臨近水庫、泄洪渠與住宅區的地鐵深基坑工程專項水文勘測研究及地下水處理技術分析

張清坤，商 浩

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.大連彤陽市政工程集團有限公司，遼寧 大連 116021）

地鐵車站施工中，常見施工方法有明挖法、蓋挖法、暗挖法3 種施工方法，其中明挖法施工應用較為廣泛，但同時受基坑周邊環境、設計方案、地下水等因素影響，存在較大施工安全風險。尤其針對地下水環境變換較大地區，如臨近水庫、河流、湖泊等，水文勘察時機選擇尤為關鍵，是設計方案選擇的重要依據。地下水處理方案選擇對防止基坑突涌管涌、周邊建筑物構筑物沉降、基坑坍塌等安全事故發生至關重要。

1 依托工程概況

1.1 車站基本概況

前牧站為大連地鐵4 號線第三座車站，位于甘井子區牧川路與規劃路交叉路口西北側地塊內，沿東西向布置。車站為地上一層、地下一層島式車站，站廳層位于地上一層。地上建筑長191.3 m，寬26.1 m，開挖深度11.7 m，采用明挖施工，施工現場北側為新建住宅小區，南側為現有道路。前牧站與水庫、泄洪渠的位置關系如圖1 所示，前牧站放坡開挖坡頂線與新建住宅小區位置關系如圖2 所示。

圖1 車站與水庫、泄洪渠的位置關系

圖2 車站與住宅小區的位置關系

1.2 地質水文情況

車站基坑穿越地層主要為填土、第四系上更新統坡洪積層角礫、碎石，下覆震旦系長嶺子組石灰巖。

勘察場地地下水類型分為第四系松散層的孔隙水、巖溶水。孔隙潛水主要賦存在雜填土、角礫、碎石層中，該土層滲透性強，貫通性較好，水量中等～豐富。巖溶水主要賦存于強～中風化石灰巖層溶蝕裂隙及溶洞中，巖溶水受溶蝕裂隙及溶洞發育程度影響較大，巖溶水水量變化較大。巖體溶蝕不發育區域，儲水量及地下水連通性弱，水量較小～中等。巖體溶隙及溶洞發育區域，連通性較強，儲水性較強，為導水通道，水量中等～豐富。

按地下水埋藏條件分類，場地地下水類型為潛水。勘探期間穩定地下水位埋深2.4～8.3 m，水位高程14.2～18.8 m。本車站場地地勢較為低洼，四周為低丘陵地貌，南高北低。雨季存在地下水位升高、涌水等危險。本場地距離牧城驛水庫泄洪道僅百米左右，牧城驛水庫泄洪時基坑周邊水文環境會發生較大變化，水量劇增，會對基坑的止水和抗浮有較大的影響。

1.3 基坑支護形式

車站基坑采用兩級放坡+噴錨支護，一級放坡坡率為1∶1，土釘采用Φ25，L=6.0 m，@2.0×1.5 m；二級放坡坡率為1∶0.5，土釘采用Φ20，第四道土釘長度L=6.0 m，@2.0×2.5 m；坑底兩道土釘長度L=5.0 m，@2.0×1.5 m。坡頂采用3%的硬化散水坡進行排水。車站基坑開挖橫斷面設計如圖3 所示。

圖3 車站基坑開挖橫斷面設計

1.4 研究背景

2017 年6 月詳勘時受周邊臨近住宅小區基坑開挖施工降水影響，破壞了車站基坑開挖范圍內的地下水平衡，此時地下水穩定水位埋深為4.2～8.3 m，平均水位6.4 m。

2022 年4 月補勘時，周邊基坑施工完成，地下水補給恢復到初始狀態。補勘鉆孔勘探期間穩定地下水位埋深2.4～4.8 m，平均水位4.2 m。補勘后對比2017年6 月詳勘地下水位變化較大。

2 專項水文勘測研究

2.1 抽水試驗及涌水計算

地下水處理方案的比選，首先要確定地下水含量及周邊環境。根據地形、地貌、地質情況及地下水分布等綜合因素考慮，對地下水進行專項勘察。傳統地下水勘察采用單觀測孔形式，為了更加精準地計算地下水含量，項目于2022 年7 月對實地勘察采用雙觀測孔抽水試驗。沿車站兩側分別布置2 組水文鉆孔，每組水文鉆孔包括主抽水孔和2 個觀測孔。抽水井按設計要求施工成孔、孔徑為600 mm，施工完成后，下放300 mm 鋼制排水管，外圈纏繞2 圈60 目紗布濾網，井周邊投放濾料，進行抽水試驗。觀測孔布置距離10～20 m，采用108 mm 成孔，下放75 mm 塑料花管，井周邊投放濾料，在抽水試驗時觀測降深。采用雙觀測孔的抽水試驗法，可以較為精確地計算地層的水文地質參數。抽水孔施工如圖4 所示。

圖4 抽水孔施工

原始水位標高約17.82～18.52 m，2 組抽水孔最大降深為2.49、3.25 m，水位標高16.03、14.57 m，降水量與地下水補給量達到平衡狀態，此時穩定水位距基坑底約2.3～4 m。停泵后1 min 左右，地下水迅速補充至原始水位標高，地下水補給能力強。基坑實際開挖后地下水量豐富并且補給能力強。若發生強降雨、河道泄洪等特殊情況，基坑可能發生大面積涌水、突水等情況。抽水試驗測得的滲透系數為綜合值，鉆探揭露含水層富水性及滲透性極不均勻，隨著地層深度的加深滲透性整體呈增大趨勢，土巖交界處附近水量豐富，施工及設計單位應注意。

試驗計算第四系孔隙水出水量及碎石層滲透系數，抽水試驗基本原理是通過現場測試水位降深S隨時間T 的變化以及穩定流量Q，計算得出水井含水層的滲透系數K。具體工作方法是在提前準備好的水井中，選用合適泵量的水泵進行抽水，在抽水的瞬間開始計時，并且分別記錄0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、80、100、120、180、240 min 時的水位，以后每隔1 h 測一次，至少測量穩定降深水位8 h。當水位下降到一定深度后穩定或在一定范圍內波動時，通過水箱量取此時的出水量。當水位維持在某一深度超過4 h，并且出水量無變化，可視此次抽水試驗成功。停止抽水瞬間重新計時，對水位恢復進行記錄。對于同一個抽水試驗井，至少要采用3 個不同泵量的水泵進行抽水，即3 次不同降深。

依據《供水水文地質手冊》（第二冊）潛水完整井滲透系數計算公式

式中：K 為含水層的滲透系數，m/d；Q 為試驗涌水量，m3/d；H 為含水層厚度，m；r1、r2 為分別為觀測孔與抽水孔間距，m；s1、s2 分別為觀測孔水位降深，m；R 為抽水影響半徑，m。

車站開挖段地下水類型為第四系松散層的孔隙水。根據抽水試驗數據計算得到的平均滲透系數，并按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》附錄E 估算基坑涌水量，車站坑道長度為192.3 m，寬度為26.7 m，降水至基坑底板以下0.5 m，涌水量計算公式

式中：Q 為基坑降水總涌水量，m3/d；k 為滲透系數，m/d，取各巖土層滲透系數的厚度加權平均值；H 為潛水含水層厚度，m；Sd為基坑地下水位的設計降深，m；R 為降水影響半徑，m，可按計算；r0為基坑等效半徑，m，可按計算，A 為基坑面積，m2。

基坑涌水量估算成果見表1。

表1 基坑涌水量估算成果表

2.2 歷史數據對比

通過專項水文勘測研究，證實了補勘的水文情況變化，水位埋深較詳勘階段升高2.2 m，基坑涌水量為原階段的2 倍有余。具體見表2。

表2 水文勘測對比

3 地下水處理技術

3.1 擬采取的方案選擇

3.1.1 方案1：降水方案

車站基坑施工期間采用坑外管井降水，降水井直徑600 mm（井管400 mm），井深為基底以下7 m，沿車站基坑呈四周布置、車站橫向中心線布置一排，井距6 m，降水深度為不小于基坑底1.0 m。基坑降水井抽水管管徑DN200。

3.1.2 方案2：帷幕止水方案

車站基坑四周設置雙排咬合式旋噴止水帷幕Φ800@600 mm。樁長度為入強風化巖2 m，樁徑800 mm，咬合200 mm，沿基坑四周布置。

3.2 對比分析研究

3.2.1 方案安全性分析

通過專項水文勘察預計基坑涌水量5 603.7 m3/d，本車站計劃工期15 個月，總計抽水量約165.5 萬m3，周邊地下水位平均降深9.5 m。地下水長時間抽排，將對周邊建筑物構筑物造成較大影響。并且基坑外降水無法保證將施工區域內的地下水降低至基坑底標高以下，涌水、滑坡、坍塌等施工風險較大。同時周邊牧城驛水庫不定時泄洪、強降雨等不確定因素對地下水位影響較大。采用止水帷幕方法施工，對原始地下水無較大影響，可確保周邊建筑物構筑物影響，基坑安全性可得到更大保證。

3.2.2 經濟性分析

降水方案造價依據相關定額計算費用約780 萬元。止水方案造價依據相關定額計算費用約954 萬元。從經濟性角度分析，造價費用相差較小。

4 結束語

本項目綜合考慮基坑臨近新建住宅小區的安全性，以安全性作為優先保證，采取雙排咬合式旋噴止水帷幕。

針對類似項目，提出如下建議：

1）臨近水庫、泄洪渠或者河流等具備外部水資源補給的深基坑工程，在實施之前要制定專項補勘及水文勘測研究方案，不可直接運用歷史詳勘數據指導現場施做。

2）臨近住宅小區建設過程中，深基坑開挖會影響地鐵項目水文，要進行充分研判。

3）在富水地層中開挖，且臨近建筑物的深基坑工程，具備咬合式止水帷幕施工條件的項目，可從基坑開挖對臨近建筑物安全考慮，采用止水帷幕方案。