蘭州臨近黃河邊地鐵風井降水施工技術

王繼東

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100000)

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蘭州臨近黃河邊地鐵風井降水施工技術

王繼東

(中鐵十六局集團有限公司，北京 100000)

摘要：蘭州地鐵臨近黃河段地層以卵石層為主，地層滲透系數大，降水難度大。在借鑒蘭州地鐵其他工段降水經驗的基礎上，采用數值模擬，建立與水文、地質等工況相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型，以為施工提供可靠的設計參數；通過采用坑內外聯合降水與基底注漿相結合的形式完成降水施工。實現了黃河邊深基坑降水目的，達到了良好的效果。

關鍵詞：地鐵；注漿加固；降水；數值模擬；滲透系數

蘭州地鐵1號線迎門灘站～馬灘站區間風井兼聯絡通道采用地連墻作為圍護結構，根據工期安排，區間盾構在基坑不開挖的前提下及在風井無水狀態下進行停機檢查，掘進通過后再進行基坑土方開挖。由于基坑內盾構區間范圍無法設置降水井，導致降水井設置區域有限，且基坑臨近黃河邊，所處地層含水量大，滲透系數高。因此，合理確定降水技術是滿足施工要求及保證施工安全的關鍵問題之一。

1 工程概況

蘭州地鐵1號線迎門灘站～馬灘站區間風井位于七里河斷陷盆地巨厚狀強透水砂卵石地層中，中心里程為YDK13+749 (ZDK13+745.190)，其平面尺寸31.4 m×20.4 m(含圍護結構厚度，長×寬)，井深約34.49 m，河岸距基坑中心距離約為92 m。風井圍護結構采用鋼筋混凝土地下連續墻(地連墻深45 m)。風井位的鉆探結果表明，地質構造由上至下主要為雜填土(0～6.4 m)、2-10卵石層(6.4～14 m)及3-11卵石層(14～45 m)，主要含水層為砂卵礫石層。地下水主要賦存于2-10和3-11卵石層，2-10卵石層平均厚度7.6 m，卵石含量約為50%～55%，滲透系數為55～64 m/d；3-11卵石層平均厚度34.54 m，卵石含量約為55%～60%，滲透系數為50～55 m/d。通過后期項目進行的抽水試驗得出，2-10卵石土滲透系數取52 m/d，3-11卵石土滲透系數K取30 m/d。地下水潛水補給來源主要來自黃河水、上游地下水、大氣降水等補給。

2 工程難點及對策

針對本工程特點，充分利用我單位在蘭州地鐵1號線馬灘站(河岸距基坑中心距離約為1 080 m)已完成的降水施工，與本工程水文地質條件和圍護特征、開挖工況等較為類似的專業降水設計及地下水控制經驗，采用以下措施解決本基坑降水工程中的難點：

(1)由于圍護結構未隔斷3-11卵石層，且本工程基坑面積小，降水幅度巨大，擬采用坑內+坑外聯合降水形式進行處理，并盡可能減短坑外抽水時間。

(2)對于坑內降水井，井深不宜超過圍護結構深，故設置43 m降水井；對于坑外降水井井深需超過圍護結構10 m以上，設置56 m降水井。

(3)在基坑開挖25 m以內采用坑內降水井進行降水，開挖25～34.49 m采用坑內外降水井聯合抽水。

(4)為確保坑內降水井的不間斷工作，施工現場應有雙電源保證措施，應配置備用發電機組。

(5)坑內降水井在底板澆筑完畢之后首先封井，然后封閉坑外降水井。

(6)通過對基坑底部土體注漿加固處理，降低土層滲透系數，減少降水井數量，以滿足整體施工需要。

3 施工措施

3.1 基底注漿加固

基底地層加固采用地面袖閥管注漿方式，基坑開挖至離坑底約3 m，開始注漿加固。加固采用“先封底，后檢測，再注漿固結“的工序。注漿后的加固體形成類似封閉體，然后再降水至封閉體頂，盡量降低地下水對工程的影響。加固區域為坑內全斷面，深度為自結構底板向下8 m范圍(加固地層主要位于3-11卵石層)，雙液漿配比為水泥漿水灰比為1∶0.75，水玻璃水泥漿體積比為1∶1。通過鉆芯取樣得出，加固地層(3-11卵石層)的滲透系數為1.3 m/d。

3.2 降水方案選型

基坑圍護結構的止水帷幕采用1.2 m厚地下連續墻，墻深45 m，整個墻底基本位于3-11卵石層中，僅部分地插入降水目的含水層中，形成了一個人為的側向不透水邊界，未隔斷基坑內外含水層之間聯系。由于插入深度不同，降水井不同的布置方式在降水井群抽水的影響下，地下水滲流場發生不同的變化，地下水運動不再是平面流或以平面流為主的運動，而是形成三維流或以垂直流為主的繞流形式，地下水計算時應考慮含水層的各向異性，有些情況下用解析解無法求解，必須借助三維數值模型[1]。

3.3 降水設計方案

據區域地質資料，卵石層厚度大于200 m。考慮到濾水管無法達到含水層底部，故模型采用潛水(無壓)非完整井。根據實際情況，擬將含水層考慮為均質潛水含水層，由于含水層較厚，且基坑靠近河岸，故采用以下公式進行涌水量計算[1-2]。

本次降水設計中，降水目的層為2-10、3-11層卵石含水層。考慮到降水過程中，基坑內外含水層之間將發生一定的水力聯系，因此，將坑外含水層一起納入模型參與計算，并將其簡化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型。

為了克服由于邊界的不確定而給計算結果帶來的隨意性，定水頭邊界應遠離源匯項。通過試算，本次計算以整個基坑的東、西、南、北最遠邊界點為起點，各向外擴展約300 m，即實際計算平面尺寸為631.4×620.4 m2，四周均按定水頭邊界處理。

根據上述水文地質概念模型，建立下列與之相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型:

式中：S為儲水系數；Sy為給水度，即飽和介質在重力排水作用下可以給出的水體積與多孔介質體積之比；M為承壓含水層單元體厚度(m)；B為潛水含水層的地下水飽和厚度(m)；kxx，kyy，kzz分別為各向異性主方向滲透系數(m/d)；h為點(x，y，z)在t時刻的水頭值(m)；W為源匯項(1/d)；h0為計算域初始水頭值(m)；h1為第一類邊界的水頭值(m)；q為當時間為t時刻的水流量值(m3)；t為時間(d)；Ω為計算域；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界。

對整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將上述數學模型進行離散，就可得到數值模型，以此為基礎編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。

3.4 基坑降水設計

根據不同階段開挖深度，本工程坑內結合坑外分別進行降水，分別考慮不同開啟時間。

坑內降水井設置以43 m為主，過濾器長6 m；坑外降水井設置以56 m為主，過濾器長15 m。降水深井孔徑600 mm，井管及過濾器外徑273 mm。

坑內設置8口降水井(含1口備用觀測井)，坑外設置30口降水井(含4口備用觀測井)(圖1)，分不同階段能夠滿足將水位控制在開挖面以下1 m左右的要求。在減壓降水運行過程中，及時準確掌握含水層水位變化情況，控制降水深井開啟的時間以及抽降承壓水的幅度，在確保水位控制滿足基坑安全需要的同時，減少降水對周邊環境的影響。

圖1 迎門灘站～馬灘站區間風井降水井平面布置圖

3.4.1 開挖深度25 m以內時

為減小坑外井開啟時間，在基坑前期開挖深度25 m以內，以坑內降水井抽水為主，根據不同的開挖深度依次增開坑內的降水深井。在同時開啟8口降水井抽水運行后基坑水位埋深和水位降深等值線圖分別見圖2和圖3。

圖2 坑內降水后水位埋深等值線圖

圖3 坑內降水后基坑水位降深等值線圖

3.4.2 開挖深度25～35 m時

在開挖深度超過25 m后，以坑內降水深井抽水為主的同時，逐步增加坑外降水深井的開啟數量，直至開挖至坑底，坑外降水深井全部開啟。在同時開啟坑內8口和坑外30口降水深井抽水運行后，坑內和坑外聯合降水運行后基坑水位埋深和水位降深等值線圖見圖4和圖5。

圖4 坑內外聯合降水水位埋深等值線圖

4 降水結果分析

由本基坑降水結果得出，臨近黃河邊基坑內降水采用袖閥管注漿加固可有效減少砂卵石層滲透系數。基坑在25 m以上時地下水補給方式為以大氣降水、灌溉水、污水為主，在25 m以下時補給方式為以黃河激發補給為主，出水量為9 200 m3/d，8眼降水井能夠滿足坑內降水施工要求。坑外降水主要作用是降低周邊地下水與基坑內的水力聯系，實現基坑內降水目的。本基坑降水過程中降水初期井內水位下降較快，自地表以下25 m范圍內降水在3～4 d內完成，25 m至降水目的層需要10 d完成，降水量極大，需做好充足的排水準備。

圖5 坑內外聯合降水后水位降深等值線圖

5 結束語

在臨近黃河邊高透水性砂卵石地層中施工深基坑，應對地下水補給的形式及水文地質做合理的分析，采用基底注漿的方法改變部分地層的水文參數，選擇適用的降水參數計算及建立與之相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型能夠為施工提供可靠的設計參數，可以為降水施工提高施工效率，實現工程完工安全、經濟實用的目的。

參考文獻

[1]繆俊發，婁榮祥，方兆昌.上海地區的承壓含水層降水設計方法[J].地下空間與工程學報，2010(1)：167-173，218

[2]夏明耀，曾進倫.地下工程設計施工手冊[M].2版.北京：中國建筑工業出版社,2014：1032-1035

On the Water-Reducing Construction Techniques for the Ventilation Shaft of the Lanzhou Subway near the Yellow River

Wang Jidong

(The 16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China )

Abstract:As the Lanzhou Subway is located near the Yellow River,where the stratum consists mostly of cobblestone,and the permeation coefficient is great,there is great difficulty in water-reducing.Upon the basis of learning the water-reducing experience from projects of other sections of the Lanzhou Subway,a 3-dimensional numerical simulation model for the unsteady flows of the underground water movement in agreement with the hydrologic and geological engineering conditions is established to provide reliable design parameters for the condition.Combined with slip-casting in the base,the water-reducing construction is accomplished by means of the united water-reducing measures both inside and outside the foundation pit, with the aim of reducing underground water in the deep foundation pit by the Yellow River realized and the satisfactory result obtained.

Key words:subway;slip-cast to consolidate;water-reducing;numerical simulation;permeation coefficient

收稿日期：2015-12-24

作者簡介：王繼東(1983—)，男，工程師，主要從事土木工程施工技術管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.004

中圖分類號：U455.49

文獻標識碼：B

文章編號：1672-3953(2016)03-0017-03