黏土含砂姜地層和基巖裂隙中基坑降水設計

鮑青林

（中鐵十七局集團上海軌道交通工程有限公司，上海 200135）

1 工程背景

1.1 工程概況

徐州市城市軌道交通6號線一期工程為一條反“L”形軌道交通線路。工程起點為黃山路與湘江路交叉口的黃山路站，途經銅山區、云龍區與開發區，聯系了銅山新區、新城區及高鐵東站，串聯銅山新區中心、新城行政商務中心、新城區客運站、高鐵站等大型客流集散點。線路主要沿湘江路、利民路、漢風路、云臺路敷設，終止于徐州東站東廣場。6號線一期工程線路全長約22.912km，平均站間距1.496km，最小站間距為0.809km（徐州一中站至奧體中心北站），最大站間距為3.072km（京滬高鐵西站至大湖北站），全部為地下線，共設站16座。黃河東路站位于黃河東路與長安路交叉口處西南象限地塊內，沿規劃道路東西向設置，車站中心里程CK18+691.784，車站起止里程為右CK18+560.484～CK18+768.484。車站結構形式為地下二層單柱雙跨車站，車站形式為11m島式站臺，車站長度為201.0m，標準段寬度為19.7m，底板埋深18.4m，頂板覆土3m。圍護結構為φ1000mm@1300mm鉆孔灌注支護，灌注嵌固深度入中風化灰巖2.5m，車站兩端設盾構井。

1.2 地質條件

黃河東路站場地從上往下地層為（1）-2素填土、（2）-3a-3黏土、（5）-3a-4b含砂姜黏土、（5）-3a-4a黏土（11）-2-3中風化石灰巖。基坑底板位于（11）-2-3中風化石灰巖。（11）-2-3中風化石灰巖鉆孔見洞率為66.67%，單孔線巖溶率為1.08%～31.51%，平均線巖溶率為6.55%。地質縱斷面圖如圖1所示。根據本次勘察所揭示的地層情況，勘探深度內所揭露地層從新到老詳細分述如下。

（1）-1雜填土，雜色，松散，以水泥路面、碎石、建筑垃圾為主，夾少量黏土，主要分布在1B號出入口，填齡大于10年。該層厚度為2.50m～3.80m，平均厚度為2.93m，層底標高為28.29m～30.02m。（1）-2素填土，灰黃色，松散，以黏土和粉土為主，夾少量碎石塊和植物根系等，局部變成為混凝土路面，場區內普遍分布，填齡大于10年。該層厚度為0.40m～2.30m，平均厚度為1.62m，層底標高為28.92m～30.90m。

（2）-3a-3黏土為灰黃色～黃褐色，可塑（局部軟塑），有光澤，干強度中等，韌性中等。ES=8.3MPa，av=0.23MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為0.90m～3.40m，平均厚度為2.46m，層底標高為26.60m～28.72m。

（5）-3a-4a黏土為黃褐～灰褐色，局部棕紅色，硬塑，切面平整，有光澤，含鐵錳結核，局部含鈣質結核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，含量約3%～5%，干強度高，韌性高。=11.1MPa，=0.17MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為1.30m～12.90m，平均厚度為4.69m，層底標高為9.32m～21.32m。（5）-3a-4b含砂姜黏土（鈣質結核富集層）為黃褐～灰褐色，硬塑，切面粗糙，含鐵錳結核，含較多鈣質結核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，部分粒徑可達10cm，含量約15%～30%，局部鈣質結核富集。干強度高，韌性高。=11.3MPa，=0.16MPa-1，中等壓縮性。該層厚度為2.10m～8.60m，平均厚度為6.32m，層底標高為18.92m～25.41m。

（8a）-1全風化閃長巖為灰綠色～灰黃色，巖石已風化成砂土狀，蝕變強烈，手易捏碎，遇水易軟化；內部夾大量風化巖屑，局部偶夾風化碎石。本次勘察僅在D6X2S4Z7號勘探孔揭露。（8a）-2強風化閃長巖為灰綠色～灰黃色，巖芯以碎塊狀為主，局部呈短柱狀；礦物成分以斜長石、輝石、角閃石、黑云母為主；巖石風化強烈，敲擊易碎，屬極軟巖，巖體基本質量等級為Ⅴ級。本次勘察僅在D6X2S4Z7號勘探孔揭露。（8a）-3中風化閃長巖為灰綠色，礦物成分以斜長石、輝石、角閃石、黑云母為主，巖芯呈柱狀，巖體較破碎～較完整，TCR=65%～90%，RQD=25%～60%；天然單軸抗壓強度：45.0MPa～53.0MPa，平均值為49.0MPa；飽和單軸抗壓強度=40MPa，屬較硬巖，巖體基本質量等級為Ⅲ～Ⅳ級。本次勘察僅在D6X2S4G8、D6C2S4Z1號勘探孔揭露。

（11）-2-3中風化灰巖為灰色，隱晶質結構，中厚層狀構造，巖芯呈柱狀、局部為短柱狀、碎塊狀，錘擊聲脆且回彈，巖體較完整～完整，局部裂隙較發育，有溶蝕現象，=70%～95%，RQD=60%～85%；天然單軸抗壓強度為27.5MPa～98.8MPa，平均值為63.5MPa；飽和單軸抗壓強度為30.3MPa～92.9MPa，平均值為59.0MPa，屬較硬巖～堅硬巖；巖體基本質量等級為Ⅱ～Ⅲ級。（11）-2-3p中風化灰巖（破碎）為灰色，隱晶質結構，層狀構造，巖芯破碎，呈碎石、碎塊、間夾短柱狀，節理裂隙發育，方解石充填。屬較硬巖，巖體基本質量等級Ⅳ～Ⅴ級。（11）-0溶洞為空洞。（11）-5溶洞為半充填，充填物主要為褐黃色可塑～硬塑黏土夾灰巖碎塊。（11）-6溶洞為全充填，充填物主要為褐黃色可塑～硬塑黏土夾灰巖碎塊。

1.3 水文條件

根據勘察資料，場地范圍內地下水分為上層滯水、孔隙水（含砂姜黏土中的水）和碳酸鹽裂隙溶洞水。

弱承壓水主要賦存于含砂姜黏土層中，其含較多鈣質結核（砂姜），≈0.5cm～4cm，滲透系數=3.0×10cm/s。該地層與地表水有一定水利聯系，基巖裂隙水基本不補給，穩定水位埋深為3.10m～7.50（標高23.67～28.33）m。承壓水主要為基巖裂隙水，滲透系數=8.44×10cm/s，雨季與旱季水位年變幅5.0m～10.0m。施工期間最淺水位埋深9.5m，標高21.51m，水位位于結構底板以上，對施工影響較大。主要賦存賦存于奧陶系灰巖中，具有承壓性，隔水頂板為（5）-3a-4a黏土層。碳酸鹽巖裂隙溶洞水補給來源主要是大氣降水入滲補給和側向徑流補給；徑流在丘陵區受地形控制，由高處流向地處平原區，但在平原區受人工開采影響，巖溶水表現為由四周流向開采降落漏斗中心的匯流型徑流，水力梯度較大；排泄以人工開采為主。地下水動態一般每年雨季降水高峰期后1～2個月（8、9月）巖溶水達到最高點，隨后水位逐漸下降，至次年旱季末（4、5月）水位下降至最低點，年變幅5m～10m。詳勘抽水試驗結論如下。建立抽水試驗概念模型為承壓非完整井穩定流抽水，基巖含水層頂板埋深約16.40m～17.10m，承壓水頭高度約為7.00m～8.10m，綜合建議黃河東路站⑾-2-3層石灰巖含水層滲透系數取7.29m/d。

1.4 地基土物理特征參數表

擬建場地地基土層相關力學參數見表1。

表1 地基土主要物理特性參數表

1.5 周邊環境情況

黃河東路站位于黃河東路與長安路交叉口處西南象限地塊內，沿規劃道路東西向設置，基坑東側為南北向布設的城市主干道長安路為雙向6車道，主干道兩側各設置1處8m的輔道，黃河東路站東側25m處有一座220kV沙七線電力鐵塔，基礎為鋼筋混凝土擴大基礎；長安路上敷設有DN400給水管、DN200給水管、DN400燃氣管、DN200燃氣管、通信光纜、DN600雨水管等；附屬結構北側分布有寬度為5m、深度為2.5m的石砌蓋板結構雨水暗渠，連接東風河與奎河，便于東風河汛期往奎河泄壓；車站西側和南北均無建構筑物；黃河東路站周邊有兩條河流分別為東風河和奎河；黃河東路車站周邊環境整體較好。

2 降水設計

2.1 坑內疏干井設計

黃河東路站止水帷幕施工工藝采用三軸攪拌樁，該止水帷幕設計思路為嵌入（5）-3a-4a黏土隔水層但未穿透，隔斷的土層主要有（5）-3a-4b含砂姜黏土以上土層，所以基坑內降水總體思路為疏干基坑內（5）-3a-4b含砂姜黏土層中的弱承壓水，根據設計參數井管采用直徑400mm的井管時，有效降水面積為300m，車站基坑面積4088 m，得出基坑內設置15口疏干井。

2.2 坑內泄壓井設計

根據該工程地層，基坑底板開挖至（11）-2-3層中風化石灰巖中，采用降水井結合明排進行降水。針對結構抗浮措施，采用開挖至基底后，探明基巖裂隙水后，預埋直徑為400 mm鋼管，根據抗浮驗算，每段底板設置1口泄壓井，滿足抗浮要求后進行封井。

2.3 坑外減壓井設計

考慮到止水帷幕未有效隔斷（11）-2-3中風化石灰巖裂隙水，又考慮到基坑內（5）-3a-4a黏土層為基巖裂隙水隔水層不能被破壞，所以采用坑外減壓降水設計；根據現場抽水試驗基底（11）-2-3中風化石灰巖滲透系數=8.44×12，根據減壓井降水能力驗算，基坑外共設置16口。

該車站承壓水主要碳酸鹽巖裂隙溶洞水，施工期間水位降至底板開挖面以下0.5m。坑底抗滲流穩定性可按式（1）驗算，如圖1所示。

圖1 基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理示意圖

式中：P—承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；P—初始狀態下（未減壓降水時）承壓水的頂托力，kPa；h—承壓含水層頂面至基底面間各土層的厚度，m；γ—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m；—高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；γ—水的重度，工程上一般取10，kN/m；F—安全系數，根據規范該工程取1.10。

對車站進行承壓水突涌計算見表2。

表2 承壓含水層抗滲流穩定性驗算表

對明挖基坑工程采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）附錄E中承壓水非完整井公式來估算基坑降水的涌水量，基坑涌水量估算見表3，計算公式如下。

表3 基坑涌水量估算表

單井出水能力按公式（3）計算，需要降壓井數量=1.1/。 （3）

式中：r為過濾器半徑；取0.1625m，為過濾器進水長度，取2.0m；取（11）-2-3中風化石灰巖的滲透系數7.29 m/d。考慮到承壓水為非均一性，還需確保每個降壓井的單井承壓水出水量不至于過大，造成降水、封井困難，降壓井數量計算見表4。

表4 降壓井數量計算表

降壓井深度可按式（4）進行計算：

式中：為井點管埋設深度（m）；為基坑深度；為降水后水面距基坑底的深度（m），取0.5m；為基坑等效半徑（m），取36 m；為過濾器工作部分長度（m），取2.0 m；為沉砂管長度，取1.0 m。

2.4 降水井結構

止水帷幕已完成隔斷（5）-3a-4b含砂姜黏土層，（5）-3a-4b含砂姜黏土弱承壓水層與上部滯水一起疏干考慮，疏干井深度不穿透（5）-3a-4a黏土隔水層。疏干井深度隨著（5）-3a-4a黏土隔水層的變化而變化，疏干井深度11～13m；機械成孔直徑0.6m，下管直徑0.4m；管井采用鋼管，壁厚3mm，過濾器采用“橋式管”，沉淀管為1.0m。

（11）-2-3中風化石灰巖裂隙水主要來源于基巖發育裂隙中，結合（11）-2-3中風化石灰巖頂部高程不同，減壓井深度為23.8m～25.4m；機械成孔直徑0.6m，下管直徑0.325m；管材采用鋼管，壁厚3mm，過濾器采用“橋式管”，沉淀管1.0m。

坑外觀測孔共設置16孔，均勻布設在坑外，采用55PVC井管（與車站監測共用），深度與基坑底部同深，觀測孔深度為16.6m～18.3m。

3 結語

施工結果證明：1）基坑內只設置疏干井可以隨著基坑開挖的進行，井口的高度隨基坑土的高度下降而下降，基坑內施工作業面干擾小。2）基坑內設置疏干井，對（5）-3a-4a黏土隔水層及以上土層疏干效果較好。3）減壓井在基坑外設置既不影響車站結構施工，又能降低施工成本。4）坑外減壓井一直可以無干擾地運營到車站結構具備抗浮要求后，進行封井處理。