圓礫地層深大基坑施工降水設計及應用研究

連 正，申玉生，資曉魚，游元明，王 進

土建技術

圓礫地層深大基坑施工降水設計及應用研究

連 正1，申玉生1，資曉魚1，游元明2，王 進3

（1. 西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都 610031； 2. 中鐵開發投資集團有限公司，昆明 650118；3. 中鐵四局集團城市軌道交通工程分公司，合肥 230022）

在深大基坑施工過程中，地下水是影響深大基坑穩定性較為關鍵的因素，若處理不當極易引發深大基坑施工安全事故。目前，富水地質的大型基坑工程的降水設計及工藝要求嚴格，應用較少，因此需進行深入研究。依托昆明軌道交通4號線火車北站深大基坑的工程實例，結合車站周邊水文地質特征，設計坑內降水井降水、坑外布置備用井的降水方案，并采用VisualModflow數值模擬軟件對基坑降水方案進行模擬驗算。計算結果表明：該降水方案能夠滿足基坑降水要求，同時基坑降水引起周邊地表沉降在允許安全范圍以內。同時，經現場監測數據進一步驗證，火車北站基坑開挖期間，地下水位變化較為穩定，周邊地表沉降符合規范要求。該降水方案對類似深大基坑降水設計具有借鑒指導意義。

地鐵工程；基坑降水；富水圓礫地層；降水方案；周邊地表沉降

隨著城市軌道交通的興建，基坑工程現在向深大基坑發展，在影響基坑穩定性因素中，地下水占有突出的地位，許多工程事故與地下水的作用或處理不當有關。在地下水水位較高的地區進行深大基坑開挖，工程降水往往造成基坑內外的水頭差，引起由坑外向坑內的滲流，滲流作用會造成支護結構位移，影響基坑土體應力場分布，對基坑工程的穩定性產生不利的影響。尤其是降雨補給、防滲體破壞等原因造成滲流場的突然改變，可能會誘發基坑土體及其支護體系的較大變形甚至突然跨塌的工程事故，這是很多基坑工程失事的主要原因。因此在富水深大基坑開挖過程中必須開展降水穩定性分析，并因地制宜地提出切實可行的降水施工控制方案，以保障富水深大基坑開挖施工及周邊建筑物的安全[1-4]。

國內外學者就基坑開挖降水及控制技術開展了大量的研究工作。在理論分析方面，周念清等[5]以上海地鐵11號線徐家匯站為例，采用三維有限差分法對基坑降水進行模擬；郭玉榮等[6]探討了支護基坑整體穩定性分析中的孔隙水壓力計算問題，著重討論了穩定滲流引起的孔隙水壓力計算與傳統有自由滲流面的邊坡穩定計算的不同之處；嚴學新等[7]基于數值計算和多元回歸分析，提出了距基坑3倍開挖深度處降水目標含水層水位降深值及地面沉降量計算公式，并進行了驗算應用探討。在工程應用方面，鄭剛等[8]對天津市位于復雜地層中的某地鐵站基坑預降水試驗進行了分析；崔永高[9]的研究結果表明強透水性含水層超大面積基坑降水的群井效應極為明顯；張蓮花[10]提出了沉降變形控制的降水最優化設計的概念，即以周圍環境對降水引發沉降的最低要求為約束，同時又要滿足工程施工和工程安全的需要，進行降水設計。曾超峰等[11]提出了一種降水井錯位布置的方法用于控制預降水引起的圍護結構變形。

因此，在理論分析及工程應用方面，針對基坑降水設計及對周邊環境影響的研究已經初具規模，但針對圓礫地層深大基坑工程的降水設計及工藝研究較為匱乏，因此需要進行針對性且更深層次的研究。依托云南地區目前開挖規模最大的城市軌道交通車站—昆明火車北站深大基坑項目，通過數值計算手段對基坑降水方案進行了驗算，總結了降水井施工工藝，并結合現場監測數據進一步對基坑降水效果進行分析。研究成果能夠對類似富水圓礫地區深大基坑開挖降水施工設計提供借鑒和參考。

1 工程概況

昆明軌道交通4號線火車北站為地下4層島式站臺車站，如圖1所示，火車北站呈東西向布置，車站周邊環境復雜且建筑物較多，站址10 m范圍內有多處淺基礎建筑物。車站基坑最大開挖深度35.5 m，為明挖順作式基坑，車站圍護結構采用1.5 m厚、70 m深地下連續墻。依據現場地勘資料，該車站場地屬湖積平原與河流相交匯沉積地貌單元，為金汁河等地表徑流所形成的洪積扇與滇池湖濱相交匯區，地勢平坦開闊。現場地質鉆探結果表明，場區內分布新生代第四系全新統和更新統覆蓋層，基坑開挖范圍地層以圓礫層黏土層為主，圓礫地層較松散、透水能力強且自穩能力差。車站周邊地下水豐富，為孔隙潛水和孔隙承壓水，分布有多個圓礫和砂土含水層，對基坑開挖影響較大。地下水水位受氣候條件、季節性變化影響較明顯，潛水位變幅一般在1～3 m，水位埋深約1.8～5.6 m，相應標高1 888.04～1 892.19 m，平均地下水位標高1 890.75 m。

圖1 火車北站總平面圖

Figure 1 General layout of North Railway Station

2 基坑施工降水設計

2.1 數值模型計算

火車北站場地含水層交錯復雜，基坑內外含水層存在一定的水力聯系，考慮到傳統的理論解析法無法對降水方案進行較為精確的驗算，因此采用VisualModflow軟件，依托工程水文地質條件及圍護結構設計相關資料，通過數值模擬方法對基坑降水方案進行設計驗算。

2.1.1 地層模型建立

根據火車北站地勘資料，為簡化計算及突出工程特點，對土層進行相應的合并。如圖2所示，將現場地層在垂直方向上合并為4類地層，各地層主要組成成分及滲透系數如表1所示。

圖2 地層模型建立

Figure 2 Establishment of formation model

表1 簡化后地層成分及滲透系數選擇

依托火車北站圍護結構設計參數建立的圍護結構及降水井模型如圖3所示。

圖3 圍護結構及降水井模型

Figure 3 Model of enclosure structure and dewatering well

2.1.2 水力模型建立

在不考慮水密度變化的前提下，根據建立的地層模型可以給出相應的地下水流數學模型：

式中：K，K和K為平行于主軸，和方向的滲透系數，L/T；為單位體積流量，代表流進或流出的源匯項，m3/d；為點(，，)在時刻的水位，m；S為儲水率，l/m；為貯水系數；S為給水度；為承壓含水層厚度，m；為潛水含水層厚度，m。

初始條件為：

一類邊界條件為：

二類邊界條件為：

式中：Ω為立體時間域；0(，，，0)為水力模型各層初始水頭；1(，，，)為水力模型各層第一類邊界Γ1上的已知水頭函數，L；(，，，)為第二類邊界Γ2上的單位面積法向流量，L2T–1；對于隔水邊界，=0。

1) 網格劃分。如圖4所示，在垂直方向根據地層模型劃分土層層數，將水力模型剖分為5層，模型采用六面體網格劃分。

圖4 水力模型網格劃分

2) 單井出水能力計算。單井出水能力可按式(5)進行計算：

(5)

式中：為單井出水能力，m3/d；為濾管半徑0.136 5 m；為有效濾管長度，取6 m，為含水層滲透系數，取6 m/d。

經計算單井涌水量約為561 m3/d，在群井抽水干擾及地下連續墻對地下水的阻流作用下，單井涌水量要遠小于理論出水能力，并且隨著坑內水位下降，單井水量也會隨著下降。綜合考慮，本次計算取240～480 m3/d。

2.2 計算結果分析

1) 一期基坑計算結果。如圖5所示，根據火車北站基坑開挖設計方案，基坑開挖將分東西兩個工作面同時向基坑中部掘進，東端頭先行開挖為一期基坑，西端頭稍滯后開挖為二期基坑。當一期基坑內布置24口降水井時，單井出水量為240～480 m3/d，基坑涌水量約6 840 m3/d，基坑內外水位差約為28 m，其中，坑內水位降深約33 m，標高1 856 m，坑外水位降深約為7 m，標高1 882 m。通過模型的計算分析，該降水井布置方案能夠滿足一期基坑降水要求。

2) 二期基坑計算結果。如圖6所示，當西端頭開挖工作面涉及的二期基坑內布置13口降水井時，單井出水量為240～480 m3/d，基坑涌水量約3 620 m3/d，基坑內外水位差約為27 m，其中，坑內水位降深約33 m，標高1 856 m，坑外水位降深約為6 m，標高1 883 m。經數值計算分析，該降水井布置方案能夠滿足二期基坑降水要求。

圖5 一期基坑降水后水位標高等值線圖

Figure 5 Isoline map of water level elevation after dewatering of the foundation pit in the 1stphase

圖6 二期基坑降水后水位標高等值線圖

3) 降水引起的地表沉降分析。根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)，結合水位標高等值線圖，基坑降水引起周邊地表沉降可按式(6)計算。

式中：為計算剖面的地層壓縮變形量，m；Ψ為沉降計算經驗系數，應根據地區工程經驗取值，無經驗時，宜取1；Δ′為降水引起的地面下第層土的平均附加有效應力，kPa；對黏性土，取降水結束時土的固結度下的附加有效應力；Δh為第層土的厚度，m；土層的總計算厚度應按滲流分析或實際土層分布情況確定；E為第層土的壓縮模量，kPa，應取土的自重力至自重力與附加有效應力之和的壓力段的壓縮模量。

基坑周邊地表沉降等值線圖如圖7所示，經計算最大沉降量約為20 mm，小于累計變形報警值30 mm，滿足規范要求。

圖7 降水引起地表的沉降等值線圖

綜上所述，通過數值模擬驗算，在基坑內布置共計37口降水井能夠滿足相關降水要求。但需要注意的是，基坑地下連續墻內外存在較大的水位差，極易發生管涌、滲漏，因此必須布置坑外備用井。

2.3 降水設計參數

1) 井點布置。由數值計算分析結果可知，除在基坑內布置37口降水井外，有必要布置坑外備用井?？油鈧溆镁鳛榭油馑挥^測井使用，對基坑開挖期間地下水位變化進行實時監測，一旦出現異常，可迅速開啟坑外備用井，適當降低坑外水頭壓力。另一方面，若因地下連續墻滲漏造成坑外水位降深及地層沉降過大時，可對坑外井進行回灌，控制坑外水位降深。

綜上所述，結合類似工程降水經驗，在基坑內外布置77口降水井：坑外備用井40口，坑內降水井37口。其中，坑內1類降水井作主要疏干井且深入底板以下至少7 m，坑內2類降水井深入至地下連續墻底部的承壓水層中以適當降壓，防止底板突涌，為施工提供安全保障。車站基坑降水井平面布置如圖8所示。

圖8 火車北站降水井平面布置

2) 井深確定。根據《建筑與市政工程地下水控制技術規范》(JGJ 111-2016)，降水井的深度可按式(7)確定：

式中：H為降水井深度，m；H1為基坑深度，m；H2為降水水位距基坑開挖基底要求深度，m，本次計算取值1 m；H3=×0，為水力坡度，在降水井分布范圍內宜為1/10～1/15；0為降水井分布范圍內的等效半徑或降水井排間距的1/2 m；H4為降水期間的地下水位變幅，m，取1 m；H5為降水井過濾器工作長度，m，取3～6 m；H6為沉淀管長度，m，取1.0 m。

經上式計算，確定各類井管相關參數為：1類降水井井深取50～60 m，降水井采用直徑273 mm、壁厚5 mm鋼管，下設1 m沉淀管，開挖面以上設置實管；2類降水井井深取45 m，降水井采用直徑273 mm、壁厚5 mm鋼管，下設1 m沉淀管，開挖面以上設置濾管，增強疏干效果；坑外備用井井深取45 m，采用直徑273 mm、壁厚4 mm鋼管。3類降水井結構如圖9所示。

3 降水工藝及應用效果

3.1 降水井施工工藝及控制技術

降水井成孔時采用反循環回轉鉆進成孔工藝。因含水層地層顆粒較細，為保證孔壁穩定，施工過程中泥漿比重宜控制在1.10～1.15 g/cm3，且盡量采用地層自然造漿。施工鉆孔至設計成井深度后，進行鉆孔清洗與泥漿更換，將泥漿比重調整至1.05 g/cm3左右。采用懸吊下管法下放井管，井管底部采用鋼板焊接封堵，確保焊接牢固、焊縫均勻。井管下放完畢后，進行濾料回填，濾料沿井壁四周均勻填入，濾料回填后應在8 h內洗井直至井水洗清達到規范要求為止。洗井時若出現井水中含有濾料，應停止洗井，檢查原因進行處理，必要時要報廢掉，并按封井要求進行封井。

降水井施工質量控制標準如表2所示。

圖9 降水井結構示意圖

3.2 施工降水控制措施

根據實際工程經驗，當地下連續墻深度達70 m及以上時難以達到100%止水效果，墻體接縫處可能出現滲漏，坑外地下水攜帶大量地層顆粒進入基坑將引發水土流失。因此，擬采取以下措施減少火車北站基坑開挖降水對周邊環境的影響：

1) 基坑降水井施工完畢后，坑內進行生產性抽水試驗，觀測坑外水位變化情況，判斷地下連續墻止水效果，對圍護結構缺陷處提前處理。

表2 降水井施工質量控制標準

2) 基坑開挖過程中密切監測地下連續墻滲漏水情況，一旦發現，立即進行封堵，防止長時間漏水帶砂，導致地層出現嚴重水土流失現象。

3) 對于滲漏點大或者坑底管涌，封堵困難時，可開啟坑外備用井，適當降低坑外水頭壓力，防止坑外土體流失造成不均勻沉降，及時封堵后停止抽水，坑外抽水時，密切監測坑外沉降情況。

4) 控制成井質量，抽水含砂量滿足規范要求，防范抽水帶走地層中的細顆粒。

3.3 現場監測結果分析

火車北站基坑開挖涉及地層以松散圓礫層為主，基坑開挖降水將導致地層中大量的土顆粒隨地下水被帶走，同時土層內液壓降低，土體顆粒間的有效應力增加，進而引發周圍地層出現不均勻沉降。此類沉降量通常與地下水位變化有關，施工中如不采取正確的降水措施將導致大面積破壞性地層沉降出現，嚴重危及施工與周邊環境安全。因此，有必要在基坑開挖期間，對坑外水位降深變化及地表沉降變化展開實時監測，根據觀測結果采取相應措施。

火車北站基坑監測水位降深與水位觀測點附近所對應的地表沉降最大值如表3所示。

由表3看出，各測點水位降深越大，對應地表沉降最大值越大：基坑小里程西端頭最大水位降深為2.17 m，地表沉降最大值8.74 mm；基坑標準段最大水位降深2.41 m，對應地表沉降最大值10.88 mm；大里程東端頭最大水位降深2.06 m，對應地表沉降值7.91 mm。各測地表沉降最大值集中出現在距基坑邊緣4.5～9.5 m范圍。

圖10為部分基坑測點監測所得坑外水位變化趨勢。

表3 火車北站監測水位降深與地表沉降值

圖10 地下水位時程曲線

由圖10可知，隨著基坑開挖降水，各監測點位水位均出現不同程度的下降。以基坑小里程西端頭為例，測點DSW-1與DSW-15隨基坑開挖后，水位呈緩慢下降，最大累計降深不超過1 m，水位變化較為穩定。相較之下，測點DSW-3處水位在基坑開挖后，水位下降較為明顯并于40 d后逐漸穩定，水位累計最大降深約2.5 m。基坑標準段及大里程東端頭坑外水位同樣在基坑開挖初期呈緩慢遞降趨勢，約60 d后水位下降速率開始減小，最終收斂穩定并出現一定回漲?；訕藴识嗡蛔罱K累計最大降深約2.41 m，大里程東端頭水位最終累計最大降深約2.8 m。

監測結果表明，火車北站基坑開挖期間，坑外水位變化較為穩定，由降水引起的周圍地表沉降值均在安全允許范圍內，基坑開挖過程中很好地控制了施工對周邊環境影響，保證了基坑與圍護結構的安全穩定。

4 結論與思考

結合昆明軌道交通4號線火車北站深大基坑工程特點與水文地質特征，采用數值模擬手段對基坑降水方案進行了模擬驗算，設計了坑內降水井降水、坑外布置備用井的降水方案，并總結了降水施工工藝。結合現場監測數據可知：實際施工過程中水位變化較為穩定，地表沉降滿足規范要求，基坑降水控制效果理想，并未對周邊環境造成較大影響。研究成果為富水圓礫地層深大基坑降水設計思路提供了借鑒與參考，為類似地層條件下基坑工程降水設計與施工積累了相關經驗。

由于實際工程具有不確定性，無論是圍護結構施工還是基坑降水都無法達到理想效果。因此，實際施工過程中對于圍護結構滲漏水、基底地下水殘留等現象的治理措施仍需不斷總結完善，在基坑開挖施工過程中做好防患于未然。

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Dewatering Design and Application of Deep and Large Foundation Pit Construction in Gravel Stratum

LIAN Zheng1, SHEN Yusheng1, ZI Xiaoyu1, YOU Yuanming2, WANG Jin3

(1. Key Laboratory of Transpotation Tunnel Engineering of the Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031; 2. China Railway Development Investment Group Co., Ltd., Kunming 650118; 3. Urban Rail Transit Engineering Branch Co., Ltd., of CTCE Group, Hefei 230022)

In the construction process of deep and large foundation pits, groundwater is the key factor that affects the stability of deep and large foundation pits. If it is not handled properly, it is easy to cause safety accidents in the construction of deep and large foundation pits. At present, the dewatering design and technology of large-scale foundation pit engineering in water- rich geology are strict, and the application is less, so it is necessary to carry out in-depth research. Based on the engineering example of the deep foundation pit of Kunming Rail Transit Railway North Station, combined with the hydrogeological characteristics around the station, this paper designs the dewatering scheme of dewatering wells in the pit and arranging standby wells outside the pit. The dewatering scheme of the foundation pit is calculated and simulated by VisualModflow numerical simulation software. The calculation results show that the dewatering scheme can meet the requirements of foundation pit dewatering, and the surrounding surface subsidence caused by foundation pit dewatering is within the allowable safe range. At the same time, it is further verified by the on-site monitoring data that during the excavation of the foundation pit of the North Railway Station, the change of groundwater level is relatively stable, and the surrounding surface settlement meets the requirements of the code. The dewatering scheme has reference and guiding significance for the dewatering design of similar deep and large foundation pits.

subway engineering; foundation pit dewatering; water-rich boulder formation; precipitation scheme; surrounding surface subsidence

U231.1

A

1672-6073(2021)02-0104-07

10.3969/j.issn.1672-6073.2021.02.017

2020-01-09

2020-04-29

連正，男，碩士研究生，主要從事地下工程施工力學方向研究，2889554355@qq.com

國家重點研發計劃(2019YFC0605104)

連正，申玉生，資曉魚，等. 圓礫地層深大基坑施工降水設計及應用研究[J]. 都市快軌交通，2021，34(2)：104-110.

LIAN Zheng, SHEN Yusheng, ZI Xiaoyu, et al. Study on dewatering design and application of deep and large foundation pit construction in gravel stratum[J]. Urban rapid rail transit, 2021, 34(2): 104-110.

（編輯：郝京紅）