大直徑過江泥水盾構隧道深基坑降水方案設計研究

尹 劍

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇南京210000)

泥水盾構以其快速、安全、穩定、適合大斷面隧道施工、對地表沉降控制精度高、無需用氣壓法施工等優點廣泛適用于城市地鐵、水下隧道的施工[1-3]。而始發井、接收井的施工往往是盾構工程的重點難點，尤其是過江隧道，隧址區地下水位高，基坑施工過程中必須采取有力措施降低基坑水位，以防止承壓水頭過高而導致坑底滲透破壞等工程安全問題。故基坑降水方案的設計尤為重要。

國內外學者對基坑降水技術展開了大量研究。定培中等[4]對比了多種基坑降水方法，研究發現傳統的降水方法都能很好的解決深大基坑的降水問題，降水施工方案的設計離不開對基坑地層參數的準確把握；游洋等[5-7]采用數值模擬的方法研究了深基坑降水技術；余小國[8]分析了深基坑降水方案設計的影響因素；駱祖江等[9]以某塔樓深基坑為依托工程，結合理論分析和數值模擬，對塔樓深基坑降水的三維非穩定滲流場和降水疏干過程進行了分析，同時借助現場原位測試對模型參數進行了校正，優化了深基坑降水設計和施工方案。

綜上，國內外學者對深基坑降水技術的研究上取得了顯著的成果，但對過江隧道高水位深基坑降水技術的研究還較少，本文以常德沅江盾構隧道接收井深基坑為例，通過實地考察，結合北岸地質條件、基坑圍護結構特點，并參考相關基坑降水設計規范，對江北段接收井深基坑進行降水方案設計，并借助數值模擬進行驗證，研究成果可為類似工程提供參考價值。

1 工程概況

如圖1所示，沅江隧道工程是常德市一條溝通沅江南北兩岸的重要過江通道，隧道全長2 240m，采用11.75m大直徑泥水盾構由南向北施工，于江北側設置盾構接收井。江北一期基坑開挖計劃工程量30 403m3，二期基坑開挖計劃工程量26 161m3，三期基坑開挖計劃工程量4 152m3。本文主要進行江北一期基坑和二期基坑的降水方案設計。

圖1 常德沅江隧道工程總平面布置

據地勘資料，江北基坑土方開挖范圍地質分布依次為雜填土、粉質黏土、卵石圓粒、粉細砂等，其中一期基坑范圍內地面以下約27m位置存在一層③-2粉土，最大厚度約11m，最小厚度約7m，滲透系數小可做為基坑底部隔水層；二期基坑無相對隔水層。基坑地質剖面如圖2所示。

根據抽水試驗，隧址區地下水按賦存方式主要分為第四系上層滯水、圍巖孔隙水，地下水埋深為3.5～4.0m，整平路面標高為32.5m，水位標高28.5～29m。

圖2 隧道江北段工程地質剖面

2 降水井結構設計

降水井結構設計需考慮需降水深、隧址區地下水位、地下水特點、現有設施等因素，借鑒以往工程案例綜合考慮后，坑內、坑外降水井設計為：

一期坑內降水井設計井深28m，根據開挖深度不同，基底以下分別設置6m、12m濾管；降水井泥孔徑550mm，采用φ273mm、壁厚3mm鋼管，下設1m沉淀管，濾料為瓜子石，回填濾料至濾管以上3m附近。二期坑內降水井設計深度25m，濾管設置為12m，鋼管采用φ325mm，壁厚3mm鋼管，下設1m沉淀管，濾料為瓜子石，回填濾料至濾管以上3m附近。

沅江10年一遇枯水期最高水位標高約+34.55m，最高洪水位能達到39.86m，且地下水位與沅江水位關系密切，降水方案設計時，坑內降水井布置按照初始水位標高+30m考慮，為防止沅江水位上漲、汛期施工或圍護結構滲漏量過大造成坑內水位無法降至安全水位。在坑外按間距約15m，共布置24口坑外備用井，必要時啟動坑外備用井進行輔助降水?？油饩嚯x基坑外緣約5m，現場可根據實際情況調整，便于土方運輸及降水井管理。綜合考慮后，具體設計如圖3所示。

圖3 降水井結構設計示意

3 降水方案設計

結合北岸地質條件、基坑圍護結構特點，并參考相關基坑降水設計規范，江北段降水設計方案為：

(1)一期基坑地下連續墻墻身，穿過③-2層粉土層，進入③-5圓礫層中；坑內地下水補給來源主要為坑外地下水通過③-2粉土層的越流補給，降水設計充分利用地下連續墻及下部③-2粉土弱透水層的阻水作用，在坑內布置降水井將上部含水層水位降低至基底以下1m，防止底板涌水流砂、保持底板的穩定，同時對開挖范圍內土體進行疏干，方便坑內施工作業。

(2)二期基坑地下連續墻段設計為懸掛式帷幕，利用地下連續墻對地下水繞流作用，采用坑內降水；二期圍護樁段，圍護結構進入含水層較淺，圍護結構止水繞流作用小，同時考慮便于后期維護，將降水井布置于坑外。

(3)為防止沅江水位上漲引起地下水位上升以及地下連續墻在施工過程中出現缺陷引起坑外地下水補給量增大導致坑內水位無法降至設計要求，在坑外布置備用降水井，必要時開啟坑外降水井進行輔助降水。

(4)二期圍護樁段，最大開挖深度約5m，位于本次現場實測地下水位線附近，考慮開挖較淺、工期短，建議在枯水期快速施工，降水井布置時，適當考慮地下水位變幅的影響。

(5)基坑降水開挖過程中應密切關注，坑外水位變化，及地面沉降情況，當一、二期坑內降水導致坑外水位下降超過沽水期低水位時，對坑外備用井進行回灌，防止粉土層沉降對周邊環境產生影響。

受基底下部弱透水層粉土③-2層影響，降水過程中基坑內外地下水滲流十分復雜，呈為三維流，此類工程，利用JGJ120-2012《建筑基坑支護技術規程》中的解析公式已無法適用，需借助數值法進行分析計算。數值計算可模擬不同復雜條件下的地下水流狀況，能有效解決因隔水帷幕等對地下水流動造成的影響[10]。

4 數值計算

4.1 模型參數

數值計算中地層滲透系數的取值尤為關鍵，直接關系到實際情況與數值模型的擬合度，同時影響深基坑涌水量計算結果。本文地層滲透系數取參考常德沅江詳勘報告及抽水試驗報告，如表1所示?？紤]圍護結構的滲漏，取其滲透系數為0.05m/d，根據現場抽水測試結果，并考慮地下水季節性變幅，設計水位為高程30m。

表1 模型參數取值

4.2 模型建立

模型采用六面體網格剖分，在水平方向上采用非等距矩形網格剖分(基坑開挖區域附近網格加密)，模型大小為1 000 m×1 000 m，加密區網格劃分為1×1，非加密區網格劃分為50×50；垂向上根據圍護結構深度再進行剖分，如圖3所示。圍護結構模型中，二期地連墻模型深度為28.6 m，如圖4所示。

圖4 三維模型網格剖分

圖5 圍護結構模型

4.3 抽水井設置

在軟件中，抽水井可設置過濾器的長度、層位、抽水量等參數，與實際降水井具有很強的對比性，模型中抽水井設置如圖5所示。其中一期基坑單井出水量取，600～800 m3/d；二期地下連續墻段單井出水量約為1 800 m3/d，二期圍護樁段降水井單井出水量取2 200 m3/d。

4.4 涌水量及水位預測

4.4.1 一期施工

一期基坑工作井段開挖底板標高約為14.0 m，水位需降至標高13.0 m，水位降深17.0 m(初始水位標高取30 m)。如圖6所示。通過模型運算分析，水位降至安全水位時，坑內總涌水量約6 000 m3/d，坑外水位降至29.0 m，最大水位降深1.0 m，設計單井抽水量約600～800 m3/d，一期基坑施工共布置12口坑內降水井(2口水位觀測兼備用井)(圖7)。

圖6 模型中降水井概化

圖7 一期施工水位標高等值線

4.4.2 二期地下連續墻段

二期地下連續墻段水位降深最深的位置為雨水泵房附近，降水設計按水位降深最深考慮，雨水泵房處開挖底標高18.33 m，安全水位標高為17.33 m，水位降深為12.67 m(初始水位標高為30 m)。如圖8所示，通過模型計算，2期降至安全水位時二期地下連續墻段基坑涌水量為30 600 m3/d，其中坑外水位降至27 m，水位降深3 m。二期基坑單井出水量設計取1 680 m3/d(70 m3/h)，坑內設計采用φ325 mm管材，基坑內共需布置22口降水井(含3口備用井)。

圖8 二期地地下連續墻施工水位標高等值線

4.4.3 二期圍護樁段

二期圍護樁段安全水位標高為26.4 m(開挖底標高27.4 m)，水位降深3.6 m(初始水位標高取30 m)。如圖9所示，通過模型計算，降至安全水位時，基坑涌水量為20 800 m3/d，基坑水位等水位線圖。二期圍護樁段降水井采用φ325 mm鋼管井，單井出水量取2 160 m3/d(90 m3/h)，基坑外共需布置12口降水井(含2口備用井)。

圖9 二期地圍護樁施工水位標高等值線

5 結語

本文依托常德市沅江盾構隧道接收井作為工程背景，通過實地考察，結合北岸地質條件、基坑圍護結構特點，并參考相關基坑降水設計規范，對江北段接收井深基坑進行降水方案設計，并通過模型數值驗算，得到結論：

(1)基坑降水至安全水位標高時，一期坑內涌水6 000 m3/d，設計單井抽水量約600～800 m3/d，可配備12口降水井，其中2口備用；二期地下連續墻段基坑涌水量為30 600 m3/d，設計單井出水量設計取1 680 m3/d，可配備22口降水井，其中3口備用；二期圍護樁段基坑涌水量為20 800 m3/d，設計單井出水量取2 160 m3/d，基坑外共需布置12口降水井。

(2)基坑降水至安全水位標高時，一期坑外水位降深約1.0 m，2期坑外水位降深約3.0 m。采取該降水方案，坑外水位降深小，對環境影響較小，降水方案合理可行。

(3)降水過程中需加強對周邊沉降監測，若坑外水位下降超過沽水期低水位時，應對坑外備用井進行回灌。