苏州地区深基坑承压水降水风险分析与控制——以苏州地铁5号线竹园路站为例

毛则飞，李晓利

(1．安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000；2．安徽省地质矿产勘查局三一二地质队，蚌埠 233000)

苏州地区深基坑承压水降水风险分析与控制
——以苏州地铁5号线竹园路站为例

毛则飞1，李晓利2

(1．安徽省地勘局第一水文工程地质勘查院，蚌埠 233000；2．安徽省地质矿产勘查局三一二地质队，蚌埠 233000)

随着苏州地铁网络的发展，地铁车站开始往26～30 m以下的超深基坑进行发展。随着未来地铁6号线的开建，超深基坑将成为苏州地铁建设的主要施工方向。随着基坑深度的增加，承压水对基坑的安全影响越来越大，为了保证基坑安全，避免承压水常见危害流砂、管涌、突涌的发生，对于超深基坑承压水应将水位降至开挖面以下。在采用数值模拟进行降水设计的基础上，采取相应的技术措施来控制和减少承压水降水对基坑安全造成的风险。

深基坑降水；承压水；基坑安全

1 工程概况

苏州地铁5号线竹园路站位于竹园路与滨河路交汇处，车站北侧为创业大厦，南侧为香缇国际城市综合体，东北侧为紫兴纸业厂区，东南侧为赛格电子市场，场地周边环境较为复杂。车站周边环境平面示意图见图1。

竹园路车站设计为3、5号线地下换乘车站，先期施工5号线部分。5号线车站为为地下3层车站，车站标准段开挖深度约24.6 m，端头井开挖约26.4 m，基坑深度较深。车站围护结构采用1 m厚地下连续墙，深度为50 m，进入了⑦3层粉质粘土夹粉土层。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质情况

场地范围内自上而下主要土层为：①1杂填土层、①3素填土层、③1粘土、③2粉质粘土、④2粉砂夹粉土、⑤1粉质粘土、⑦2粉土夹粉质粘土、⑦3粉质粘土、⑦4粉土夹粉质粘土。车站地质剖面图见图2。

图1 车站周边环境平面示意图

图2 车站地质剖面图

2.2 水文地质条件

本文主要讨论承压水对基坑安全的影响。根据本次勘察揭露地层情况，本车站承压水含水层主要为⑦2粉土夹粉质粘土及⑦4粉土夹粉质粘土中，因⑦3粉质粘土夹薄层粉土，具备储水条件，故⑦2和⑦4两含水层能够相互连通，形成深厚含水层。赋水性中等，其补给来源为其上部松散层渗入补给、微承压水层与之联通补给、越流补给及地下迳流补给，其排泄方式主要是人工开采，其次是对下部含水层的越流补给及侧向迳流排泄。稳定水头标高为-3.11 m。

3 承压水降水设计

3.1 抗突涌稳定性验算

基坑底板抗涌稳定性条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力(图3)。

Σh·γs≥Fs·γw·H

式中,H为承压水头高度至承压含水层顶板的距离，m；γs为基坑底至承压含水层顶板间的土的重度，kN/m3；h为基坑底至承压含水层顶板间距离；γw为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；Fs为安全系数，一般为1.0～1.2，本工程取1.1。

对于⑦2粉土夹粉质粘土及⑦4粉土夹粉质粘土组成的⑦层承压水，由于基坑开挖较深，因此需要对其进行抗突涌稳定性验算。计算结果见表1。

图3 基坑底板抗突涌验算示意图

结论：根据安全水位计算表格可以得出该层承压水在基坑各位置均需进行减压降水。

3.2 降水模型计算

经基坑底板的抗突涌稳定性分析，⑦层承压水需要进行减压降水，由于基坑围护结构未完全隔断含水层，为半插入式地下连续墙，对地下水的渗流具有绕流阻水作用，因此采用三维数值模拟方法对基坑涌水量进行预测。

(1) 条件概化

为了便于渗流软件计算，对基坑及水文地质条件进行概化：为了克服边界的不确定性给计算结果带来随意性，取基坑各边均向外延伸500 m的范围作为本次模拟计算区域，四周均按定水头边界处理。根据土层性质，垂直方向上将地层概化为两层，再在地连墙墙趾处进行剖分。第一层：由①1层杂填土、③1层黏土层、③2层粉质黏土层、③3黏质粉土层、④2b粉砂层、⑤1粉质黏土层、⑤1a黏质粉土层组成的隔水顶板；第二层：由⑦2粉土夹粉质黏土层、⑦4粉土夹粉质黏土层组成的含水层。模型网格剖分图见图4。

图4 模型网格剖分图

(2) 地下水渗流控制方程

(x,y,z)∈Ω

(x,y,z)∈Γ2

(x,y,z)∈Ω

H(x,y,z,t)|Γ1=H(x,y,z,t)

(x,y,z)∈Γ1

式中，Kxx，Kyy，Kzz为沿着x，y，z坐标轴方向的渗透系数(cm/s)；W为源汇项(含井)(m3/d)；h为点(x，y，z)在t时刻的水头值(m)；Sy为给水度；Ω为立体时间域；B为潜水含水层层厚；Γ2为第二类边界条件；Γ1为第一类边界条件；h0(x,y,z)为点(x，y，z)处的初始水位(m)；nx,ny,nz为边界Γ2的外法线沿x，y，z轴方向单位矢量；q为Γ2的上单位面积的侧向补给量(m3/d)。

(3) 计算结果

考虑到地层的各向异性，模型中渗透系数取值为KH=1.5 m/d，KV=0.5 m/d，初始水位取-3.11 m。计算结果表明，当基坑内水位降至设计要求时(端头井水位降至标高-23.4 m，设计水位标高-22.79 m；标准段水位降至-20.6 m，设计水位标高-20.32 m，如图5所示)，基坑总涌水量为1 254 m3/d，如图5所示。

(4) 降水井数量

降水井单井出水能力：

式中，l为有效过滤器长度，m；r为井半径，0.136 5 m；K为渗透系数，1.5 m/d。

计算所得单井出水量是最大单井出水量，在群井抽水干扰情况下，单井涌水量要远小于理论出水能力，而且地下连续墙对地下水的渗流具有阻碍作用。因此，借鉴于类似工程经验及带入地层参数后的模型计算预测，单井出水量取120 m3/d。

图5 基坑水位标高等值线图(初始水位标高-3.11 m)

根据计算，竹园路站5号线基坑共布置坑内降压井12口，坑内观测井2口。

4 承压水风险控制

2016年6月，在降水工程正式开始施工前，项目部邀请了包括上海同继水资源技术有限公司总经理张国强、安徽水文地质工程地质公司副总工程师邱雨在内的数名专家对承压水安全进行了专家会诊。通过会议研究，专家们提出了以下技术措施对基坑承压水降水过程进行分析和控制：

(1) 由于基坑开挖深度较深，为保证断电等突发情况地下水位不会快速突破临界点，开挖到底时应将地下水位降低至底板下3 m。

(2) 增加坑内降压备用井数量，增设坑外承压观测井，坑内降水时及时对坑外水位进行观测。

(3) 正式降水前进行单井和群井抽水试验，验证降水效果。

(4) 安装水泵故障报警系统和备用电源自动切换系统。

(5) 在开挖前计算土方开挖与减压降水运行工况。

4.1 降水井布置数量

项目部根据会议意见，决定在5号线坑内布置降压井15口，坑内观测井2口，坑外观测井2口。详见降水井平面布置图(图6)和降压井井管结构图(图7)。

图6 降水井平面布置图

图7 降水井井管结构图

4.2 单井与群井抽水试验

在降水井开始施工和全部施工完成后，项目部分别组织了单井和群井抽水试验。

根据单井抽水试验，我们得出以下结论：

(1) 本基坑围护结构的绕流效果比较明显，坑外承压水绕过地墙墙趾对坑内的补给路径较长，速度较慢。在停止抽水24 h后，仍未完全恢复到承压水初始水位。

(2) 基坑端头位置单井最大出水量抽水时，距离抽水井9.5 m的观测井稳定水位为20.8 m，已经满足基坑底板的抗突涌稳定性要求。即单井抽水基本可满足直径20 m范围的基坑底板抗突涌要求。

根据群井抽水试验，我们得出以下结论：

(1) 本基坑布置的15口坑内承压井能满足坑内减压降水要求，群井试验观测井最大降深被降低至开挖底板下4 m，降水井数量能够保证基坑安全。

(2) 当坑内水位降到设计要求时，坑外最大水位降深为1.1 m，由于绕流的作用，坑内降水对坑外水位的影响较小。

4.3 水泵故障报警系统和备用电源自动切换系统

为了避免抽水水泵损坏导致承压水水位上升将造成的基坑安全风险，在本工程中，我们安装水泵故障报警系统。同时为了保证承压井抽水的连续性，本工程采用备用电源自动切换系统，现场一旦停电后，备用发电机通过转换器可以自动启动，对抽水水泵进行供电，使抽水过程不至于因停电而中断。

4.4 土方开挖与减压降水运行工程图

本工程土方采用分段开挖的方式，其中标准段分8层进行开挖，端头井分9层进行开挖。在开挖过程中，为了尽量减少承压水降水对周边环境的影响，在减压降水时要做到“分段降压”。降压时按照 “分层降压”，“按需抽水”的原则。根据实际的开挖位置，实时控制坑内各位置的承压水水位。详见开挖标高与承压水水头标高示意图(图8)。

图8 开挖标高与承压水水位控制示意图

5 结语

本工程从开始降水至底板施工完毕，进行了详细的承压水减压降水分析、论证和控制，降水过程未发生任何管涌、流砂或突涌风险。在降水过程中，坑内水位始终在开挖面以下3 m，坑外观测井最大水位降深为1.8 m，坑外水位下降较小。

通过本工程的实践，可以得出以下体会：

(1) 承压水对基坑安全危害大，开挖前应确保水位能降至安全水位，并留有足够的水位富余量。

(2) 苏州地区承压水的水平渗透系数较小，地墙对地下水的绕流效果较好，坑内降水对坑外水位的影响较小。

(3) 对于深基坑，为了确保基坑承压水安全，除了加强人工巡视外，还应借助其他的自动化措施如水泵故障报警系统来降低安全风险。

[1] 姚天强,石振华.基坑降水手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

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RISKANALYSISANDCONTROLOFCONFINEDWATERDEWATERINGINDEEPFOUNDATIONPITINSUZHOU——TAKETHEZHUYUANROADSTATIONONSUZHOUMETROLINE5ASANEXAMPLE

MAO Ze-fei1,LI Xiao-li2

(1.The First Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecing Anhui Geological Prospecting Bureau，Bengbu 233000，China； 2.312 Geological Team of Geology and Mineral Resources Exploration Bureau in Anhui Province，Bengbu 233000，China)

With the development of Suzhou subway network, subway station began to be constructed in the super deep foundation pit that 26～30 meters below the surface. As the metro line 6 is about to open, super deep foundation pit will become the main building direction of Suzhou subway construction. With the increase of the depth of the foundation pit, the impact of confined water on the safety of the foundation pit is getting bigger and bigger, in order to ensure the safety of the foundation pit and avoid the occurrence of common hazards such as quicksand, piping and sudden welling,the level of underground water in the super deep foundation pit should be dewatered below the excavation surfac. Based on the design of foundation pit dewatering which used visual modflow, the corresponding technical measures are taken to control and reduce the safety risk of the confined water dewatering in the foundation pit.

super deep foundation pit dewatering；confined water；the safety of foundation pit

1006-4362(2017)03-0067-05

2017-03-12改回日期2017-05-24

P642；P641；U459.3

A

毛则飞(1986- )，男，助理工程师，现从事水文地质工程地质工作。E-mail:389636625@qq.com