地铁基坑降水设计思路及方法探讨

张穆童

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)



地铁基坑降水设计思路及方法探讨

张穆童

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京100055)

Discussion on the Design Idea and Method of the Foundation Pit Dewatering of the Subway Station

ZHANG Mutong

摘要对地铁基坑内降水的施工技术进行研究，分析地铁基坑降水施工过程中可能出现的问题及改善方法。降水施工期间要加强对基坑内、外地下水的监测，避免“内抽外补”的水力联系。应加强基坑全过程的降水控制，可以避免基坑“落底”后基底的“橡皮土”现象，提高土体承载力，确保基坑施工安全。

关键词地铁基坑降水土体强度工程工期

1概述

地铁明挖基坑多为深基坑结构，在深基坑设计、施工过程中，除要对基坑内力、变形、稳定性等进行控制外，地下水的降、排及水位监测也成为制约项目正常开展的主要因素，也是影响施工安全的重要隐患。在地铁修建过程中，由于基坑降水处理不当而引发的施工安全事故数量非常多，不仅给社会经济带来了不利的影响，也延长了项目的施工周期。如何能够有效地避免地铁基坑降水问题成为地铁施工项目中的重点研究内容。

目前为止，我国地铁基坑降水多指基坑内降水，大面积区域性的坑外降水虽然能降低水头压力，但对地下水位及周边环境影响较大，适用范围受限。结合基坑围护结构支护形式，止水型基坑多采用桩+旋喷桩、地下连续墙、咬合桩、SMW等支护形式[3]，将基坑围合成封闭结构。在基坑开挖前对基坑围合范围内的地下水进行排除，降低坑内土体含水量，提高坑内土体强度，方便挖掘机和工人在坑内施工作业；同时，将地下水位降至安全水位以下，增加基坑底板稳定性，确保基坑施工安全。地铁深基坑施工过程中如果能够合理、有效地控制地下水的降排，可为施工质量、工程周期、安全风险防范提供可靠的保障。

2基坑降水技术的要点分析

2.1不同地质条件下降排水方案的选择

降水设计前，需结合地质勘察报告，根据地层信息及地下水情况对降、排水方案进行选择。对于基坑开挖范围内多以透水性差的黏性土或完整性较好的岩石为主的情况，虽然地下水位较高，但水量一般不会很大，多为浅层填土范围内的一些上层滞水，在基坑开挖过程中采用明沟排除的方式即可。对于基坑开挖范围内多以透水性好的砂性土或碎裂风化岩破碎带为主，且地下水位较高，涌水量较大的情况，要采用基坑内井点降水，且增加降水井数量；同时，对于透水性较强，内、外水力联系明显的基坑，需做好有效的止水措施，隔断基坑内地下水补给。对于基坑开挖范围内多以透水性中等(含水量较大，渗透系数介于黏性土与砂性土之间，土体内含水不易排出)的粉土、粉砂为主的情况，应该延长降水时间，采用大口径降水井，特别是要加强在基坑开挖过程中对降水井的保护，确保降水工作能够伴随基坑开挖的整个过程。

2.2典型含水基坑特征分析及处理对策

地下水主要存在于透水性中—强的土层中，国内地铁基坑中第四系土层中主要的含水层包括粉土、砂性土、淤泥质土等饱水地层，往往透水层间还局部夹杂黏性土隔水层。隔水层的密闭性，使层间透水层含水具有一定承压性，或砂性土与黏性土互成透镜体，基底以下砂性土夹层，易产生坑底突涌现象[6]。如果基坑止水效果不佳，局部或多点产生渗漏，造成坑外地下水土流失，引起坑外地表过大沉降，会对周边环境产生不利影响。

根据以上基坑工程地下水情况特征，为方便基坑开挖，提高坑底及临时边坡的稳定性，在基坑内设置降水井，对开挖范围内土体进行有效疏干。对不同地层的渗透系数与涌水量进行分析，加密或加深降水井，提高降水效率。对围护结构未能隔断基坑内、外水力联系的情况，按悬挂式止水帷幕处理，设计时采用数值法进行分析，计算出该类工况下的地下水渗流特征，并对侧壁、基底渗漏或涌水严重地段进行封堵。将降水施工作为一项动态施工过程，实时监测，实时反馈，对基坑内、外地下水进行有效控制。

2.3施工要点

地铁施工过程中，基坑降水成孔时首先要充分考虑地铁基坑降水施工的环境特点，提前分析在施工过程中可能会出现的一些问题。为了能够保障基坑降水的正常进行，要选择合适的挖钻机，同时要考虑基坑降水井的钻孔施工过程会受到沉淀物沉积的影响，所以要保证实际建设的基坑降水井的深度要略大于设计深度。清孔时，首先要对基坑降水管道做清孔操作，然后再将降水井管放入到基坑中。在完成整个操作过程后，一般使用清水进行置换，然后再使用相关的泵将泥浆等物质抽出，最后进行下井管的操作。下井管操作完成后，就要进行基坑降水施工的填滤料操作，一般将滤料填至大约到地铁基坑降水井井口下方1 m左右的位置，然后在滤料的上部用黏土进行夯实[4]，最后进行洗井处理。

3基坑降水方案的设计

3.1降水方法

为了保障基坑降水的施工质量，在进行降水方法设定时一定要结合施工现场的地质条件，同时将电渗、轻型和管井等降水方式进行对比分析[5]，选择最为合理的降水方法。在选择降水方法时，一定要把握好降水方式对围护结构以及基坑开挖的影响。本文主要分析管井工法，因为这种方法适用范围广、降深范围大[1]。

通常地铁基坑采用封闭式管井降水，以确保降水效果。当主体结构施工后，结构荷载满足基坑抗渗流稳定验算时可停止抽降；降水井随主体结构底板的施工逐渐废除，并进行封堵处理。若主体结构两端设注浆加固区，应先进行注浆加固，后施工加固区降水井。为了及时了解地下水情况及降水实施效果，在基坑外侧布置水位观测孔，根据观测孔的地下水位，及时调整泵型泵量，以确保良好的降水效果。同时，施工期间应对管线渗漏水及时疏导，加强监测。

3.2降水设计参数的确定

根据地质资料、围护结构类型以及基坑开挖深度等资料，对于基坑开挖范围内主要为黏性土，土体中含水主要为上层滞水的情况，采用明沟排水的降水方式。对可能引起突涌的下部承压水或含水砂性土情况，采用管井降压疏干的方式治理。

在设计过程中首先根据基坑内土层性质及土体体积，计算出总体涌水量。根据降水井成井工艺、滤管及滤料等因素影响，确定设计单井出水能力，然后推算出降水井眼数，并均匀布置于基坑长度范围。降水井的深度应根据降水深度、含水层的埋藏分布、地下水类型，降水井的设备条件以及降水期间的地下水位动态等因素确定。

3.3施工注意事项

首先，降水井位施放时必须详细调查核实场区地下管线分布情况，当无法确定时可采用人工开孔的方法，当确认地下无各种管线后方可施工。为避开各种障碍物，降水井间距可作局部调整，且降水井总量不得减少。对于明挖基坑施工，应先施工支护结构后施工降水井，建议采用反循环成井，当采用其它成井方式时，必须保证洗井效果。施工时要确保滤层填料的粒径与级配，同时井管外还要用尼龙网包裹好，避免泥沙进入井管形成堵塞。

原则上在基坑开挖前需将坑内的积水及时排除或降至基底以下0.5～1.0 m，确保施工过程中基坑底部的干燥，保证基坑底部的强度和稳定性不受积水的破坏。为了达到这个目的，除在基坑开挖前应该做好降、排水系统外，并且要保证降、排水施工伴随整个基坑开挖乃至土建全过程；这就要求在基坑开挖过程中做好对降水井的保护。坑内降水井可采用两类降水井，一类降水井为全孔滤管的疏干井，管材采用无砂混凝土管，随开挖深度的增加逐步拆除，不影响开挖作业，基坑开挖至设计高程后即可封井；另一类降水井需要在基坑底板施工完后继续抽水，开挖过程中需要保留，管材采用钢管，在基坑底板附近设置实管，便于后期封井。

4常见基坑降水施工问题及预防措施

4.1降水不能达到标准要求

在基坑降水的施工过程中，很容易出现降水后的水位仍然不能满足基底下1 m要求的情况。之所以出现这种情况，主要原因有两点，一点是降水井的滤料质量不过关，洗井质量没有达到相关的标准要求，导致降水工作出现问题；另外一点是降水井的深度没有达到要求。

为了避免这种问题的发生，在选择滤料时，一定要进行筛选，滤料粒径不能大于50 mm。在进行滤料填充前，要对所筛选的滤料碎石进行清洗，严格按照设计方案对滤料回填的时间以及高度进行控制。为了保障洗井的质量，可以采取活塞往复洗井的方式，这种方法可以有效的将孔内沉渣清理出来。最后再利用水泵进行抽水工作，同时观察井管的出水量及排水情况。降水井的施工工作完成后，一定要有专人进行测量，保证井深满足相关设计要求。

4.2坑外侧壁水头压力大

在基坑开挖范围内多为透水性好的砂性土时，往往会遇到围护结构侧壁水头压力大，围护结构渗漏水严重的情况。这种情况发生时，应对渗漏区采用双浆液、旋喷桩等方式进行封堵[12]。由于土层透水性好，渗漏水严重，给封堵施工造成一定难度。同时，封堵后会加大侧壁水头压力，若围护结构强度、刚度储备不够时，在侧壁压力作用下会增大围护结构的变形及内力，给基坑的稳定性造成隐患[8-9]。

对于这种情况，建议在基坑外围布置一圈备用井，以备封堵渗漏时，适当使用坑外降水井泄压[7]；但要注意环境条件是否允许，同时加强对周边地表沉降及建(构)筑物变形的监测，因为坑外水土流失会改变土体物理力学性质，特别是带有湿陷性或膨胀性的土体，失水后孔隙水压力减小，土体重新固结，有效应力增加，易造成基坑周边土体的变形或沉降[2]、[11]。待渗漏处封堵后即停止坑外抽水，若外部地表沉降较大，必要时对坑外备用井进行回灌。

4.3基底浸水

有些地铁基坑在开挖至基底时，由于基底土层含水量大或渗透性好，止水措施未能完全隔断水源补给，在基坑内外水头差作用下，基底“回水”速度快，造成土体含水后泥泞或呈“橡皮土”状，影响机械开挖和底板施做。这种现象的产生往往是因为初期降水完成后，在基坑开挖时，未对降水井进行保护，直接将降水井挖除或破坏，造成降水总时效不够。

对于这种基底“回水”情况，除了后期增设降水井外，建议参考上述“3.3施工注意事项”中提及的方法。前期方案时考虑采用两类降水井，为基坑后期浇筑底板乃至整个主体结构时预留降水条件。同时对于部分未封井的降水井，可在基坑底板以下设置滤管，基坑底板附近设置实管，在基坑底板施工完后继续抽水运行，可同时解决结构浇筑过程中的抗浮问题。

4.4水位相差过大

在对基坑降水施工过程进行测量时，常常会出现降水井的水位很低，但是基坑水位却很高的情况，经过详细分析后发现，引起这个问题的原因也可以总结为两点，一点是降水井的水渗入量不能满足抽水泵的需求，导致水井抽空，水井的水位因此而下降；另外一点是基坑附近的管道有被破坏的部位，其它地方的水流通过这些部位进入基坑。

为了避免这种问题发生，在进行抽水时一定要首先选择大功率的水泵进行工作，当抽水接近满足需求时，再选择小功率的水泵进行工作，这样循环使用大小功率水泵的方式可以有效提高降水效果。在基坑降水施工前，还要对施工附近的管道进行详细的检查，如果发现受到损害的部位，要及时修复，防止其它地方的水流进基坑，影响施工。

5结论

(1)良好的基坑降水技术可以充分减少土壤中的水分，使土体更加固结，提高坑内土体强度，增加被动区土抗力[10]。

(2)加强基坑开挖全过程的降水控制，可以避免基坑“落底”后，基底“橡皮土”现象，提高土体承载力，确保基坑施工安全。

(3)降水施工一定要加强对基坑内、外地下水位的监测，避免内抽外补的水力联系；在基坑外启用备用井降水施工时，更要加强对周边环境的监测，做到抽、补平衡。

参考文献

[1]刘树群.井点降水法在工程中的应用[J].铁道勘察，2013，39(4)：63-66

[2]王文峰.对基坑降水引起周围建筑物沉降的预测及其防治措施[J].铁道勘察，2013，39(4)：48-50

[3]杨光华.广东深基坑支护工程的发展及新挑战[J].岩石力学与工程学报，2012，31(11)：2276-2284

[4]张露云.大型地铁站深基坑降水施工技术研究[J].中国科技博览，2011(7)：195

[5]王继刚.地铁深基坑降水施工技术[J].中国水运，2012(4)：215-216

[6]章昕.深基坑降水技术浅析[J].岩土工程学报，2010，32(s2)：443-446

[7]王建秀，吴林高，胡力绳，等.复杂越流条件下超深基坑抽水试验及工程应用[J].岩石力学与工程学报，2010(S1)：3082-3087

中图分类号：U231； TU46+3

文献标识码：B

文章编号：1672-7479(2016)01-0049-03

作者简介：张穆童(1983—)，男，2006年毕业于北方工业大学土木工程专业，工程师。

收稿日期：2015-11-19