量不小于降水井總數的20%(且不少于1口)要求，坑內共布設3口觀測兼備用井；各類降壓井總計13口，井深均為43 m。降壓井信息如表3所示。

表3 福州地鐵5號線金華路站降壓井信息統計表

5 基坑降水的主要技術管控措施

5.1 主體圍護結構處的墻縫注漿止水

金山站和金華路站地下存在高承壓含水層，在其基坑內部施工過程中降水，對于圍護結構的密閉性要求較高。在基坑開挖過程中，為防止主體圍護結構的滲漏及涌水涌沙，需提高主體圍護結構的墻縫止水效果。

在基坑開挖前，對金山站主體圍護結構存在滲漏風險的墻縫，采用WSS(無收縮后退式注漿)注漿進行注漿止水，注漿深度為27 m，注漿范圍自基底下10 m到地面下5 m。在金華路站，采用2根φ800 mm@600 mm三重管高壓旋噴樁對墻縫處進行止水，并在基坑開挖過程中通過探縫等強制措施防止出現涌水涌砂等現象，對于高壓旋噴樁效果不足位置進行WSS注漿補強。圖3為金華路站高壓旋噴樁平面圖。

圖3 福州地鐵5號線金華路站高壓旋噴樁平面圖

5.2 現場管控

1) 土方開挖：土方開挖過程中，嚴格執行“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴禁超挖”的要求。

2) 墻縫處探挖：通過現場嚴格管控土方開挖過程中墻縫處的探挖，在每層土方開挖前先對地下連續墻接縫處進行探挖，查看墻縫處土體含水率是否正常，保證墻縫處未出現滲漏。

3) 強化降水井管理：基坑施工過程中，對降水井進行全天候倒班制監測管理，強化管理人員對于降水井重要性意識觀念，確保降水過程中降水井的正常使用。在現場設置備用庫房，保證降水設施出現問題后能夠及時進行更換。

4) 降水技術管控：金山站地下連續墻深入強風化花崗巖層，已隔斷坑內外水力聯系，理論上坑內的抽水降壓對坑外影響可忽略不計。但實際降水過程中，仍要對管線、建筑物、地下連續墻等進行監控量測，嚴格控制沉降速率及累計沉降量。降水過程中應嚴格參照下列原則進行管控：按照降水范圍宜小不宜大、時間宜短不宜長、深度宜淺不宜深的原則進行降水；盡量減少開挖時長，縮短降水周期，減少對周圍環境的影響；隨挖隨降，按需降水，逐步降低承壓水頭，避免過早降壓；設置智能監測系統，實時跟蹤管控；在周邊敏感建筑物附近進行場地協調，布設應急回灌井，防止出現地面沉降等不良影響；基坑開挖過程中，若發生突涌，及時采取封堵措施，同時應避免降水加劇坑外路面及周邊建筑物沉降。

6 施工效果分析

6.1 沉降變形情況

深部降壓引起的地面沉降包括瞬時沉降、固結沉降、土體流變引起的次固結沉降三部分。由于次固結沉降作用時間較長，在計算中主要考慮主固結沉降，并按照分層總和法進行計算管控。相關計算公式參閱文獻[7-8]。

根據測算，金山站和金華路站不同施工階段減壓降水引起的坑外地面沉降最大預估值約為5.7 mm和13.5 mm。

根據監測項目控制值要求，各監測項目控制值如表4所示。

表4 地鐵車站基坑施工監測項目控制值

根據實際檢測情況來看，自2018年10月金山站基坑開挖以來，至2019年7月結構封頂，基坑外側最大總沉降為38 mm，主體圍護結構墻頂豎向位移為4.2 mm，地表沉降為25.5 mm；金華路站自2018年12月基坑開挖以來，至2019年8月結構封頂，基坑外側最大總沉降為24.4 mm，主體圍護結構墻頂豎向位移為17.1 mm，建筑物沉降為16.4 mm。

根據表4和實際檢測情況，福州地鐵5號線金山站和金華路站的基坑工程，由于設計的合理和管控到位，兩站的整體圍護結構變形情況及降壓引起的外部周邊環境影響較小，基本符合預測。

6.2 基坑滲漏情況

在福州地鐵5號線金山站和金華路站的圍護結構施工過程中，采取了以下措施：對工程質量合理管控;通過三重管高壓旋噴樁及WSS注漿對主體圍護結構墻縫進行合理止水；開挖過程中嚴格執行墻縫探挖制度，及時架設支撐體系；設計合理的降水方案，降水井施工及管控到位。因此，在這兩座車站深基坑施工過程中，未出現明顯滲漏。

7 結論

1) 對于高承壓富水砂層中的車站基坑工程，通過主體圍護結構、降水、降水井的合理設計、施工管控，以及本文所述的一系列措施，可大大減少主體圍護結構、降水井的深度。如：金山站主體圍護結構深達66.5 m，降水井深度約為60 m，而同樣處于高承壓富水砂層中的金華路站主體圍護結構僅需37.4 m，降水井深度僅43 m。若在保證安全質量的前提下，使用敞開式降水，可大大減少圍護結構及降水井的造價成本。

2) 車站基坑施工中，對于降水井的管控至關重要，直接影響到基坑開挖的成敗。

3) 對于車站基坑降水施工而言，只要采取合理的設計及嚴格的管控措施，采用敞開式降水甚至懸掛式降水是可行的，可大幅減少地下連續墻及降水井的成本。