武漢軌道交通七號線地鐵站深基坑降水的特性研究

溫永凱，張賀

（中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

隨著近年來城市地鐵站的深基坑開挖面積、開挖深度越來越大，地鐵深基坑的施工將不可避免遇到降水問題，而因降水產生的地鐵深基坑施工安全事故，不僅會延誤工程工期，造成重大經濟損失，也會產生不良社會影響。 因此，制定合理、有效的降水設計方案，在基坑施工中尤為重要[1]。

1 工程概況

擬建武漢市軌道交通7 號線王家墩東站地鐵站，位于武漢市江漢區，青年路和建設大道交叉路口以西，與既有軌道交通2 號線王家墩東站形成“T”型換乘，為地下三層單柱雙跨車站。 擬建車站基坑主體長度230m，標準段基坑寬度為21.8m，端頭部分寬度為27.9m；基坑平面呈長方形，開挖面積約5398m2，開挖周長約520m，開挖深度23.13～25.00m。 圍護結構采用1000mm 厚落底式地下連續墻，墻底進入(20a-1)強風化泥巖不小于2m，支撐體系采用五道（端頭部分六道）鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。

2 工程地質條件

2.1 巖土工程地質條件

工程場地地形相對平緩，一般地面標高約20.20～21.30m。 工程所在場地地貌單位屬于典型Ⅰ級階地河流堆積平原區。 根據勘察結果，工程場地上覆土層主要為人工填土層、第四系河流沖洪積土層、砂層，下部基巖為志留系泥巖。 擬建工程場地勘探深度范圍內的地層劃分為5 大層，具體如下：1-1 層雜填土，飽和，結構不均勻；1-2 層素填土，稍密，局部松散；1-3 層淤泥，飽和，流塑狀態；2-1 層黏土，飽和，可塑狀態；2-2 層黏土，飽和可塑，局部軟塑；2-4 層淤泥質黏土，飽和，流塑狀態，局部軟塑；2-4a 層粉質黏土夾粉土、粉砂層，飽和，軟塑，粉土呈稍密狀態；2-5 層粉質黏土夾粉土、粉砂層，飽和，粉砂土層呈稍密～中密狀態，粉質黏土呈軟塑狀態；3-1 層粉細砂，飽和，稍密～中密狀態；3-1a 層粉質黏土，飽和，軟塑狀態；3-2 層細砂，飽和，中密及密實狀態；3-2a 層粉質黏土，飽和，軟塑狀態；3-3層中粗砂，飽和，密實狀態；4 層角礫夾卵石，飽和，中密；5-1 層強風化泥巖，巖芯多呈土狀，手捏可碎，屬極軟巖；5-2 層中風化泥巖，屬軟巖，巖體較破碎。

2.2 水文地質條件

該場地地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。 綜合水文地質資料的分析，對本次工程造成主要影響的是孔隙承壓水，它對基坑降水設計時的影響應受到重視。

孔隙承壓水主要賦存于2-5 層、3 層及4 層，它們分別為弱透水層、 強透水層及強透水層。 勘測期間，實測承壓水埋深約7.50～8.20m，承壓水測壓水位標高約13.00～13.10m。

3 基坑降水特性分析

3.1 降水滲流理論

進行基坑降水系統的設計時，需要選用滲流公式確定降水井的各項參數，如井的直徑、數目、深度等。 其中，滲流公式是依據基坑深度、場地水文地質條件等來確定的。 當降水井布置在有潛水自由面的含水層中，即地下水面為自由水面時，即為無壓井；當降水井布置在承壓水含水層中，即隔水層間的地下水有一定水壓時，則為承壓水。 最后，完整井是指那些井底到達不透水層處的降水井，而非完整井則是井底未到達不透水層處[2]。

1857年，法國的水力學家Dupuit 研究了關于地下涌水的理論，關于完整承壓井及完整潛水井涌水情況的研究有如下4 條相關假定：①含水層是均質及各向同性的；②水流是層流；③流動條件為穩定或非穩定流；④井的出水量不隨時間變化[3]。

3.2 基坑涌水量的計算及分析

3.2.1 抽水試驗

通過現場抽水試驗，確定土的滲透系數，能更真實反映場地內土層的滲透性。 抽水測試的信息如下：J-03、J-04、J-07、J-08 為降水井；J-01、J-06、J-10、J-13、J-14、C-05、C-08、C-11 是用于觀測水位變化的觀測井。

本次試驗為進行承壓水非完整井的抽水試驗，在現場進行單井兩個落程的抽水試驗，通過現場抽水試驗的數據資料，采用承壓水非完整井的相關公式計算含水層水文地質參數，計算結果見表1。

表1 抽水試驗計算結果匯總表

綜上，平均滲透系數為：

平均影響半徑為：

3.2.2 基坑涌水量各類參數計算

地面標高：21.95m；開挖深度：24.07m；基底標高：-2.12m；當前水位：12.00m（承壓水頭埋深2.25m）；超降深度：2.00m；水位變化幅值：3.00m；含水層頂板標高：13.10m；含水層底板標高：-28.50m。

承壓水水位下降設計值為：

含水層頂面與設計下降水位的高差為：

含水層底面起算的承壓水水頭高度為：

H=12.00-(-28.50)=40.50m

基坑降水計算采用的控制參數：基坑長A 為108.0m，寬B 為22.5m，含水層厚M 為41m。 承壓水水位下降設計值S、含水層頂面與設計下降水位的高差L、從含水層底面起算的承壓水水頭高度H 值見上文計算結果。

其中，基坑等效圓半徑為：

式中，F 為基坑面積。

關于承壓水完整井基坑涌水量Q 的幾類規范算法如下。

（1） 湖北省地標《基坑工程技術規程》（DB42/T 159—2012）[4]給出的基坑涌水量Q 計算：

式中，K0為含水層滲透系數概化值（m/d），其他參數含義同上。（2） 軌道交通規范 《城市軌道交通巖土工程勘察規范》（GB 50307—2012）[5]給出的條形基坑涌水量Q 的計算：

式中，A 為條形基礎長度，B 為條形基礎寬度，其他參數含義同上。

（3） 基坑規程《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）[6]給出的基坑涌水量Q 的計算：

基于上述三種基坑涌水量Q 計算結果，可發現軌道交通規范與基坑規范的涌水量計算結果相近，而湖北省標的計算結果與它們有較大差距，由湖北省地標計算得到的基坑涌水量Q 會偏大，這體現了湖北省標對武漢地區地下水豐富的考慮。 本次工程雖然在漢口地區，但現場實測水位出現偏低的現象，這和附近基坑工程的降水影響有關。 所以，結合具體工程實際情況，本次基坑涌水量Q 計算選用基坑規程相關公式。

考慮到地下連續墻對基坑內滲透系數的影響，需對基坑內滲透系數折減，其中取K=7.0m/d[1]，在其他參數不變中，再帶入基坑規程的基坑涌水量計算公式（3），可得基坑涌水量Q 約為10475m3/d。

3.3 降水井的數量及布設

管井的單井出水量計算公式為：

式中，q——單井出水量 （m3/d）；r——過濾器半徑（m）；l——過濾器進水部分長度（m）；k——含水層的滲透系數（m/d）。

將各參數數值帶入，經計算得：q=1417m3/d，故最后單井出水量取750 m3/d 是合理可靠的，則通過計算的降水井數量為：

實際布置的降水井數量為17 口，降水井布置時應避開梁、柱、樁等。 正式施工前應對井位進行核對，井位可在一定范圍內調整，考慮到基坑左端區域有高架橋及已建成的地鐵等重要建筑，該區域降水井數量減少，降水井的布置方式見圖1。

圖1 王家墩東站基坑降水井初始布置圖

圖中降水井是J 開頭的編號，備用降水井是以BJ 開頭的編號，基坑周圍D 開頭編號的是沉降監測點，C 開頭編號的降水井是作為抽水試驗的觀測井。

4 王家墩地鐵站深基坑降水設計

基坑降水模式采用深井降水，初步設計是要將水位降至最終開挖面下的1～2m。 本次降水設計通過天漢降水軟件進行設計和分析，同時結合湖北省地方標準《基坑工程技術規程》進行計算分析。

4.1 降水井與鉆孔參數及相關控制參數

將王家墩地鐵站降水井的相關參數、各土層厚度、壓縮模量、修正系數等參數輸入天漢降水軟件信息輸入版塊中，本次降水井J-01～J-15 泵量在1200～1500T/D，井深38.0m，影響半徑R 為175.5m。

4.2 水位降幅及沉降計算結果

4.2.1 基坑內外承壓水頭的降幅

本次基坑降幅由天漢降水軟件計算模擬得到，考慮到基坑內外滲透系數的相對差異，通過CAD 調整合并，便可得到準確的基坑內外的降水后承壓水水頭降幅的等值線圖，如圖2 所示。

由圖2 分析可得： 基坑內的水位降幅主要在15.0～18.0m 之間，水位基本降低到基坑最終開挖面下的1.0～2.5m，降幅模擬結果符合本次工程基坑降水要求。

圖2 王家墩東站承壓水頭降幅等值線（m）

4.2.2 基坑周圍的地面沉降

本次王家墩東站的地鐵站基坑降水的沉降計算采用《湖北省基坑管井降水工程技術規范》[7]中沉降量的計算公式，將相關參數輸入天漢降水軟件中，通過軟件計算得到了基坑及周圍區域的沉降等值線，具體見圖3。同時，選取現場幾組監測點沉降數據，具體如圖4 所示。

從圖3、圖4 的分析可知，距離基坑越近，且越靠近基坑中心，沉降量越大，最大沉降量可達36.0mm，整個沉降等值線呈現以基坑為中心，向四周以同心橢圓的形態展開分布；同時對比模擬沉降量及實測沉降量，得到模擬結果與實測沉降量接近，基坑周邊沉降量在20.0～40.0mm 之間。

圖3 王家墩東站周圍地面沉降等值線（mm）

圖4 部分監測點實際沉降量隨時間變化曲線

5 回灌井設置

基坑降水會造成一定區域內土體中的地下水位下降，土體的孔隙水壓力減小，有效應力便會增加，而在土顆粒間的有效應力作用下，會引起土顆粒的位移，使土孔隙體積減小，土體發生相應的壓縮變形，地面便會發生沉降[8]。 地面產生的差異沉降會使周圍的建筑物及其他設施產生開裂損壞等問題，因此，基坑降水過程需要嚴格控制、監測地面沉降的發生。

考慮到基坑降水對周圍的影響，在深基坑降水過程中，可以在基坑外的一定范圍內布置回灌井[9]。 本次共設置4 個回灌井（H開頭的為回灌井），并基于天漢降水軟件分析計算，得到了設置回灌井的基坑外地面沉降大小，如圖5 所示。

圖5 布置回灌井的周圍地面沉降等值線圖（mm）

由分析可知，同未設置回灌井地面沉降等值線圖3 及實測沉降量圖4 對比，本次地面沉降大小整體減小了3.0mm 左右，回灌井附近沉降量的減少量能達到5.0～10.0mm。所以回灌井的設置能對基坑周圍的沉降變形有所控制，因此基坑降水過程中，設置合理數量的回灌井能有效減小基坑周圍沉降，進而保護周圍各類對沉降變形敏感的重要設施。

6 結語

本文基于天漢降水軟件，模擬了武漢地鐵站深基坑降水的設計方案，得到的設計方案滿足本次基坑降低水位的要求，同時分析得到設置回灌井能減小地面沉降達3.0mm，最大達到5.0～10.0mm。 因此基坑降水過程中，通過設置合理數量的回灌井能有效減小基坑周圍沉降，進而保護周圍構筑物地基穩定，研究對武漢類似深基坑降水具有一定參考意義。