地鐵車站深基坑降水方案研究

蘇江川

(福建省建筑工程技術中心 福建福州 350004)

0 引言

地鐵車站在深基坑開挖范圍內遇砂層、淤泥質土等滲透性差異較大的地層相互交錯時，若地下水位較高會導致潛水與承壓水并存，開挖過程中坑內外較大的水位差極易產生流砂、管涌、突涌等滲透破壞現象致使邊坡或基坑坑壁失穩，造成周邊地面沉降并威脅周邊道路、建筑物的安全。深基坑降水已成為建筑工程地下部分施工中的重要環節。樊玲等[1]以長沙地鐵1號線省政府車站為背景，提出了多道防線預防基坑突水理念,采用三道防線綜合技術(即合理增加地下連續墻深度、袖閥管法加固基坑地層和疏降水技術),預防基坑突水。張建勇[2]以武漢地鐵8號線三標段徐家棚站土建施工作為背景，利用數值模擬對粉細砂強透水地層深基坑降水方案和技術措施進行了探討。王軍輝等[3]根據地下水動力學原理,分析了懸掛式帷幕影響下形成的繞流和非繞流兩個區的滲流特征；利用Dupuit假設和阻隔理論,系統地提出了懸掛式帷幕條件下潛水和承壓水涌水量計算的修正大井法,并根據實際應用需要提出了相應的近似表達式。

本文依托福州地鐵某透水地層車站基坑降水為例，總結深基坑降水設計施工經驗，提出了透水地層深基坑降水施工控制措施，以期為類似工程提供技術參考。

1 工程概況

圖1 車站典型地質剖面圖

2 降水方案

2.1 降水目的

降水目的主要為疏干土體中的地下水，方便施工作業；降低坑內土體含水量，提高坑內土體強度；降低下部(微)承壓含水層承壓水水位，減少坑底隆起和圍護結構的變形量，防基底突涌的發生，確保施工基底穩定。

2.2 降水難點

降水難點主要體現在承壓含水層突涌、開挖面失穩、減壓降水風險、周邊環境復雜，表1 是主要降水難點和應對措施。

表1 主要降水難點和應對措施

3 降水井設計方案

3.1 疏干井設計

車站施工時，需及時疏干開挖范圍內土層中重力水含量，保證基坑干開挖順利進行。開挖前，需要布設若干疏干井，對基坑開挖范圍內土層疏干。根據該工程土層情況，淺層土主要以砂層為主，滲透性較佳，本次降水工程單井有效抽水面積取150m2。

3.2 降壓井布置

3.2.1基坑底板抗突涌穩定性驗算

基坑開挖后，由于承壓含水層上覆土層厚度變薄，其上覆土壓力降低。當上覆土的壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時，承壓水將可能使基坑底面產生隆起，嚴重時使土體被頂裂產生滲水通道，從而發生基坑突涌。

根據勘察報告，該場區承壓水主要賦存于<3-3>(含泥)中粗砂、<4-2>(含泥)中砂、<4-8>卵石中，隔水頂板分別為<3-1-2>(含砂)粉質黏土層和<3-4-2>淤泥質土層。承壓水位取水位標高+3.14m。各基坑分區根據所處位置最不利勘探孔進行計算。圖2是基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理。表2 是基坑抗突涌穩定性驗算表(<4-2>層)。

圖2 基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理

表2 基坑抗突涌穩定性驗算表(<4-2>層)

3.2.2降壓井設計

(1)井深設計

降壓井的水頭損失考慮到抽水至觀測井之間的水力梯度漏斗可達到安全水位和地層性質、圍護深度特點及降壓幅度要求，降壓井布置于坑外，按井深43m考慮。

(2)井數設計

① 解析法

根據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》計算公式計算：基坑涌水量Q為3052m3/d，該工程單井流量約為400m3/d，該工程需布置的降壓井數量為n= 1.2Q/q=1.2×(3052/400)≈10。

②數值模型計算法

根據勘察報告提供的土層特質(含水層埋深、厚度)建立模型，按照經驗值對其水文地質特性進行賦值，并利用模型進行預測，為消除邊界對模擬結果的影響，一般將計算區域邊界外擴一定范圍。本次模擬取邊界外擴約1000m。

根據計算，主體基坑需要布設10口降水井，按照觀測兼備用井數量不小于降水井總數的20%且不少于1口的要求，坑內共布設3口觀測兼備用井；各類降壓井總計13口，井深均為43m。在敞開式圍護條件下，根據模型計算，在安全系數取1.10的情況下，坑內<4-2>承壓含水層水位需滿足降深3.88～4.25m的需求。圖3是懸掛式帷幕下坑內外水位降深等值線圖。

圖3 懸掛式帷幕下坑內外水位降深等值線圖(單位：m)

3.2.3觀測井布置

(1)主體坑內潛水觀測井

車站主體共布置28口疏干井，井深28m。

(2)坑外潛水觀測井

主體基坑外每50m左右設置1口淺層水位觀測井，保護構筑物附近適當加密，用于判定坑內抽水對坑外的滲流影響。主要布置于主體基坑外圍，并避開后期附屬結構。

(3)承壓水位觀測井

為及時掌握坑內減壓降水時水位下降情況，指導降水運行，設置一定數量的承壓水位觀測井。

(4)坑外承壓水位觀測井

該基坑理論上圍護已完全隔斷<3-3>承壓含水層，為檢驗圍護結構的可靠性以及監測坑外該層水位變化，故考慮于坑外布置一定數量的坑外承壓水觀測井，以檢測坑外承壓水位變化情況，發現不正常水位波動時可及時采取措施。坑外按照每50m布設一口觀測井，共布設10口，井深29m。必要的情況下可作為坑外應急回灌井啟用。

(5)敏感建筑物附近專項應急回灌井布設

該工程止水帷幕難以將含水層組完全隔斷，故坑內長時間抽水對坑外將產生一定的不良影響，工程附近敏感建筑物較多，需考慮在其附近設置一定數量的回灌井。因此，該布設初步考慮暫布設5口水位觀測井兼應急回灌井，井深29m，在坑內減壓降水開啟后，同步進行回灌。圖4是降水井平面布置圖，圖5是各類降水井結構示意圖。

圖4 降水井平面布置圖

圖5 各類降水井結構示意圖

4 降水管理重點

4.1 專人管理

派人24h值班并做好抽水記錄，記錄內容包括降壓深井涌水量Q和水頭降s，并在現場繪制s～t曲線，以掌握抽水動態，指導降水運行達到最優。

降水運行期間，實行24h值班制，由專業值班人員認真做好各項質量和觀測水位變化的記錄，做到準確齊全。降水運行過程中對降水運行的記錄，對停抽的井及時測量水位(每天1～2次)，對于水位出現的異常及時分析整理。

4.2 雙電源保證

為保證基坑安全，減壓降水運行期間總包對降水運行配備獨立的供電系統，且供電系統配備兩路以上不同變電站的獨立電源。降水運行中保證一路工業用電停電后，另一路工業用電能及時使用，確保降水井的電源得到更換，確保降水過程不得長時間中斷，以免影響基坑安全。

4.3 按需降水

降水工作在地下構筑物施工至上覆壓力和地下水頭的頂托力平衡后停止降水。停止降水的時間根據上覆壓力與頂托力的平衡計算，計算結果報送設計方并取得設計方認可后施工現場才停止降水。抽水井個數和抽水量大小根據基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進行控制。水位控制嚴格按照基坑穩定性分析中的基坑開挖深度和承壓安全水位埋深曲線進行。具體操作按照如下原則運行:

①承壓水提前預抽水時間一般為1d，根據基坑開挖至臨界深度的順序依次開啟相應區域降壓井抽水。

②所有減壓降水井均可通過開啟和關閉流量節制閥來調節出水量并控制水位。

③降壓井停抽根據屆時實測靜止水位經驗算滿足抗突涌條件。

4.4 自動化監測

在正式抽水運行后，對坑內外部分觀測井放置水位探頭，采用數據采集儀對地下水進行實時監控，這樣，一方面可用于水位測量，另一方面可用于監控水位狀態。一旦水位異常，可以第一時間發現，及時作出處理。

現場抽水運行期間，借助遠程安全監測系統實時進行監控，以便第一時間獲取開挖施工過程中的水位數據，實現對生產、運營情況的隨時掌握，實現項目的綜合自動化，并能建立網絡范圍內的監控數據和網上資源庫，實時對現場進行安全把控。圖6是遠程安全監測系統示意圖。

圖6 遠程安全監測系統示意圖

5 結論

該車站按照既定降水方案順利實施，基坑內的疏干效果理想，挖掘機和工人均在無水的狀況下實施作業；疏干井還減少坑內土體含水量，提高土體強度，縱坡土體自穩性得到明顯提高。所有措施均達到預期的降水目標。根據竣工后實測的監測結果，周邊建筑物及管線的沉降量均在安全允許范圍內。主要經驗如下：

(1)降壓井能有效地降低深層承壓含水層水頭，減少坑底隆起和圍護結構的變形量，避免了基坑底部突涌的發生，確保施工時基坑底板的抗突涌風險。

(2)砂層的透水性、富水性、影響半徑均很大，降水實施過程務必做到按需降水。采取“按需降水”的指導方針，能將周邊環境(道路、管線和建筑物)的影響降至最低。

(3)影響降水效果的因素較多，在實際施工時，應通過理論計算與現場實際情況相結合，通過實際觀測數據分析，因地制宜解決工程實際面臨的問題。