富水砂層地鐵車站深基坑降水設(shè)計(jì)及地下水控制研究

林成恕，李青雷

(中交隧道工程局有限公司，北京 100102)

1 引 言

隨著21世紀(jì)地下空間工程的開展，城市地鐵的建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入高速發(fā)展階段，為人類的生活提供了便利條件。但隨之而來(lái)的是地鐵車站深基坑工程事故及對(duì)周邊環(huán)境的影響不斷增加，其安全性問題也受到了廣泛關(guān)注[1]。影響地鐵車站基坑安全性的因素有很多，如地理位置、水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境及施工質(zhì)量等，給地鐵車站基坑的安全性帶來(lái)極大挑戰(zhàn)。其中，地下水的滲流問題是影響安全的關(guān)鍵要素，特別是在富水砂層條件下修建的地下工程，具有水位高、流量大、供給充足等特點(diǎn)[2-4]，地下水的處理問題更是工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)富水砂層深基坑地下水處理及風(fēng)險(xiǎn)控制的研究取得了一些成果。龔武雄[5]對(duì)富水砂層地質(zhì)條件下如何確保基坑降水成功，以保證深基坑開挖安全的降水全過(guò)程進(jìn)行分析，為類似地層施工提供經(jīng)驗(yàn)。曾英俊[6]通過(guò)分析降水試驗(yàn)、深化設(shè)計(jì)及降水實(shí)施等過(guò)程，對(duì)富水砂層中臨近河道超深基坑的降水設(shè)計(jì)及施工的成功應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)闡述，取得設(shè)計(jì)及施工參數(shù)。王會(huì)峰[7]以上海軌交通13#線為例，利用MJS工法進(jìn)行基坑止水施工，取得了預(yù)期效果，為大面積基坑止水及加固施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

針對(duì)富水砂層地下水處理問題，依托哈爾濱市軌道交通3#線二期工程進(jìn)行研究，根據(jù)工程富水砂層的特點(diǎn)及地下水控制的難點(diǎn)，提出降水設(shè)計(jì)方案、施工解決方案、有針對(duì)性的解決降水問題，并采用MJS工法樁有效的控制了地連墻接縫處地下水的滲漏，為類似的富水砂層地鐵基坑地下水處理問題提供參考依據(jù)。

2 工程簡(jiǎn)介

2.1 工程概況

依托工程為哈爾濱市軌道交通3#線二期工程，沿靖宇街東西向布置。工程地處松花江漫灘區(qū)，地下水位高，周邊臨近密集的居住及商業(yè)建筑，且交通流量大，工程周邊環(huán)境相當(dāng)復(fù)雜。

基坑采用蓋挖順作法施工，車站永久頂板兼做蓋板使用，覆土厚度3.8 m，基坑開挖最大深度約25.9 m。根據(jù)基坑開挖深度、場(chǎng)地地質(zhì)條件、車站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、周邊環(huán)境及環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm(標(biāo)準(zhǔn)段)、φ800 mm(外掛風(fēng)亭)地下連續(xù)墻+2道混凝土支撐+3道鋼支撐+1道換撐支護(hù)體系內(nèi)支撐支護(hù)，地連墻深度約44 m，總計(jì)67幅。墻內(nèi)側(cè)或外側(cè)采用高壓旋噴樁止水帷幕兼做隔離樁，車站降水設(shè)置兩排大口井點(diǎn)降水，井點(diǎn)在基坑范圍內(nèi)均勻，共布置降水井19口?；咏怠⒅顾畢?shù)見表1。

表1 坑降、止水參數(shù)表

開挖面的明水通過(guò)排水溝排入集水坑內(nèi)，并由潛水泵抽至地面排水溝內(nèi)。排水系統(tǒng)平面布置圖如圖1所示。

圖1 排水系統(tǒng)平面布置圖

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

工程地處松花江漫灘，地下連續(xù)墻成槽范圍內(nèi)土層分布如下：表層由雜填土組成，上部地基土主要由粉質(zhì)黏土組成，中部、下部主要由中砂夾厚薄不均的黏性土組成，下部基巖為白堊紀(jì)泥巖。

工程地下水分布為孔隙潛水及孔隙承壓水?？紫稘撍宦裆顪\且水量豐富，主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖積層中(2-4)層中砂、(2-4-1)層礫砂、(2-4-3)層粉砂中，該含水層厚度約17 m，隔水底板為(7-1)層黏土。下部孔隙承壓水埋深較深，主要賦存于第四系下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層中(7-1-2)層粉砂、(7-1-3)層中砂、(7-2)層中砂、(7-2-1)層礫砂、(7-2-3)層粉砂層中。場(chǎng)區(qū)各土層滲透系數(shù)見表2。

表2 土層滲透系數(shù)

續(xù)表2

3 降水設(shè)計(jì)

3.1 基坑涌水量估算

工程降水主要涉及第四系孔隙潛水，由于底部隔水層相對(duì)薄弱，基坑底部承壓水容易引起基坑突涌，須進(jìn)行減壓降水。故基坑涌水量由潛水和承壓水兩部分組成，計(jì)算如公式(1)、(2)所示。

=20 592.4 m3/d

(1)

(2)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，工程潛水總涌水量為20 592.4 m3/d，承壓水總涌水量為10 412.3 m3/d，基坑涌水量大，地下水的對(duì)施工有很大影響。

3.2 降水井深度及單井出水能力計(jì)算

根據(jù)基底深度、降水深度、含水層的埋藏分布、地下水類型、降水井的設(shè)備條件以及降水期間的地下水動(dòng)態(tài)等因素確定降水井深度，計(jì)算如下：

單井涌水量計(jì)算如公式(3)所示。

(3)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，標(biāo)準(zhǔn)段降水井深度約34.9 m，端頭段降水井深度約35.4 m。考慮地層差異性及成井質(zhì)量對(duì)基坑實(shí)際出水量的影響，并結(jié)合本站點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果，故群井抽水期間設(shè)計(jì)單井出水量取1 400 m3/d。

3.3 降水井?dāng)?shù)目計(jì)算

(1)從單井出水能力考慮

=26.2

(4)

(2)從單井有效疏干面積考慮

坑內(nèi)疏干降水深井?dāng)?shù)量按下式確定：

(5)

式中：n為降水井?dāng)?shù)量，個(gè)；A為基坑面積，m2；a為單井有效疏干面積，本工程取200 m2。

綜合上述兩種計(jì)算方式得出以下結(jié)論，在不設(shè)置止水帷幕的情況下，則布置25口井較為合理。但由于本工程在止水帷幕條件下進(jìn)行坑內(nèi)疏干降水，疏干水量?jī)H為坑內(nèi)儲(chǔ)水量理論最大值(按孔隙率0.4考慮，約3萬(wàn)m3)，常規(guī)疏干井2～3口即可滿足施工降水要求。結(jié)合3#線二期類似車站多次發(fā)生止水帷幕漏水的現(xiàn)狀，為確保本工程的降水順利，故降水井?dāng)?shù)目取19口。

4 MJS工法接縫止水應(yīng)用

4.1 MJS接縫止水方案

工程地連墻外側(cè)已施作完成φ800@550旋噴樁止水帷幕兼做隔離樁，在旋噴樁外放量200～300 mm，進(jìn)行MJS工法樁的施工。結(jié)合MJS工法特點(diǎn)，設(shè)計(jì)方案如下：(1)在每個(gè)接縫位置設(shè)1根φ2 000 MJS樁，樁中心偏移地連墻外邊線600 mm，采用180°噴射形成半圓形樁體；(2)引孔深度20.5～39 m，樁體噴射范圍為地下2～39 m；(3)MJS工法樁水泥采用P·O42.5普通硅酸鹽水泥，土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度不小于1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-7cm/s。施工前應(yīng)進(jìn)行成樁工藝、水泥摻量及配合比試驗(yàn)，以保證成樁效果。MJS樁布置圖如圖2所示。

圖2 MJS樁布置圖(單位：mm)

4.2 MJS工法應(yīng)用情況分析

工程共67幅地連墻，即67處接縫，抽取3根MJS樁進(jìn)行取芯檢測(cè)，取芯位置距離樁邊緣200 mm且取芯位置連續(xù)。檢測(cè)結(jié)果表明，芯體強(qiáng)度在3.5 MPa以上，MJS樁成樁連續(xù)性好、成樁直徑合格。

工程利用MJS工法進(jìn)行地連墻接縫處理，應(yīng)用結(jié)果表明，地連墻接縫處雖有輕微滲水情況，但水流小、滲漏少，未發(fā)生較大漏水或涌砂情況，有效解決了富水砂層地地連墻接縫止水問題。通過(guò)工程MJS的應(yīng)用，說(shuō)明地連墻接縫采用MJS工法可以基本上規(guī)避涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)、降低輕微滲漏水的概率，極大提高了接縫止水質(zhì)量。此外，相比同樣條件下的其它止水措施，MJS工法還能做到在接縫止水的基礎(chǔ)上盡量較小對(duì)周邊環(huán)境的影響。

5 結(jié) 論

以哈爾濱市軌道交通3#線二期工程為依托，研究了富水砂層條件下地鐵車站基坑降水及地下水控制等問題，得出結(jié)論如下。

根據(jù)工程具有臨近松花江、處于富水砂層地層、周邊環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，總結(jié)了本工程地下水控制的難點(diǎn)，并從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)三個(gè)方面提出有針對(duì)性的解決辦法，取得了顯著的效果。

工程采用止水帷幕+管井降水+明排的方式控制地下水，基坑周邊緊鄰老舊建筑物，故降水設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地下水滲流對(duì)周邊環(huán)境的影響，并依據(jù)降水試驗(yàn)對(duì)井徑、井間距、井深進(jìn)行修正。根據(jù)地層透水性不同，涌水量計(jì)算分別考慮潛水和承壓水兩種情況。

利用MJS工法樁進(jìn)行富水砂層地連墻接縫處理取得了良好的止水效果，說(shuō)明MJS工法應(yīng)用于工程中能夠很好的控制地下水滲漏的問題，規(guī)避了基坑涌水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)，降低了輕微滲漏水的概率，極大提高了土木工程接縫止水質(zhì)量。