深厚軟土地層深基坑降水方案設(shè)計(jì)與施工關(guān)鍵技術(shù)研究
——以紹興市軌道交通2號線越王路站為例

楊琛 茍學(xué)登 蘇軒彬 田野 王紀(jì)云 李超＊

（1中國水利水電第四工程局有限公司，青海 西寧 810007；2杭州浙科大科技有限公司，浙江 杭州 310016）

0 前言

隨著地下空間需求增長，深基坑施工越來越普遍。軟土具有靈敏度和流塑性高的特點(diǎn)，基坑開挖時(shí)易發(fā)生開挖面軟弱和積水等現(xiàn)象。深基坑降水常引起土體沉降，進(jìn)而導(dǎo)致周圍建筑物傾斜、道路及地下水管線開裂等問題[1-4]。曹力橋[5]對存在工程樁和考慮降水以及兩者兼顧工況下的基坑開挖進(jìn)行研究，得出降水開挖對坑底隆起的抑制作用更強(qiáng)。吳昊等[6]基于數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗(yàn)研究了一次降水和分次降水情況下的地表沉降。劉杰等[7]對軟土地區(qū)深基坑施工過程進(jìn)行監(jiān)測，分析對周邊環(huán)境的損傷。嚴(yán)學(xué)新等[8]總結(jié)了深基坑減壓降水中地面沉降的影響因素，并對地面沉降進(jìn)行了實(shí)例估算。方浩等[9]基于數(shù)值模擬研究了基坑開挖降水對地表沉降、路基沉降和水平位移的影響范圍。

綜上，目前對于深基坑降水的研究方法有數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測，主要分析坑底隆起和周邊環(huán)境影響及沉降規(guī)律，而對于深厚軟土地層深基坑降水研究相對較少。本文以紹興市軌道交通2號線越王路站為背景，分析工程的水文和工程地質(zhì)特點(diǎn)，研究降水設(shè)計(jì)方案和施工關(guān)鍵技術(shù)，并對設(shè)計(jì)方案和技術(shù)流程進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況與特點(diǎn)

越王路站為紹興市城市軌道交通2號線一期工程第5座車站。車站位于洋江路與越王路交叉路口，橫跨越王路，沿洋江路北側(cè)東西向布置（見圖1），為地下兩層鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)，車站基坑開挖深度為16.7～18.7m，基坑大小為243.6m×19.7m，采用明挖順作法施工。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

圖1 越王路站平面示意圖

表1 越王路站地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

本工程開挖范圍內(nèi)主要為填土層、粘質(zhì)粉土及淤泥質(zhì)土，地下水為孔隙潛水和孔隙承壓水，孔隙潛水主要賦存于場區(qū)表部填土和淺部粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土中，水位一般為0.50～1.60m，相應(yīng)高程3.79～4.49m，孔隙承壓水主要分布于中部的粉砂、圓礫和深部的粘質(zhì)粉土、含粘性土粉砂和圓礫，相互連通，水量較豐富。基坑土質(zhì)軟弱，埋深大，壓縮模量小，為避免基坑開挖位移較大，提高施工效率，應(yīng)進(jìn)行降水處理。同時(shí)，基坑第二、三道支撐間為粘質(zhì)粉土層及淤泥質(zhì)土層交界面，若前期不對潛水進(jìn)行有效疏干，極易在此交界面上產(chǎn)生滯水等不良現(xiàn)象，影響施工進(jìn)度。因此，開挖基坑前需在基坑范圍內(nèi)布設(shè)若干疏干井進(jìn)行降水。

2 深厚軟土地區(qū)深基坑降水設(shè)計(jì)方案

2.1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用式（1）判別基坑開挖后是否會(huì)發(fā)生基坑坑底隆起甚至突涌現(xiàn)象，原理示意圖見圖2。

圖2 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖

式中：Ps—承壓含水層頂面至地基表面間的上覆土壓力；Pw—初始狀態(tài)下（未減壓降水時(shí)）承壓水的頂托力；hi—承壓含水層頂面至地基表面間各分層土層的厚度；γsi—承壓含水層頂面至地基表面間各分層土層的重度；H—高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度；γw—水的重度，一般取10kN/m3；Fs—安全系數(shù)，一般取1.05～1.20，本工程取1.10。

1)若Fs×H×γw≤Σhi×γsi，則理論上基坑開挖后不會(huì)發(fā)生承壓含水層突涌的現(xiàn)象；

2)若Fs×H×γw＞Σhi×γsi，則理論上基坑開挖后會(huì)發(fā)生承壓含水層突涌的現(xiàn)象。

2.2 降水設(shè)計(jì)思路

根據(jù)詳勘報(bào)告進(jìn)行的潛水穩(wěn)定流完整井多孔抽水試驗(yàn)，抽水試驗(yàn)開孔口徑φ300mm，下入φ219mm的鐵質(zhì)套管，在潛水含水層段下入φ108mm的鐵質(zhì)穿孔墊筋包網(wǎng)過濾器，并在過濾器下端設(shè)置長度為2.0m的沉淀管，后在試驗(yàn)段內(nèi)填入礫石（多孔抽水試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)觀察孔于距主孔3m和8m處），試驗(yàn)前應(yīng)洗井。每組抽水試驗(yàn)應(yīng)包括3次抽水，匯總各次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最終獲得場地水文地質(zhì)參數(shù)見表2。為保證水文地質(zhì)參數(shù)的準(zhǔn)確性，基坑降水井施工前應(yīng)進(jìn)行試降水。

表2 現(xiàn)場抽水試驗(yàn)結(jié)果匯總

綜上，開挖基坑前需在基坑周圍布設(shè)若干數(shù)量的坑內(nèi)疏干井，以此疏干基坑周邊潛水含水層中的水，考慮到開挖第二層土后②2-4層可能產(chǎn)生的滯水問題，必要時(shí)可采用輕型井點(diǎn)進(jìn)行輔助降水。

2.3 基坑疏干井布置

本工程坑內(nèi)疏干井按照單井有效面積不超過400m2進(jìn)行布置。越王路站基坑面積約5052㎡，疏干井?dāng)?shù)量為5052/350≈15口，井深23～25m，同時(shí)考慮避讓結(jié)構(gòu)以及滿足基坑不規(guī)則條件下降水需求，最終確定降水疏干井?dāng)?shù)量15口，各井管平面位置見圖3。

圖3 疏干井平面布置圖

2.4 預(yù)疏干降水時(shí)間預(yù)估

根據(jù)設(shè)計(jì)思路，疏干井井深設(shè)計(jì)為23～25m。結(jié)合工程實(shí)際情況，基坑地下連續(xù)墻阻擋了基坑內(nèi)外潛水間的相互流動(dòng)，基坑開挖深度范圍內(nèi)總涌水量可按式（2）計(jì)算：

式中：W—應(yīng)抽出的水體積；A—基坑面積；M—疏干含水層厚度；V—含水層體積，V=基坑面積A×疏干含水層厚度M；μ—含水層給水度。

本工程需要疏干的土層主要為填土和淺部粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土，其中，填土及粘質(zhì)粉土給水度取0.05，淤泥質(zhì)土給水度取0.02，按照潛水水位埋深0.3m、疏干要求降至坑底以下0.5m以及基坑底加固等情況，本工程疏干范圍內(nèi)土層厚度約20m，基坑面積約5052m2，基坑疏干排水量為2900m3。

根據(jù)長期的降水經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本次降水井結(jié)構(gòu)、地層情況，平均日單井涌水量約3m3/d。基坑單日總出水量為：

式中：Q總—基坑結(jié)構(gòu)日總出水量；q日—平均日單井涌水量；N—抽水井個(gè)數(shù)。

疏干井?dāng)?shù)量根據(jù)疏干井有效疏干面積350m2計(jì)算，基坑共15口疏干井，基坑日總出水量為45m3，疏干基坑圍護(hù)內(nèi)地下水需64.4d。

2.5 降水驗(yàn)證試驗(yàn)

試驗(yàn)期間地下水水位變化需要進(jìn)行測量，測量頻率為開始后2h以內(nèi)第30、60、90、120min記錄水位；2～24h內(nèi)每2h記錄1次；24h以后每4h記錄一次。試驗(yàn)期間需由專業(yè)施工監(jiān)測單位對坑外沉降變形進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)規(guī)范要求，采用水表測量出水量時(shí)，應(yīng)讀到0.1m3。流量觀測要求每天至少觀測4次；恢復(fù)水位觀測頻率與抽水試驗(yàn)時(shí)相同，恢復(fù)水位觀測至水位趨于穩(wěn)定為止。

2.6 疏干降水要求

疏干降水需在基坑開挖前20d進(jìn)行預(yù)降水。基坑周邊應(yīng)設(shè)置阻、排水設(shè)施，防止雨水及施工污水流入基坑，開挖至坑底施工底板時(shí)，在底板設(shè)置臨時(shí)泄水孔，待頂板覆土施工完成后方可封孔。在基坑施工階段，應(yīng)采取不間斷井點(diǎn)降水措施(需備用電源)，開挖前須疏干加固坑內(nèi)土體。降水工程實(shí)施前，需結(jié)合工程實(shí)際情況在基坑周邊建筑物附近一定范圍內(nèi)進(jìn)行沉降監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)，在抽水期間需對監(jiān)測點(diǎn)展開連續(xù)沉降觀測工作，若累計(jì)沉降量接近預(yù)警值或沉降速度突然增大，應(yīng)及時(shí)匯總數(shù)據(jù)并采取合理措施進(jìn)行處理。

3 深厚軟土地區(qū)深基坑降水施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 成井技術(shù)與管井構(gòu)造

管井主要包含以下三個(gè)部分：

1）井壁管：降水井采用焊接鋼管，開孔孔徑φ650mm，井壁管直徑φ273mm，管壁厚3mm。

2）過濾器（濾水管）：濾水管直徑φ273mm，與井壁管的直徑應(yīng)相同；所有濾水管外均包兩層60目尼龍網(wǎng)，尼龍網(wǎng)搭接長度約為尼龍網(wǎng)單幅寬度的20%～50%。

3）沉淀管：濾水管底部設(shè)置長度為1.00m的沉淀管，防止井內(nèi)沉砂堵塞而影響進(jìn)水，沉淀管底口用鐵板封死。成井技術(shù)流程見圖4。

圖4 成井施工流程圖

3.2 降水運(yùn)行管理

本工程的降水施工主要包括：

1）為便于基坑土方開挖和橫向設(shè)置加強(qiáng)筋保護(hù)坑內(nèi)降水井，降水井應(yīng)布設(shè)在合理位置，如靠近格構(gòu)柱和支撐，避開加固區(qū)、出土口、運(yùn)輸通道等。

2）疏干井應(yīng)在土方分層開挖完成后及時(shí)割管及下泵，在降水井上標(biāo)記清楚，并配備夜間施工反光帶，安排24小時(shí)值班保護(hù)，以防產(chǎn)生安全隱患。有施工作業(yè)面的情況下，在每層支撐或梁板處，減壓降水井都應(yīng)采用捆扎等方法固定。

3）通過基坑外的監(jiān)測點(diǎn)及時(shí)對坑外沉降量和水位變化進(jìn)行監(jiān)測。沉降量達(dá)到報(bào)警值時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換抽水井位置并調(diào)整抽水流量，通過整理基坑開挖和降水時(shí)的水位資料，綜合考慮施工工況對突發(fā)情況和異常變化進(jìn)行分析，必要時(shí)繪制圖表，指導(dǎo)降水工作高效有序運(yùn)行。

4 結(jié)論

紹興軌道交通2號線4標(biāo)段的越王路站工程地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑以上土層均為軟土，工程性質(zhì)較差，降水施工中易出現(xiàn)周圍土體不均勻沉降、基坑坑底突涌等問題，本文在分析該區(qū)域工程地質(zhì)特點(diǎn)和基坑埋深大的基礎(chǔ)上，對深基坑降水方案進(jìn)行總結(jié)，并研究了關(guān)于深基坑降水的施工關(guān)鍵技術(shù)，主要包括：

1）通過比較上覆土壓力Ps與承壓水的頂托力Pw來驗(yàn)算底板抗突涌的穩(wěn)定性；提出了開挖基坑前布設(shè)若干數(shù)量的坑內(nèi)疏干井，開挖第二層土后采用輕型井點(diǎn)進(jìn)行輔助降水的降水思路；綜合考慮基坑面積和單井的有效降水面積，確定了布置15口疏干降水井的方案；根據(jù)公式計(jì)算和降水經(jīng)驗(yàn)，預(yù)估了疏干降水時(shí)間為64.4d；闡述了降水驗(yàn)證試驗(yàn)內(nèi)容。

2）提出了將降水井靠近格構(gòu)柱和支撐，避開加固區(qū)、出土口和運(yùn)輸通道等，以求最大程度減少降水對基坑開挖施工的影響，并通過疏干井及時(shí)割管下泵、在降水井上設(shè)置醒目標(biāo)記等保護(hù)降水井；通過監(jiān)測坑外水位和沉降量變化調(diào)整抽水井和抽水流量，指導(dǎo)降水運(yùn)行和開挖施工。

3）總結(jié)了從測量放樣、鉆機(jī)對中整平、鉆機(jī)成孔、清孔調(diào)漿到下井管、圍填砂礫、洗井，最終成井并放泵抽水的技術(shù)。