濟(jì)南某地鐵線路深基坑降水施工技術(shù)

李好懿，謝一鳴，張 平

(昆明理工大學(xué)國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650032)

我國經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展推動著各城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)建，地鐵線路不斷延伸，車站層數(shù)逐步增加，由此帶來的基坑深度增加也引發(fā)了一系列的工程問題。濟(jì)南市因其泉城的地位而聲名遠(yuǎn)揚(yáng)，在城區(qū)內(nèi)分布著眾多泉水，地下水資源豐富。本項目區(qū)域作為城市核心功能區(qū)，不僅交通道路密集，還匯集了大量泉水涌出點(diǎn)，區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，是濟(jì)南地下軌道交通規(guī)劃的重要區(qū)域。

基坑降水勢必引起周邊地下水位的變化，從而引起地基變形[1]，甚至可能引發(fā)地面沉降。同時，在施工階段，也可能引發(fā)各類風(fēng)險和問題。此外，在地下軌道交通運(yùn)營階段，由于地鐵隧道可能干擾或改變巖溶水的補(bǔ)給、徑流和排泄路徑，也將對地下水位產(chǎn)生不可忽視的影響[2]。

在這樣的背景下，如何有效應(yīng)對地鐵基坑降水所帶來的諸多挑戰(zhàn)成為亟待解決的重要問題。本文將探討與基坑施工相關(guān)的關(guān)鍵工藝，包括針對復(fù)雜水文地質(zhì)條件的降水設(shè)計方案、基坑位移控制策略以及數(shù)值模擬的應(yīng)用。通過深入研究和實踐，為解決基坑施工降水所面臨的困境提供一定參考。

1 工程地質(zhì)概況

本工程劃分為2 個主要部分：地鐵車站基坑和地鐵隧道基坑。地鐵基坑區(qū)間概況：本區(qū)間起于臨沂路以東，臘山河西路以西。場地周邊地塊內(nèi)以施工場地及苗木林為主，施工場地多為施工板房，地勢較為平坦。采用明挖法施工，上部采用1∶0.7 土釘墻支護(hù)，下部采用地連墻+灌注樁支護(hù)，地坪整平標(biāo)高約28.000m，基底標(biāo)高約10.100～13.227m，溝槽深度約14.7～17.5m。地鐵車站：擬建文化中心站西端頭與地鐵基坑區(qū)間相連，基坑開挖深度約17.5m，采用地連墻+支撐支護(hù)。

地鐵基坑降水深度范圍內(nèi)自上而下巖土層分布情況為：1-1 素填土、1-2 雜填土、3-1 粉質(zhì)黏土、3-4 細(xì)砂、7-1 粉質(zhì)黏土、9-1 粉質(zhì)黏土、9-5 卵石、10-1 粉質(zhì)黏土、10-3 碎石、10-5 圓礫、10-8 中粗砂、14-1 粉質(zhì)黏土。

根據(jù)勘察單位建議的降水設(shè)計參數(shù)和現(xiàn)場抽水實驗成果，區(qū)間內(nèi)各段按照涉及地層的不同，綜合考慮選取土層滲透系數(shù)如表1 所示。

表1 土層滲透系數(shù)表

2 降水分析

2.1 重難點(diǎn)分析

本項目的基坑開挖深度介于15～18m 之間，坑底位于粉質(zhì)粘土層（3-1 層），這一土層含水率較高，坡頂容易發(fā)生縱向滑移，而坑底則存在突涌的風(fēng)險。因此，地下水降水的效果在基坑主體結(jié)構(gòu)的順利施工中具有關(guān)鍵性作用。

2.2 基坑涌水量計算

采用JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中（E.0.2 公式）對開挖段進(jìn)行估算，基坑降水總涌水量可按下式計算

其中，Q為基坑降水總涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）；H為潛水層厚度（m）；h為降水后基坑內(nèi)水位高度；l為過濾器進(jìn)水部分長度（m）；R為降水影響半徑（m）；r0為基坑等效半徑（m）。

經(jīng)計算，各分段的涌水量如表2 所示。

表2 涌水量計算表

2.3 單井出水能力及井深計算

2.3.1 單井出水能力計算

考慮到成井質(zhì)量對實際出水量的影響、止水帷幕的擋水作用、群井抽水的影響，結(jié)合以往經(jīng)驗，單井出水量取單井出水能力的25%～30%。

2.3.2 降水井深度計算

根據(jù)降水深度、含水層分布、降水井過濾器管材以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等等因素綜合而定，井深按下式考慮。

其中，Hw為降水井深度（m）；Hw1為基坑開挖深度（m）；Hw2為降水水位距離基坑底要求的深度（m）；Hw3為其值=i×r0（m）；i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/12；r0為降水井分布范圍的等效半徑或降水井排間距的為1/2；Hw4為降水期間的水位變幅（m）；Hw5為降水井過濾器工作長度（m）；Hw6為沉砂管長度（m）。

2.4 降水井?dāng)?shù)量計算

據(jù)地區(qū)經(jīng)驗面積法，井?dāng)?shù)量n=A/a。

其中，n為井?dāng)?shù)量（口）；A為基坑需疏干面積（m2）；a為單井有效疏干面，根據(jù)濟(jì)南地區(qū)經(jīng)驗，單井有效疏干面積按120m2考慮。

據(jù)基坑涌水量計算法，井?dāng)?shù)量n=Q/q0。

根據(jù)前文計算得到的基坑涌水量和單井出水能力計算得到基坑所需降水井?dāng)?shù)（表3）。

表3 基坑所需降水井?dāng)?shù)（單位：口）

2.5 降水布置

施工降水采用深井管井降水，井孔為鋼絲繩沖擊鉆成孔，在基坑內(nèi)部布置降水井（圖1）。地鐵段坡頂采用?850@600 三軸水泥攪拌樁止水帷幕，止水帷幕穿透粉質(zhì)粘土層進(jìn)行樁間止水，保證放坡開挖的安全。坡頂設(shè)置1 口降水井，深15m 孔徑為1 000mm。基坑坡底使用1 口深18m孔徑為1 000mm 的降水井。基坑坡底兩側(cè)使用800mm 厚地連墻對基坑進(jìn)行支護(hù)，基坑內(nèi)部采用用井深25m 孔徑為1 500mm 的2 口降水井。其中基坑內(nèi)部抽水井井管為管徑650mm、壁厚10mm 的無縫鋼管，井管上部7 節(jié)井壁管，下部5 節(jié)濾水管和1 節(jié)沉砂管，管高出地面200mm；濾水段由?650mm 滿布濾水孔的鋼筋砼管，以及其外包的雙層60 目纏尼龍網(wǎng)透水層組成。

圖1 一期中段剖面圖

降水時應(yīng)采用分級降水，根據(jù)周邊及坑內(nèi)水位監(jiān)測情況確定降水泵下放深度。水位降深不得低于開挖面以下0.5m，嚴(yán)禁超降。當(dāng)局部降水困難時可結(jié)合明排的方式降水。

擬建地鐵基坑明挖段總長度約370m，共設(shè)置8 排降水井。兩側(cè)放坡位置邊坡坡頂各設(shè)置一排降水井，水平間距10m，井深15m，共計65眼；兩側(cè)放坡坡底各設(shè)置1 排降水井，水平間距10m，井深18m，共計60 口；兩側(cè)區(qū)間內(nèi)各設(shè)置一排降水井，水平間距15m，井深23.5～27m，共計53 口；兩區(qū)間之間設(shè)置兩排降水井，水平間距15m，井深25～27m，共計47 口。降水井排距5～12m，合計225 口。

選取以下列兩個較為特殊的平面舉例說明。

1）一期中段平面 2 號平面為C-D 段（一期中段），共設(shè)置8 排降水井，兩側(cè)基坑坡頂、坡底分別設(shè)置1 排，水平間距均為10m，坡頂降水井深15m，坡底降水井深18m；兩側(cè)區(qū)間中心線附近分別設(shè)置1 排，兩側(cè)區(qū)間之間設(shè)置兩排，降水井水平間距均為15m，深度25m；排距約5～12m，擬建管井成孔直徑均為650mm（圖2）。

圖2 一期中段平面圖

2）二期西端平面 1 號平面為區(qū)間起點(diǎn)A 段（二期西端），共設(shè)置4 排降水井，兩側(cè)區(qū)間中心線附近分別設(shè)置1 排，兩側(cè)區(qū)間之間設(shè)置兩排，降水井水平間距均為15m，排距約5～8m，擬建管井成孔直徑650mm，深度均為25m（圖3）。

圖3 二期西端平面圖

3 施工工藝

施工流程如圖4 所示。

圖4 施工流程圖

施工前核實地下管線分布情況，為避免障礙物最大間距不得超過130%設(shè)計井間距。在基槽土方開挖前，降水井的布設(shè)應(yīng)已形成封閉狀態(tài)，或超前2 倍基槽寬度。將沖擊鉆機(jī)安裝至井位附近，核對井位，確保井徑誤差在±20mm 范圍內(nèi)，垂直度誤差不超過1%。

在護(hù)壁管埋設(shè)后，開始泥漿護(hù)壁鉆孔。保持孔內(nèi)泥漿高度，防止塌孔。驗收清孔后，吊裝640mm 無縫鋼管。每井配備一泵，將吸水器吊至井底，水管自井下接至匯水總管。在降水井外側(cè)布設(shè)直徑不小于200mm 的焊管。地下水經(jīng)匯水總管引至沉淀池，經(jīng)沉淀后排入市政污水管道或水渠。將濾料均勻投放在內(nèi)管周圍，選用孔隙率不小于20%的中粗砂，回填至濾管頂部以上，上部回填黏土固井。采用空壓機(jī)和活塞聯(lián)合洗井，重復(fù)洗井過程，直至出水含砂率小于1/10 000，以保證抽水設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)且不引發(fā)地層下沉。在管井運(yùn)行前進(jìn)行試抽，檢查抽水是否正常，無淤塞現(xiàn)象。試抽正常后進(jìn)行正式抽降水。

超前抽水時間不少于14 天，每日觀測水位，確保抽水設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。抽出水的含砂量需滿足規(guī)定要求，以防地層下沉。管井降水完畢后，孔洞填實，上部用粘性土填充夯實。

4 PLAXIS 3D有限元模擬對比

1）基坑位移云圖繪制 通過模擬基坑降水的能力，我們繪制了基坑位移云圖（圖5）。在模擬中，地下連續(xù)墻起到了明顯的保護(hù)作用。有效地減少了基坑外部地下水的影響，使得基坑外的土體基本不發(fā)生下降，確保了基坑的穩(wěn)定性。同時，地下連續(xù)墻還能迅速排干基坑內(nèi)部的地下水，確保開挖過程不受地下水的干擾，達(dá)到了設(shè)計要求。

圖5 基坑位移云圖

2）坡頂位移驗證 根據(jù)模擬結(jié)果，我們得出坡頂處的最大位移為-16mm。這一數(shù)值小于GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對坡頂位移的要求，即不超過30mm，符合設(shè)計規(guī)范的要求。

3）基坑底部位移抬升 模擬結(jié)果顯示，基坑底部出現(xiàn)6mm 位移抬升現(xiàn)象。這是由于抽水導(dǎo)致地下水位下降，形成了降落漏斗，進(jìn)而降低了水壓力，導(dǎo)致周邊地下水向井口富集。這可能引起局部地下水位上升，進(jìn)而導(dǎo)致土體抬升。然而，模擬結(jié)果顯示，這一抬升數(shù)值在可控范圍內(nèi)，沒有造成不良影響。

4）降水方案效果驗證 基于位移云圖的分析，降水方案被證明是合理且有效的。通過抽水，基坑周邊和內(nèi)部的地下水流向降水井，最終被抽出。這降低了地下水位，為施工創(chuàng)造了良好的條件。

5 結(jié)論

通過現(xiàn)場抽水實驗、基坑涌水量計算和降水需求計算，制定了科學(xué)的降水方案，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗法和基坑涌水量法，對降水井?dāng)?shù)量進(jìn)行了合理布置，并闡述施工流程和工藝，滿足工程需求。同時研究驗證了PLAXIS 3D 軟件在深基坑降水設(shè)計中的重要應(yīng)用價值。止水帷幕和地下連續(xù)墻在維持基坑內(nèi)外地下水位平衡方面發(fā)揮了顯著作用，確保基坑的穩(wěn)定性，且基坑開挖對周邊建筑物的影響得以有效控制，PLAXIS 3D 軟件在降水方案設(shè)計與施工中具備顯著的指導(dǎo)與應(yīng)用價值。