武漢地鐵某車站基坑開挖降水影響研究

廖利釗 　周翔宇　劉寶林　周　迎

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海， 200092;2.華中科技大學　土木學院工程管理研究所，武漢　430074)

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武漢地鐵某車站基坑開挖降水影響研究

廖利釗1周翔宇2劉寶林2周迎2

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海， 200092;2.華中科技大學土木學院工程管理研究所，武漢430074)

地鐵車站深基坑開挖降水是地鐵工程施工過程中的一個重要組成部分，而地鐵車站的施工地點一般位于人流量較多的區(qū)域，且基坑降水往往會對周邊環(huán)境帶來惡劣影響，故需對基坑降水進行一定的研究分析。本文以武漢軌道交通六號線某車站為依托，運用實際監(jiān)測數據，說明基坑降水過程中，基坑周邊建筑物沉降和圍護結構變形的變化規(guī)律，得出的主要結論有： 1)坑外降水作用對周邊建筑物的影響遠遠大于坑內降水作用； 2)坑外降水作用可以一定程度的減少基坑外側的主動土壓力，進而減小其周圍圍護結構的變形量； 3)土質條件和基坑降水狀況會對圍護結構的變形產生很大影響。

地鐵車站； 基坑降水； 施工監(jiān)測； 圍護結構變形； 周邊建筑物沉降

引言

隨著工程建設的不斷發(fā)展，大規(guī)模的地鐵建設時代已經到來，而地鐵工程深基坑降水是地鐵施工中的一項組成部分，它直接影響著施工質量與施工安全。武漢地區(qū)地下水極其豐富，絕大多數基坑工程中都要采用降水作業(yè)，而地鐵車站一般都修建在城市較為繁華的地段，施工場地有限，周邊建筑物眾多，而基坑降水勢必會引起周邊地表沉降和周邊建筑物沉降，對周邊環(huán)境帶來惡劣影響。

本文以武漢軌道交通六號線某車站為例說明，基坑開挖過程中，基坑降水對周邊建筑物和圍護結構的影響，并重點分析了坑外降水的作用。這可以為今后類似工程提供寶貴的經驗材料，具有實際應用價值。

1　工程概況

1.1工程簡介

武漢市軌道交通六號線某車站為地下二層島式站，地下一層為站廳層，地下二層為站臺層，車站采用13m寬島式站臺，有效站臺長140m，屏蔽門的有效長度135.74m，線路中心線間距為16.2m。車站總長531.54m，標準段寬度22.3m，車站埋深17.59m，覆土厚度3.8～4.0m，車站有效站臺中心里程處±0.000的絕對標高為5.53m，軌面標高為4.45m。車站結構公共區(qū)采用13m寬雙柱三跨島式站臺，設備區(qū)部分采用雙柱三跨結構。

1.2工程地質概況

1.3水文地質特征

擬建車站場地范圍內無地表水分布，其地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。上層滯水主要賦存于場地上部人工填土中，主要接受大氣降水，生活用水及給排水管涵的滲透入滲補給，水位、水量與地形及季節(jié)關系密切，并受人類活動影響明顯?？辈炱陂g實測場地上層滯水靜止水位埋深為0.90～5.20m，相當于黃海高程15.85～19.95m。上層滯水對擬建工程基坑開挖施工影響較小。

承壓水主要賦存于3-5混合層、4層、5層及12層砂土層中， 3-5層為弱承壓、弱透水含水層， 4層、5層及12層為中-強透水層，主要接受側向地下水的補給及側向排泄； 4層、5層為一級階地承壓含水層，該層水與長江、漢江有水力聯(lián)系，呈互補關系， 12層為二級階地底部中透水性含水層。由于本場地距離長江、漢江較遠，地下水位季節(jié)性變化較小(2～3m)，水量較為豐富。根據巖土工程詳勘報告揭示，承壓水位埋深約4.8m(標高15.70m)。施工前需復核承壓水位，并在施工期間觀測承壓水位變化。

基巖裂隙水主要賦存于下部基巖中，主要接受其上部含水層中地下水的下滲及側向滲流補給。基巖裂隙水與承壓水呈連通關系，對基坑工程施工影響較小。

2　現場降水施工工況

武漢市軌道交通6號線某車站，開挖深度17.78～20.4m(屬超深基坑，工程安全等級為一級)，基坑底部位于3-5粉質粘土、粉土、粉砂互層中，基坑開挖后，若不對場地承壓水采取有效控制，坑底高承壓水將會產生突涌，其控制方法在基坑內、外設置降水管井進行疏干降水。施工期間應根據承壓水的水位、基坑開挖深度、開挖處的土層地質條件等因素綜合考慮降水，在滿足基坑不發(fā)生突涌的前提下，盡量少抽水。降水維持過程中，考慮不同地段開挖深度的不同，應根據挖土程序的需要及地下車站主體的施工進度，合理調整抽水井開啟數量：可采用局部施工地段集中開啟部分降水井，而適當關閉其它區(qū)域部分降水井，具體開啟數量以現場實測水位降深加以控制調整。

2015年8月3日某車站基坑開始開挖土方，后湖大道以南為一工區(qū)，以北為二工區(qū)，兩個工區(qū)同時開挖土方，一工區(qū)端頭二十倉開挖土方，二工區(qū)十二倉開挖土方，隨著土方開挖，基坑降水同步進行，基坑第十二、十九倉地連墻測斜速率變化較大，累計變形逐漸增大。周邊有一排民房距離第二十倉基坑邊較近，隨著基坑開挖及降水的進行，沉降速率一直處于增大的趨勢，累計沉降量遠遠超過預警值，特對此周邊建筑物及基坑圍護結構進行分析。

3　監(jiān)測數據分析

3.1民房沉降分析

2015年8月18日開始上報民房沉降監(jiān)測數據，民房于基坑的位置關系及監(jiān)測點的布設如圖1所示。

圖1　民房與基坑位置關系及監(jiān)測點布設圖

在施工過程中，施工人員發(fā)現測量的地下水位始終保持在某一恒定標高處，坑內降水難以繼續(xù)降低水位，故在2015年8月22日，在基坑二十倉端頭左側再架設一口坑外降水井，右側架設兩口坑外降水井，在后續(xù)的施工過程中發(fā)現，坑外降水井的架設，并沒有把地下水位降低，反而造成民房沉降量不斷加大，沉降速率進一步的增大，抽取某一段時間的具體監(jiān)測數據如圖2所示。

圖2　8月18號-8月19號民房實時沉降數據分析圖

圖3　8月24號-8月31號民房實時沉降數據分析圖

從圖2、3、4中可以看出，民房的沉降速率在坑外降水前后明顯不同，坑外降水井架設之后，民房沉降速率猛增，遠遠大于預警值，沉降量也遠遠超過預警值，圖2表示坑外降水井架設之前的沉降狀況，從8月18號的監(jiān)測數據來看，民房各測點最大沉降速率為-5.0mm/d，最大沉降量為-21.9mm。

8月22號3口坑外降水井假設完成并投入使用之后，從圖3的數據上來看，每天各測點的沉降速率迅速增大， 8月27號，民房最大沉降量為-63.5mm，最大沉降速率為-8.4mm/d，可見坑外降水對周邊建筑物的影響非常大，直至今后的幾十天內，民房一直處于快速沉降狀態(tài)。因為在今后的一段時間的施工過程中，坑外降水和坑內降水同時進行，而民房的累計沉降量和沉降速率遠遠超過預警值，處于顯著風險狀態(tài)，故在9月12號，監(jiān)測方加強監(jiān)測頻率，對建筑物沉降從一天一測改為一天兩測。

圖4　9月1號-9月8號民房實時沉降數據分析圖

9月5日，隨著基坑第20倉開挖到坑底，并施做底板，民房沉降量顯著的減小， 9月14日停止坑外降水，此時民房沉降量最大達到-166.4mm，最大沉降速率為-2.1mm/d，在坑外降水停止之后，民房還是繼續(xù)沉降一段時間，往后變形速率逐漸穩(wěn)定。最終穩(wěn)定最大值為-213.4mm。

3.1.1沉降原因分析

由于降低承壓水水位使上覆蓋層浮托力降低，產生自重排水固結壓密引起地面沉降； 在上部弱透水層中，因地下水水位下降或被疏干，也產生土體自重排水固結壓密而引起地面沉降； 另外，承壓水水位降低后，土體產生的附加有效應力，扣除含水層中水壓降低引起的減壓后而對其下臥層固結壓密引起沉降。

3-5粉質黏土夾粉土、粉砂為弱透水層，當降低地下水位時，會產生土體自重排水固結，引發(fā)沉降。現場人員測量地下水位時測量的水位在開挖面以上，事實上開挖面以上沒有水，這很可能是由于3-5粉質黏土夾粉土、粉砂的若弱透水性，將地下水位阻隔在3-5這一土層之下，真實水位的確是降到開挖面以下，現場人員測量的僅僅是降水井中的水位，故由于現場測量人員的經驗不足，架設坑外降水井，引起了民房較大的沉降。

還有一個直接原因是：民房是即將拆遷的舊房，建成時間比較久，穩(wěn)定性較差，其基礎為淺基礎，故基坑降水對淺基礎的建筑影響較樁基礎的建筑要大得多，再加上某車站所處位置的地質條件等原因，到第二十倉頂板施工完成時，總沉降量遠超預警值。

3.2圍護結構變形分析

某車站采用的是地下連續(xù)墻做基坑圍護結構，由于降水導致圍護結構出現較大的變形，現主要分析第二十倉端頭的測斜點的變化情況，具體測斜點取CX01、CX40，CX01位于基坑第二十倉靠右端頭，CX40位于基坑第二十倉右側，選取降水井架設前后的時間點的監(jiān)測數據，如圖5所示。

圖5　某車站第二十倉端頭部分監(jiān)測點布設圖

圖6　CX01測斜點在架設坑外降水井前后時序曲線圖

通過圖6對比發(fā)現，CX01測斜點的測斜距離的變化不大，在開始進行坑外降水之后，起先測斜速率變化較大，而后慢慢穩(wěn)定下來，最后坑外降水停止后，仍然沒有超過預警值，變化較小，具體原因是：CX01點與坑外降水井的位置關系，其位于第二十倉的右端頭，端頭一般均會架設鋼角撐，且一般角撐的架設比對撐要及時； 坑外降水沿著基坑縱向，CX01所處的端頭地連墻與基坑方向縱向垂直，故由坑外降水帶來的直接影響相對于與坑外降水井最近的地連墻要小，故其變形比較穩(wěn)定。

通過圖7對比發(fā)現，架設坑外降水井之后測斜點CX40的變化速率反而變小，而8月31號基坑仍然再開挖第四層土方，暫未施做底板，通過定性分析，可得出結論：坑外降水和坑內降水同時進行，主動土壓力和被動土壓力同時發(fā)生變化，這樣地連墻向基坑內的偏移量減小，相比于未施做坑外降水井的基坑，其變化量反而要小； 還有CX40同樣位于端頭部位，端頭部位的鋼支撐和角撐的架設相對于標準段要密，這也可以一定程度上抑制地連墻的變形。

圖7　CX40測斜點在架設坑外降水井前后時序曲線圖

由于某車站第十二倉所處地質條件與基坑第二十倉的大體相似，所以再選取基坑第十二倉附近的測斜點做比較，進行定性分析，具體選取測斜點CX42、CX32，由于在施工過程中，CX32測斜點被破壞，故在8月20號以后均使用CX32(改)測斜點。具體測斜點的布設如圖8所示。

圖8　基坑第十二倉部分監(jiān)測點布設圖

基坑第十二倉未采用坑外降水的方法，只有坑內降水井，具體選取一段時間的監(jiān)測數據的變化來說明問題，同樣選取8月22號之前和之后的數據做對比，選取的監(jiān)測點時序圖如圖9所示。

圖9　CX42測斜點在架設坑外降水井前后時序曲線圖

某車站基坑第二十倉和第十二倉幾乎是同步開挖的，所以其開挖進度基本相同，而CX42測斜點的位置又與CX01的位置相似，從圖9可以看出，CX42的變化速率相比于CX01要大的多，并且最后地連墻最大偏移超過了30mm，在基坑第十二倉和二十倉的土質條件大體相似的情形下，可見坑內降水對地連墻測斜變化的影響，將坑內水位下降到開挖面以下，一定程度上改變了坑內土體的結構，被動土壓力發(fā)生變化，隨著基坑的開挖，將會發(fā)生向基坑內部的偏移，并且越來越大。對于施做坑外降水的二十倉處的CX01點來說，其變化明顯小于CX42測斜點，且變化較穩(wěn)定。

圖10　CX32測斜點在架設坑外降水井前后時序曲線圖

通過對比圖10的監(jiān)測數據的變化，可以看出，在基坑開挖深度較淺時，CX32變化速率較小，隨著基坑的進一步開挖，CX32的變化速率逐漸增大，由于CX32位于標準段處，在后續(xù)及時架設鋼支撐的情況下，變形速率有所減緩，基坑降水幾乎是全天進行，坑內降水從理論上會對圍護結構產出一定程度的影響，其影響的大小還跟基坑開挖深度、土質條件、地下水位、鋼支撐架設及時性等諸多因素有關，這里只作出定性的分析，通過監(jiān)測數據的變化情況可以說明，坑內降水對圍護結構變形影響較大。

4　處理方案

4.1民房沉降問題

在架設坑外降水井之后，民房出現大規(guī)模的沉降，并且遠超過預警值，施工方及時發(fā)現問題并優(yōu)化開挖方案，合理開展降水工作，加強監(jiān)測和巡視，避免由于差異沉降過大帶來的坍塌風險。通過多方人員的密切配合，在9月15日，停止坑外降水。在9月25號之后，基坑第二十倉施做中板，民房沉降速率基本變小，且差異沉降較小，整體沉降較大，民房局部墻出現裂縫，隨著第二十倉的頂板施做完成，民房沉降已基本穩(wěn)定。

4.2圍護結構變形問題

隨著基坑開挖的進行，地連墻局部出現較大規(guī)模的沉降，且超過預警值。施工方在土方開挖完成后及時跟進鋼支撐架設，加強基坑內部地連墻接頭和墻面裂縫觀察，發(fā)現滲漏點及時進行處理，合理開展降水工作，加強基坑內外巡視，現場備好應急物資，做好應急預案。同時提請監(jiān)測單位增加監(jiān)測頻率，加強監(jiān)測，故在9月12號之后，由之前的一天一測改為一天兩測，隨著基坑第二十倉和十二倉施做中板，地連墻的變形速率已逐漸趨于穩(wěn)定。

5　結語

武漢市軌道交通6號線某車站位于長江一級階地向二級階地過渡區(qū)域，結合其基坑開挖的實際施工情況，能更加清楚認識到土質條件和基坑降水對周邊環(huán)境和圍護結構的影響情況，在實際工程中吸取經驗，也可以為將來類似的工程提供寶貴材料，具有重要的指導意義。

通過分析得出以下幾點結論：

(1)某車站的圍護結構未入巖層，坑內與坑外的地下水處于流通狀態(tài)，同時開展坑內坑外降水會對周邊建筑物產出較大的影響，且坑外降水作用對周邊建筑物的影響遠遠大于坑內降水作用；

(2)坑外降水作用可以一定程度地減少基坑外側的主動土壓力，進而減小其周圍圍護結構的變形量；

(3)開挖深度范圍內的土體以粉砂層為主，其土體性質相比于一般黏土有一定的差異性，在基坑開挖和降水的過程中，圍護結構的變形量和變形速率遠超預警值，土質條件和基坑降水狀況會對圍護結構的變形產生很大影響。

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Research on Foundation Pit Dewatering of Wuhan Subway Station during Excavation

Liao Lizhao1，Zhou Xiangyu2，Liu Baolin2，Zhou Ying2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China; 2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

The foundation pit dewatering of subway station during excavation is an important part of the work progress.However，the job location of the subway station is generally located in the region of high population flow，and the foundation pit dewatering always brings some bad influence on the surroundings.So the foundation pit dewatering should be studied and analyzed.Based on a metro station of Line No.6 of Wuhan Metro，this paper explains the change law of surrounding building settlement and deformation of retaining structures by using the practical monitoring data during the process of foundation pit dewatering.Main conclusions are as below： 1)in terms of the influence of surrounding buildings，the effect of external foundation pit dewatering is much bigger than that of internal foundation pit dewatering； 2)the effect of external foundation pit dewatering can reduce the active earth pressure of the foundation pit lateral in some degree，and then reduce deformation of retaining structures； 3)the soil property and condition of foundation pit dewatering would have a great impact on the deformation of retaining structures.

Subway Station； Foundation Pit Dewatering； Construction Monitoring； Deformation of Retaining Structures； Surrounding Buildings Settlement

國家自然科學基金“地鐵施工安全風險時空耦合機理及實景仿真預警技術研究”(編號：71471072)

廖利釗(1962-)，男，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風險控制。

TU94;U456.3

A

1674-7461(2016)01-0029-07

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.05