深基坑厚潛水含水層降止水案例與技術探析

趙建軍

（上海城建市政工程（集團）有限公司，上海 200331）

0 引言

在具有較厚潛水含水層、釋水性較好的區域內進行深基坑開挖時，由于土層的滲透系數較大，地下水水量補給較快，補給量較大，且止水帷幕沒有阻斷潛水含水層，在基坑沒有及時降水的情況下，必然會引起基坑浸水，降低土體強度，影響施工安全。 如果降水控制不當，還有可能導致地表沉降、管涌、基坑失穩等現象。 因此，研究地鐵車站深基坑降水關鍵技術對施工安全具有重要意義。

劉凌暉等[1]以福州地鐵2 號線水部站為依托，采用有限差分模型求解半封閉基坑降水特性，建立了標準狀態下排水量隨帷幕變化的特征曲線；黃應超[2]以武漢市婦女兒童醫療保健中心綜合業務樓深基坑降水工程為例，對深基坑降水與回灌過程進行三維數值模擬，發現采用坑外回灌可控制降水引起的地面沉降；周勇[3]以蘭州地鐵1 號線某車站基坑支護工程為背景，通過有限元法分析以及實際監測數據，表明車站深基坑開挖及降水對地下管道的位移有顯著影響，進而總結了管道的變形規律；高旭等[4]以武漢長江航運中心深基坑為實例，概化其水文地質模型，以現場抽水試驗數據分析止水帷幕的止水效果。

鄭州地鐵8 號線龍王廟站在基坑開挖面內有較厚的潛水含水層，利用三軸攪拌樁止水帷幕配合管井井點降水，坑外設置排水溝排水，通過成井和封井關鍵施工技術，以及止水帷幕的冷縫處理方法進行降止水處理，保障了施工安全，可為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

鄭州市軌道交通8 號線一期工程龍王廟站位于綠博大道與雁鳴路交叉口處，沿綠博大道呈一字型布置，龍王廟站為地下兩層島式站臺車站。

車站主體采用全外包防水層，主體基坑采用鉆孔灌注樁配合鋼支撐的支護形式，止水帷幕采用φ850@600 三軸攪拌樁，三軸攪拌樁底邊線位于②51細砂層中，未隔斷潛水含水層。 標準段基坑深約16.590m，小里程端基坑開挖深度約18.35m，大里程端基坑開挖深度約18.35m。

1.2 地質概況

根據區域勘察報告，車站主體施工場地主要為城市道路，地貌單元屬黃河沖積平原區，地形較平坦，地面高程約80.22～80.83m。

施工場地的地層主要由人工填土層、第四系全新統沖洪積層、第四系上更新統沖洪積層構成。 人工填土抗剪強度低、變異性大，浸水后會引起工程性質惡化，容易導致支護結構失效；②21粉質黏土，埋深約11.0～13.4m 深度范圍，土質相對軟弱，受擾動后強度可能會降低；②41粉砂、 ②51細砂層滲透系數分別為10.0、15.0，滲透系數較大，富水性極強，水量補給較快。 龍王廟站地質剖面圖如圖1 所示。

圖1 鄭州地鐵龍王廟站地質剖面圖

施工場地范圍內地下水主要為第四系松散巖類潛水，主要賦存于②32黏質粉土、②41粉砂、②51細砂、③51細砂層中，水位埋深約11.35m，潛水含水層最大厚度為26.8m，該潛水層具有滲透系數大、含水量大、水位恢復較快等特點。

1.3 施工難點

（1） 基坑開挖周圍環境復雜，地下存在眾多管線，周邊有藍城玫瑰園、白沙組團污水處理廠等建筑，基坑采用懸掛式帷幕降水，過度降水將會引起周圍地表的沉降，對周邊建筑物產生較大的不利影響。

（2） 基坑開挖較深，開挖范圍內有較厚的潛水含水層，下部土層滲透系數大，水量補給較快，對成井和封井施工技術提出了挑戰。

（3） 止水帷幕能夠延長地下潛水含水層的滲流路徑，從而減少流入基坑的地下水，但由于車站基坑開挖深度大，止水帷幕未能隔斷潛水含水層，止水帷幕一旦滲透或止水效果不好，將會嚴重影響施工安全。

（4） 本基坑以砂性土為主，降水運行過程中風險較大，可能會出現出水量異常或坑外水位下降異常等現象，需分析原因，采取措施。

2 降水方案

綜合考慮工程的地質和水文條件，結合相似工程的降水經驗，車站主體基坑降水施工采用三軸攪拌樁帷幕止水、坑內管井降水、坑外設置排水溝的地下水處理方案。

2.1 基坑降水計算

為方便基坑的開挖作業，并且保證基坑的安全開挖，在基坑內布設疏干井，疏干開挖范圍內土體中的含水量，將開挖范圍內的地下水水位控制在基坑開挖底以下至少1m。 根據基坑每天總涌水量除以群井抽水工況下單井每天出水量得出基坑內所需疏干井數量。

該工程主要抽取②51層及以上潛水含水層。 運用均質含水層潛水非完整井計算公式估算基坑總涌水量，計算結果如表1 所示。

表1 基坑總涌水量計算

經計算得出單井允許出水量約為615.64m3/d。 此值僅代表單井的最大理論出水能力，單井實際出水量還需綜合考慮井損、群井干擾效應等因素的影響。 計算結果如表2 所示。

表2 基坑單井設計出水量

綜上，確定降水井數如表3 所示。

表3 基坑降水井數計算表

2.2 降水效果模擬

在分析計算時，綜合考慮計算的平面范圍，降水井、觀測井的空間位置以及地層概化的影響，運用三維計算數值模型進行降水效果模擬，離散后的水文地質模型見圖2。

圖2 離散模型三維示意圖

根據三維計算數值模型進行降水量預測，由圖3 可知，坑內開啟20 口降水井模擬降水運行7 天后，基坑內水位降水約為10m，可以滿足基坑降水要求。

圖3 主體基坑水位降深等值線圖（m）

3 關鍵施工技術

3.1 沉降值預測及預防措施

過度降水會引起基坑周圍地表沉降，綜合考慮開挖基坑后降水作用、圍護滲漏、坑底隆起等因素，對降水運行120 天后基坑周圍的沉降量進行模擬，模擬結果如圖4 所示。 結果顯示，本方案降水對基坑周圍地表的沉降影響較小，最大沉降量預測值為11mm，但為保證周圍環境的安全，仍采取如下預防措施：

圖4 120天后降水引起的周邊沉降等值線圖

（1） 對 基坑周邊的建筑物沉降、 管線變形進行全天監測，發現異常后，及時分析原因，根據變形制定加固、懸吊、隔離、跟蹤注漿等措施；

（2） 盡量縮小降水范圍，縮短降水時間，減少降水深度，降水過程中要提高效率，安裝回水閥，嚴格控制降水井流量，防止降水過量引起地表沉降，同時降水井的位置應遠離需要保護的建筑物[12]；

（3） 在降水井施工完成后，對20 口降水井進行試運行，檢驗降水方案的效果，水位下降超過預測的最大值時，必要時進行回灌。

3.2 成井、封井施工技術

施工過程中需要注意鉆進成孔和洗井方法。 基坑開挖范圍主要為砂性土，為了確保施工質量，采用注漿封井的方案，施工過程中需要注意注漿方法。

（1） 成井施工采用正循環回轉鉆進工藝，鉆孔過程中注入泥漿護壁，控制泥漿的密度在1.10～1.15，在施工停止時，為了防止坍塌，孔內必須保持泥漿為填滿的狀態。

（2） 洗井時，要注意把活塞從濾水管的下方向上拉，對活塞拉出來的水的泥沙含量進行測定，水中基本不含泥沙后，再使用空氣壓縮機多次抽水清洗，直到清水流出。

（3） 封井過程中，注意協調配合注漿量和上提注漿管，每完成0.51m 漿量后提升0.51m 的注漿管，每上提3m 后就可以拆掉一節注漿管。 在注漿完成后，通過觀測井管內水位有無明顯提高，驗證注漿效果。

3.3 止水帷幕冷縫處理

圍護結構三軸攪拌樁施工過程中冷縫處理不好會出現滲透，滲透過程中水流會帶走基坑側壁部分土顆粒，導致基坑變形，基坑變形會引起三軸攪拌樁的變形，若基坑的變形較大，還會使三軸攪拌樁產生裂縫，影響降水運行和施工質量。

三軸攪拌樁施工過程中出現冷縫時，可以通過打入高壓旋噴樁對冷縫進行修補，用高壓旋轉噴嘴將水泥漿噴入土層，與土體混合，形成連續重疊的水泥加固體，保證止水帷幕的止水效果，高壓旋噴樁修補冷縫如圖5 所示。

圖5 高壓旋噴樁冷縫處理施工圖

3.4 基坑降水監測及降水試運行

（1） 該工程單井出水量較大，下部土層滲透系數大、含水量高，水泵停止抽水后一段時間內水位會迅速上升，基坑底板完成后，為方便進一步施工作業，部分降水井仍需進行抽水。 因此需要對降水井的出水量、地下水位進行實時監測。

（2） 正式降水之前進行降水試運行，驗證降水效果，先測量出靜水水位，驗證電路系統能否正常運行，再進行為期1 天的試驗抽水，檢查出水質量和出水量，同時監測管井出水量和坑外水位孔檢測水位，用以檢測圍護結構的止水情況。

4 降止水效果分析

分析坑內西端頭觀測井GB1、中間觀測井J6（替換GB2）和東端頭觀測井GB3 在降水運行中的地下水水位（圖6），結果顯示：西端頭基坑設計開挖深度18.35m，地下水位穩定在19.5m 附近，控制在施工作業面1m 左右，能夠保證施工安全；東端頭基坑處于放坡開挖階段，東端頭井6月20 日后兼做降水井使用，降水流量為21m3/h 左右；各降水井按照基坑開挖施工狀況按需降水，降水井運行正常，周圍地表無塌陷、隆起等現象，表明項目所選用的懸掛式止水帷幕配合坑內管井降水方案能夠較好地滿足后潛水含水層基坑降止水施工的需求。

圖6 降水運行地下水位統計

止水帷幕能夠有效減少周圍地表沉降，為檢測止水帷幕的止水效果，在基坑外取8個不同監測點進行周圍地表沉降變形分析，各監測點沉降量隨時間的變化如圖7 所示。

圖7 各監測點沉降量隨時間變化曲線

通過對各監測點的沉降量進行分析，結果顯示：降水運行導致地下水位下降，各監測點由于降水引起的沉降趨勢基本一致，且沉降速率都隨降水的進行逐漸變緩。截止7月13 日，最大沉降量出現在DC-1304，為9.3mm，最小沉降量出現在DBC-16-02，為7.1mm，各監測點的沉降量穩定于8.0mm 附近，基本在9.5mm 以內，符合模擬降水沉降量預測結果，在滿足相關規范的控制要求的基礎上，可以保證地鐵車站基坑的穩定性，保證工程的順利進行。

5 結論

綜上所述，本文結合鄭州市地鐵8 號線龍王廟站實際工程，研究了地鐵車站厚潛水含水層基坑降止水施工關鍵技術，得出如下結論：

（1） 在基坑開挖遇厚潛水含水層時，采用管井降水，帷幕止水，能夠達到預期降止水效果；

（2） 采用實時監測周圍地表沉降、嚴格控制降水量、進行降水試運行等措施可以預防基坑降水過程中周圍地表的沉降；

（3） 施工過程中關注成井和封井中的關鍵要點，運用高壓旋噴樁對止水帷幕的冷縫進行補樁處理，能夠有效防止滲透的出現，保證降止水效果。