阿布賈城鐵深路塹地下水處理方案研究

彭 梅

(中鐵三局第四工程有限公司，北京 100040)

阿布賈城鐵3號線K2+800～K4+950段路基設計采用路塹方案，路塹一般段挖深為8 m～9 m，最大挖深達到13 m左右。施工過程中，下挖到基床表層附近時出現地下水滲出情況，造成基床土受浸泡而變松軟，無法進行下步施工，現場采取了在線路一側挖設排水溝疏導地下滲水的臨時措施，使地下滲水得到疏排。根據設計要求，基床表層需要換填50 cm的A，B料加固基床表層，但由于地下水滲漏嚴重，需要解決地下水的滲漏涌出問題，現場停止了施工并對旱季和雨季的地下水位情況進行觀察。現場選取了國家公園站(K3+440)坡度平緩處進行觀察，經過觀察，滲出地下水位標高基本處于基床表層，旱季和雨季最大水位上下變動0.5 m左右，雨季水位較高。

1 深路塹設計緣由及地下水滲出原因分析

1.1 路基設計緣由

根據阿布賈城市的規劃，阿布賈城鐵和尼鐵現代化進入市區段位于同一個走廊內由于尼鐵現代化鐵路已于2008年完成設計并獲得交通部批準。因此，城鐵設計必須依據完成的現代化鐵路設計進行線路設計。尼鐵現代化鐵路按照160 km/h最大運行速度設計，限坡為9‰。阿布賈城鐵按照雙線設計，最大運行速度為100 km/h，設計限坡為30‰。因此，阿布賈城鐵在選線上相對靈活，受地形限制較小。尼鐵現代化鐵路在K2+800～K4+950段采取了深路塹方案，城鐵線路為最大限度的減少工程量降低工程造價，充分考慮尼鐵規劃進行路基設計。典型路基斷面圖如圖1所示，圖中虛線斷面為尼鐵線路設計方案。

1.2 地質勘查情況

通過對現場地質勘探報告解析，現場地質情況和水文情況如下:

1)地質情況。路塹段內上覆第四系全新統坡殘積層粉質黏土;下伏前寒武系之混合巖。地層巖性④－1粉質黏土廣泛分布于測區坡面，厚2 m～6 m。⑧－1混合巖風化層厚度變化較大，全風化帶(W4)厚0 m～30 m;強風化帶(W3)厚0 m～5 m，屬Ⅳ級軟石;弱風化帶(W2)屬Ⅴ級次堅石。2)現場水文情況。根據地形地貌及地下水的賦存條件，地下水可分為孔隙潛水、基巖裂隙水等。

圖1 路基橫斷面圖

第四系孔隙潛水:主要埋藏于地表土層中，主要由大氣降水補給。基巖裂隙水:主要賦存于基巖全風化～強風化帶中，一般埋深5 m～7 m，最大可達10 m左右。其水位面隨地形的起伏變化而變化，主要由孔隙潛水補給。管段內水文地質狀況見圖2。

圖2 水文地質縱剖面圖

1.3 滲水原因分析

從地質縱斷圖可以看出，K3+300～K4+800地層分布呈盆狀，形成一個較大的地下水匯集區域，由于路基采用深挖方形式通過，并且地下水埋深較淺，只有5 m～7 m，地下孔隙潛水豐富，因此開挖形成一條深溝，地下水向此處匯集，從而出現開挖面積水情況。

2 滲水量統計分析

2.1 地下滲水量計算

地下水滲入基坑的涌水量與土的種類、滲透系數、水頭大小、坑底面積等有關。一般采用公式如下:

其中，Q為基坑總涌水量，m3/d;K為土的滲透系數，m/d;S為抽水時坑內水位下降值，m;H為抽水前坑底以上水位的高度，m;R為抽水影響半徑，m;r0為引用半徑，m;m0為從基坑底到下臥不透水層的距離，m。

通過計算得出:每100 m路基每天的滲水量為Q=30.28 m3/d。

2.2 排水管道直徑分析計算

根據線路設計坡度可看出，K3+940～K4+240車站段坡度平緩，只有0.3‰，是水力流速的控制部位。該段長度300 m，上游來水段長度641.57 m，計算該段總的排水量為:

考慮路基雙側設置排水管溝，則單側排水量為142.56 m3/d。

為了計算管道直徑，我們先按照250 mm的一般混凝土管道計算流量能否滿足要求。首先按照下式計算水的流速:

其中，V為流速，m/s;R為水力半徑，m(過水斷面積A與濕周x的比值:R=A/x，圓管 R=0.25d);I為水力坡度，管道坡度，m/m;nb為管道粗糙系數或稱流速系數，本式取0.013。

代入水力坡度 I=0.000 3，計算 V=0.21 m/s。

計算流量Q，Q=AV，按照水力手冊計算規定，對于0.2 m～0.3 m 管道填充度取0.5。

則每日流量 Q=445 m3/d，大于142.56 m3/d。

通過計算表明，采用250 mm直徑管道過于保守，因此可以按照200 mm的一般混凝土管道計算。通過計算流速為V=0.18 m/s，計算每日流量為Q=244 m3/d，也大于142.56 m3/d，能夠滿足現場要求，儲備保險系數為1.7，因此設計排水管道可以按照管道直徑200 mm進行排水設計。

3 地下水排出方案探討

根據列車動力對路基作用實驗表明，最大行車速度100 km/h時，基床表層0.5 m范圍承受動荷載力最大，然后向下逐步遞減，到達2.0 m左右時，動荷載基本消失。為保證線路的穩定，需要將地下水位降至基床表層2 m以下方可。為此，我們提出兩種方案分述如下。

3.1 路塹式路堤方案

該方案設計思路為將路基下挖至設計基床以下2 m，然后施作水溝排出地下水，水溝外側設置10 cm的反濾層，然后每隔0.5 m埋設泄水管，排出地下水。地下水從明溝疏排至附近河道。具體做法見圖3(圖中虛線斷面為原設計斷面)。

圖3 路塹式路堤方案圖

該方案新增工程量和工程直接費如表1所示。

表1 路塹式路堤新增工程量和工程費用統計表

3.2 盲溝排水方案

該方案設計思路為在水溝下增設一條盲溝，用以排除基床表層的地表潛水保證路基的穩定性。通過前面的地下水涌出量計算可采用內直徑200 mm的盲管，管材可選PVC管。

具體方案圖見圖4。

透水孔環向每隔10 cm設置，縱向每隔30 cm設置，孔徑2 cm～3 cm。

該方案新增工程量和工程直接費如表2所示。

表2 盲溝基床新增工程量和工程費用統計表

圖4 盲溝基床方案設計圖

3.3 盲溝及塑料排水板方案

考慮換填片石后由于施工和地下水攜帶泥沙淤積片石空隙，造成地下水位上升，采用復合土工膜對于高地下水位隔水效果相對差一些，因此將復合土工膜砂墊層改為雙層塑料排水板，一方面阻止底層水向上滲漏，一方面排出基床底層地下水。目前中國材料采購價為2.5美元，運至現場施工綜合價為7美元，該方案由于取消了底層土工膜，改設了雙層塑料排水板，相比PVC盲溝排水方案增加造價約為2萬美元。

3.4 方案分析比較

1)工程造價分析。通過三種方案的造價對比，路塹式路堤方案造價明顯高于盲溝排水方案，總造價增加一倍多。因此從降低造價考慮，盲溝排水方案明顯優于路塹式路堤方案。

2)施工難度評價。路塹式路堤方案由于路基已開挖至基床表層，重新開挖邊坡有一定難度。施工難度較大處在于路基邊溝施工，由于地下水豐富，現場底板施作需要采取隔水措施，施工難度大。

盲溝排水方案開挖難度較大，尤其坡腳設計采用直立式，施工期間由于地下水的作用，坡腳需要放坡，造成開挖方量和碎石填料增加，并且要及時施作，防止坡腳坍塌。換填過后基底形成片石滲水通道，利于盲管施工和回填土施工。

盲溝及塑料排水板方案難度同盲溝排水方案。

4 結語

現場最終選擇了PVC盲溝排水方案，通過現場一個雨季的觀測，盲溝排水效果良好，達到了預期目的。本文對阿布賈地區的深路塹路基的地下水處理進行了研究和探討，對工程造價進行了分析，確定了經濟可行的方案。其中深基坑計算方法對橋涵等深基坑施工排水具有參考作用，盲溝排水方案可以為類似工程地下水處理提供借鑒。

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