濟南某地鐵站點基坑降水措施分析

余德可，何 鵬，陳 偉

(四川大學 水利水電學院，成都 610065)

1工程概況

濟南某地鐵站為地下3層島式站臺車站，車站總長306 m,主體結構總寬19.5～23.0 m，平均寬度20.1 m,基坑主要開挖深度24.4 m，最大基坑開挖深度達26.31 m。圍護采用地下連續墻結構，最大圍護深度達43 m。站點主體結構基坑及站點附屬結構基坑布置見圖1。

圖1 基坑示意圖(陰影部分為附屬結構)

2 站址區域主要工程地質及水文地質條件

2.1 地形地貌

站址區域上位于南部山區碳酸鹽巖剝蝕丘陵區以北的山前洪積平原上部，地形南東高北西低，擬建場地位于沖積物堆積而形成的山前傾斜平原，當前場地較為平整，地面絕對標高為30.35～31.03 m，周圍有大量既有建筑。

2.2 地層巖性

場地表層為雜填土，該層分布連續，層厚0.82～2.74 m；其下為連續分布的粉質黏土層，該站點基坑底部位于1粉質黏土層中，圍護墻底位于1粉質黏土層中。該地鐵基坑土體物理力學參數見表1,基坑的地層巖性見表2。

2.3 地下水

地下水主要類型為第四系松散孔隙潛水和承壓水。場地內的地下水補給來源除了以大氣降水與南部裂隙巖溶水的徑流補給為主外，山前沖洪積層徑流和河川徑流的側滲也是其補給源之一 。其排泄方式以地表蒸發、人工抽取地下水為主。

表1 基坑土體物理力學參數表

表2 基坑地層巖性一覽表

3 工程重難點分析

基于該擬建場地的工程地質、水文地質和本工程采用的圍護結構可知，該工程安全順利地開展主要依賴于基坑降水的效果，故本工程的基坑降水設計的可靠性十分重要。

3.1 內外水頭差過大

根據勘察報告，本場地內地下水類型為第四系松散孔隙水，細砂層、卵石層、碎石層為含水層。標準段連續墻墻趾埋深40 m，位于1粉質黏土層中，已完全隔斷第四系松散孔隙水，易引起基坑內外水頭差過大，導致地下連續墻承受壓力過大，從而對圍護結構的安全性造成嚴重影響。

3.2 地下水位高

針對粉質黏土層埋深較深，止水結構大部分進入該層，進行抗突涌驗算。圖2為基坑抗突涌驗算示意圖。

圖2 基坑底板抗突涌驗算示意圖

(1)

式中：Kh為突涌穩定安全系數，計算時取1.1(Kh不應小于1.1)；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m，D=Ha-Hb；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度,kN/m3；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度；γw為水的重度,10 kN/m3；Ha為基坑開挖底板高程,m；Hb為含水層頂板高程,m。

從計算結果可以看出，假設基坑底板處粉質黏土為均質土層的情況下，在6細砂層承壓水水頭下1粉質黏土層無法滿足抗突涌要求，因此需對6細砂層采取地下水控制措施來防止基坑發生突涌。

4 降水方案分析

4.1 降水方案比選

基坑降水設計需要綜合考慮地下水位降幅、降水井布置方式、降水持續時間、排水方式以及對周圍環境的影響等因素[2]。本基坑采用明挖法施工，圍護結構選用地下連續墻。綜上，本工程有兩種不同的基坑降水方案可供選擇。

4.1.1 坑外降水方案

采用管井群井降水，在基坑圍護結構外布置降水井。這類降水方案十分適合作業面位于富水砂礫層的基坑工程，雖然對工程施工作業干擾較小但對周邊環境的影響較大。

4.1.2 坑內降水方案

采用管井群井降水，在基坑圍護結構內按梅花型均勻布置。這類降水方案適用于作業面位于軟土、黏土或者富水砂層的基坑工程。缺點是對工程施工干擾較大，降水能力優于坑外降水。

通過上述方案比較，根據本區段工程地質以及水文地質條件可知，擬建場地開挖范圍內多以透水性中等(含水量較大，滲透系數介于黏性土與砂性土之間，土體內含水不易排出)的粉土為主，應該選用基坑內降水方案。需要延長降水時間，采用大口徑降水井，特別是要加強在基坑開挖過程中對降水井的保護。

4.2 降水設計參數的確定

本文以該站點主體工程降水為例進行分析計算，站點其余部分與主體結構的分析計算類似。地下水降至基坑底面以下1 m處，主站降水深度為23 m，附屬結構降水深度為13 m。

4.2.1 單井出水量預測

本站圍護結構理論上隔斷了含水層基坑內外水力聯系，但實際上止水結構不可能完全封閉，坑內外地下水存在水力聯系，同時由于上下含水層的越層補給，使得本工程降水分析較為復雜。單井出水能力可按式(2)進行估算[3]：

(2)

式中：q為單井出水能力，m3/d；r為濾管半徑，取0.188 m；l為有效濾管長度，取2.5 m；k為含水層滲透系數，最大滲透系數取7.04 m/d。

計算得到單井出水能力約為270.3 m3/d。由于單井出水能力估算公式有一定適應條件，適應條件與地墻、開采布局、基坑形狀等因素有關。同時，根據工程經驗，基坑排水井間距較小，存在一定的干擾削減，單井實際出水量遠小于理論計算最大值，設計取值約為200 m3/d。

4.2.2 基坑涌水量預測

在基坑涌水量計算時，對于降水過程中基坑內明水、降雨等外來水源不在方案設計范圍內。基坑涌水量Q可按式(3)進行估算[1]：

(3)

計算得:Q= 6 675.3 m3/d

4.2.3 計算降水井數量

公式如下：

考慮該基坑涌水量偏大，故按計算所得真空降水井數量的10%設置4眼備用井，其中備用井兼做觀測井。

4.2.4 計算減壓井數量

基坑涌水量Q可按式(3)進行估算[1]：

(3)

式中：Q為基坑降水出水量，m3/d；k為滲透系數；m為含水層厚度，m=7 m；s為基坑中心水位降，按上述抗突涌驗算取9.8 m；R為降水期間影響半徑，取R=674.7 m；r0為大井圓概化半徑,r0=0.29(a+b)=0.29×(298.644+20)=50.6 m

計算得:Q=4 474 m3/d。

且單井抽水量q取200 m3/d,則

按計算所得減壓井數量的10%設置3眼備用井，共需設置26眼減壓井。本基坑工程主體部分的降水井具體設置見表3。

表3 主體部分降水井

5 基坑降水質量保證措施

5.1 基坑開挖前預降水

為保證基坑的強度與穩定性，應在施工過程中使基底處于干燥狀態，即在基坑開挖前將基坑內的地下水降至基底以下1 m。做到“按需降水、隨挖隨降”，水位始終控制在開挖面以下約1 m。

5.2 設置減壓井與真空降水井

該工程基坑開挖施工范圍內主要為潛水含水層和承壓含水層，為防止基坑范圍內土體含水量過高導致施工無法繼續開展而影響工程工期，或者未將地下水降至安全水位引起基坑突涌發生安全事故，故應合理設置減壓井與真空降水井。

換乘段面積為1 004 m2，布置6眼真空降水井和4眼減壓井。西端頭井面積為2 067 m2，布置10眼真空降水井和5眼減壓井。標準段面積為3 412 m2，布置22眼真空降水井和12眼減壓井。東端頭井面積為1 535 m2，布置10眼真空降水井和5眼減壓井。

基坑及附屬結構示意圖見圖1。附屬結構中降水井的參數見表4，其中附屬結構的降水井均為內徑377 mm、外徑600 mm的鋼管。

表4 附屬段降水井參數表

5.3 水泵的合理選用

在基坑降水的監測過程中，真空降水井內的水位較基坑水位低很多的情況非常常見。這一問題有很大可能是抽水泵的抽水能力遠大于真空降水井中地下水的滲入量，造成水井抽空而引起真空降水井中水位的下降[4]。針對這一問題，降水過程中應首先選取大功率水泵用于降水，當真空降水井中地下水的入滲量與水泵抽水能力相接近時，換用功率較小的水泵進行降水；當真空降水井內地下水的入滲量較水泵抽水能力大很多時再換用大功率水泵[5]。通過真空降水井中的入滲量與水泵的抽水能力相適應的規則來循環選用大小功率的水泵用于抽水，對于提高降水的效果十分明顯。

5.4 降水施工技術要求

1) 在基坑開挖過程中，一定要注意對降水井的保護，嚴禁拆除或破壞降水井。基坑在開挖至基坑底部時，易出現因基坑內外水頭差而造成基地土體含水率過高或呈“橡皮土”。對此，針對未封井的降水井，將濾管置于基坑底板處，用于基坑底板澆筑完成后的降水。

2) 在基坑降水過程中，抽取的地下水內出現渾濁意味著抽水過程中將土層中的細顆粒帶走了。這一現象在降水過程中，較為常見，要注意規避。因為基坑下土層內細顆粒的流失不僅會造成降水井管的堵塞，而且會加劇基坑周圍地表的沉降，嚴重時可能引起附近建筑物的傾斜。所以，要根據工程場地土層的情況合理選用濾網，同時管井的成管質量以及濾料回填的質量也對此有影響。

3) 鉆機在施工場地達“三通一平”后進場，當鉆機安裝符合設計使用要求且管井與砂石均已安置在指定施工位置后方能進行作業。在鉆機作業過程中，應定時用水平尺對鉆機轉盤進行量測，確保鉆機作業形成的鉆孔傾斜度不超過1%。同時，應對鉆機使用的鉆桿進行量測，確保未使用彎曲超過2%的鉆桿進行作業。

4) 地下排水與地面排水相結合。使用水泵將管井中的地下水提升到管井外，通過鋼質泵管排至排水盲溝中，最后經排水盲溝匯流于總包單位已施工完成的排水井中。

5) 隨著基坑開挖深度的不斷加深，井管出露長度也隨之增加。為確保管井安全，基坑內降水井管在基坑開挖過程中，沿縱向可適當拆除井管出露長度[6]。見圖3。

圖3 基坑內降水井管拆除示意圖

6 結論及建議

6.1 結 論

濟南市軌道交通R2線臘山站基坑降水工程在施工過程中嚴格貫徹落實行業規范與標準，遵循經濟科學的原則，未發生降水不當引起的工程安全事故，達到預期的降水效果，為該站點安全高質量的竣工提供了保障，也為今后相關基坑降水施工提供了參考。

6.2 建 議

建議根據項目基坑工程的工程地質和水文地質條件，根據高壓擺噴止水帷幕、基坑管井降水、坑外回灌等降水設計方案，采用有限差分軟件對降水過程進行模擬，根據數值模擬的結果對止水帷幕深度及降水方法進行優化研究，并通過現場檢測來驗證數值模擬的合理性。