落底式止水帷幕在緊鄰地鐵超大深基坑中的應用

謝昭宇，常曉菲，范衛琴，劉楠

（1 中國地質大學（武漢）高等研究院，湖北武漢 430074；2 湖北道澤巖土工程有限公司，湖北武漢 430070）

武漢地區大面積分布的是長江Ⅰ級階地，在這類場地中進行基坑施工時，常常會面臨由地下水引發的各類工程災害[1-2]。尤其是超大面積深基坑開挖時，必須對地下水進行有效處理，保證施工過程中基坑的安全和穩定。管井降水是控制地下水的一種簡單而有效的方法[3]。但是這種方法在降低基坑水位的同時也會降低周邊場地的水位，從而拉裂周圍的管線和既有建筑。尤其在緊鄰地鐵線路的基坑進行降水設計時，對地鐵軌道變形的控制標準要求更高，如何科學合理有效地進行降水設計，成為工程界亟待解決的問題[4]。

依托武漢某緊鄰地鐵線超大面積深基坑降水工程，介紹落底式止水帷幕深基坑降水技術的設計方案，并分析降水對支護結構的有利影響。可為今后武漢地區類似工程的降水設計積累經驗，提供參考。

1 工程概況

1.1 周邊環境

某工程位于武漢市中心地段，緊鄰居民住宅及兩條市政主干道路。項目地塊東西向最大跨度約225 m，南北向最大跨度約256 m，基坑平面不規則，面積約為31 000 m2，周長約為835 m。基地環境如圖1 所示。

圖1 基坑環境總平面

基坑西臨城市主干道，干道下方埋設有既有地鐵車站及較多的市政管線，該地鐵車站地下2 層，主體為兩跨箱型鋼筋混凝土結構，標準斷面外包尺寸為23 m×14 m，頂板覆土約3.0 m。主體基坑埋深約為17 m，采用0.8 m 厚地下連續墻作為車站圍護結構，車站標準段地下連續墻有效深度25.8 m，工程與該車站最近距離約12 m。

基坑北接城市道路，其下方同樣有地鐵車站。該地鐵站為地下3 層車站，站前區間從西側地鐵站下方穿過，導致車站軌面埋深較大，站后設單渡線，外包總長265.4 m，標準段寬21.7 m。主體基坑埋深約為25 m，采用1 m 厚地下連續墻作為車站圍護結構。

該項目設地下4 層，地面以上包含兩棟塔樓，基礎開挖深度詳見表1。

表1 各分區開挖信息表

1.2 工程地質條件

場地地貌單元屬長江Ⅰ級階地，地勢較平坦，地面標高在20.0～27.79 m 之間。在勘探深度70.30 m 范圍內，根據各土層的物理力學性質，結合地層的沉積時代、成因和靜力觸探曲線特征，將場地土劃分為4 個大層11 個亞層，各巖土層的分布及其特征詳見表2。

表2 基坑支護區段土層信息一覽表

1.3 水文地質條件

場區內地下水類型主要為上層滯水和第四系孔隙承壓水，其中上層滯水賦存于第一層雜填土中，受大氣降水和地表水影響，水量一般不大。第二層組粘性土屬微透水層，為相對隔水層。第四系孔隙承壓水賦存于下部砂性土層中，含水量豐富且滲透系數較大，與長江水系有緊密的水力聯系，并受其調節和控制，水文地質條件復雜。勘察期間實測上層滯水水位埋深2.30～4.55 m，相對絕對標高18.50～20.22 m，孔隙承壓水水位埋深在8.15～8.20 m 之間，相對絕對標高12.50～13.00 m。

2 基坑降水影響因素分析

2.1 承壓水的影響

基坑開挖面位于（3-1）粉砂中，承壓水賦存于土層（3-1）以下砂性地層及基巖裂隙中，開挖時如若揭露承壓含水層，便會發生突涌，危及整個基坑支護結構的安全。為避免承壓水的影響，需要降低承壓水水位，若敞開降水，則對周邊環境影響較大，且本基坑工程面積和開挖深度都非常大，需要降水的時間較長，降水造成的地面沉降將更大。

2.2 鄰近地鐵的變形控制嚴格

基坑西側和北側各與地鐵既有車站緊鄰，相距約12～31 m，參照國內類似相關工程對地鐵軌道變形的控制標準[5]：周邊地下管線沉降不大于20 mm，水平位移不大于20 mm。且基坑支護設計和施工中須做好對輕軌線路的保護工作，將沉降控制在允許范圍之內。

3 止水帷幕設計

3.1 止水帷幕選型

根據相關規則[1]，Ⅰ級階地防控區內或鄰近區域的建筑工程設置三層及以上地下室、或基坑開挖深度≥16 m，且需進行疏干降水時，應采用落底式止水帷幕或落底式地下連續墻。

根據勘察報告，場地抽降承壓水的影響范圍達166 m，抽降承壓水對周邊環境影響較大，也需對承壓含水層進行隔斷。因此工程采用落底式止水帷幕嵌入巖層中，隔斷坑內外承壓含水層的水力聯系。

目前施工深度達5 m 的施工工藝主要有：超深三軸水泥土攪拌樁、等厚度水泥土攪拌墻以及地下連續墻。該工程裙樓區域挖深19.9 m，塔樓區域挖深達21.9 m。結合以往大量工程實踐[6-7]，并通過計算分析結果，整坑豎向設置四道鋼筋混凝土支撐的前提下，東、南兩側設置800 mm 厚地下連續墻，均可滿足周邊普遍區域及塔樓區域支護變形控制要求。

基坑西、北兩側分別與地鐵站相鄰，為減小基坑施工對地鐵站的影響，此區域地下連續墻厚度取1 000 mm。經計算，均可滿足變形控制要求。地下連續墻剖面圖局部如圖2 所示。

圖2 止水帷幕斷面局部放大圖

圖3 旋噴樁止水及壁柱設置平面圖

3.2 止水帷幕深度

地下連續墻的受力段插入深度由基坑支護體的各項穩定性計算綜合確定，其中基坑抗隆起是關鍵控制指標。根據計算顯示，該工程地下連續墻隔水加深段進入中風化巖0.5 m，受力段插入普遍區域基底以下18.0 m（即相對標高為-37.700 m 處），即可滿足圍護體坑底抗隆起的要求。

3.3 止水帷幕槽壁預加固

為防止地下連續墻在成槽施工中出現坍塌對鄰近的地鐵隧道造成影響，鄰近地鐵的西、北兩側區域的地下連續墻兩側設置單排Φ850@600 三軸水泥土攪拌樁作為槽壁加固體。且三軸水泥土攪拌樁先行施工，對槽壁進行預加固，同時也增強了地下連續墻的止水性能。

4 降水計算

基坑普遍開挖深度約為19.90 m。坑底土方開挖已揭露承壓含水層，需要布置中深降水井進行疏干降水，降水目標水位為坑底下1.0 m。

4.1 基坑敞開降水涌水量計算

根據場地水文地質條件及基坑開挖深度，對該工程影響較大的是淺層潛水及（3-1）、（3-2）、（3-3）層承壓水。根據地下水類型、補給條件、降水井的完整性以及基坑面積、形狀、降水深度、布井方式等因素，基坑敞開降水時基坑涌水量采用大井法估算相關公式如式（1）、（2），計算參數及結果見表3。

表3 涌水量計算參數及結果

4.2 地下連續墻嵌巖封閉后涌水量計算

地下連續墻全部嵌巖后，考慮地下連續墻施工過程中的種種不利因素，根據該基坑抽水試驗，基坑涌水量按敞開降水時的40%考慮。

4.3 降水井數量計算

抽水采用流量為30 m3/h 的泵，則一天的流量為24×30=720，取單井流量q=720 m3/d 計，布井數量n=1.2Q/q=39.3 口，共布置坑內降水井40 口。降水井在基坑范圍內分布圖見圖4。

圖4 降水井平面布置圖

4.4 降水井結構設計

降水井鉆探孔徑650 mm，井（孔）深40.0 m。降水井過濾管及井壁管采用鋼質焊管，管徑273 mm，壁厚大于4 mm。

此外，還需自孔底至孔深13.0 m 的承壓含水層深度段環填硅質圓礫，以形成良好的人工反濾層，在孔口至孔深11.0 m 段環填高度粘土球以進行管外封孔。封孔目的是將上層潛水與下部承壓水封隔，以避免潛水被疏干后排水固結引起地面過大沉降。

4.5 封井措施

深井降水完畢后，采取有效的措施封堵井孔，避免地下承壓水沿井孔和井壁上涌，其措施為：（1）承臺底板施工時，在管壁加焊兩層止水環；（2）降水工作完成后，采取“以砂還砂，以土還土”的原則，封堵井孔，并加焊封口板。

5 變形監測

降水過程中對周邊地面的水平位移和沉降進行監測，觀測點布置如圖5 所示。選取基坑西側臨近地鐵站位置處的地面為代表，根據觀測資料整理出了累計變形量，周邊地下管線沉降量-時間、水平位移-時間關系曲線圖如圖6、圖7 所示。

圖5 周邊環境觀測點平面布置圖

圖6 基坑西側累計沉降量S-時間T 關系曲線

圖7 基坑西側累計水平位移量S-時間T 關系曲線

可以看出：基坑西側臨近地鐵線路及車站監測點最大水平位移為15.5 mm，沉降最大為16.4 mm，均滿足位移小于20 mm的規范要求，按照本支護設計及降水方案，基坑西側的變形在整個降水開挖過程中得到了控制。

6 結語

以分析深厚承壓水場地條件下某緊鄰既有地鐵車站的超大深基坑為例，詳細介紹了止水結構選型和尺寸、降水井數量、降水井結構方面的設計過程，并結合基坑緊鄰地鐵一側地表水平和豎向變形監測數據，得出以下結論：

1）基坑開挖已進入承壓含水層，該含水層范圍內為滲透性較強的砂層，與長江水呈互補關系，水量豐富，場地抽降承壓水的影響范圍和對周邊環境影響較大時，需對承壓含水層進行隔斷。可以采用落底式止水帷幕嵌入巖層中，隔斷坑內外的承壓含水層的水力聯系；

2）采用厚度為1 000 mm、“兩墻合一”的地下連續墻作為落底式帷幕進行隔水，其受力段插入深度由基坑支護體的各項穩定性計算要求確定，其中基坑抗隆起是關鍵控制指標，隔水加深段進入中風化巖不得小于0.5 m；

3）臨近地鐵車站的變形控制要求嚴格，與地鐵車站最近距離約31.8 m，為控制施工對地鐵車站的影響，在地連墻兩側設置三軸水泥土攪拌樁槽壁加固，防止成槽施工期間坍槽；

4）根據場地水文地質條件、基坑開挖深度，布置40 口降水井以保障基坑開挖的順利進行。