强透水砂卵地层深基坑地下水控制方案比选与优化设计

刘胜利，蒋盛钢，曹成勇

强透水砂卵地层深基坑地下水控制方案比选与优化设计

刘胜利1，蒋盛钢1，曹成勇2

(1. 广州地铁设计研究院股份有限公司，广东 广州 510010； 2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

以福州地铁2号线水部站工程为依托，针对强透水砂卵地层深基坑地下水控制问题，首先初步拟定隔水法(落底式止水帷幕、深层水平加固)、降水法以及隔、降组合法(悬挂式止水帷幕+坑内降水)等多种不同的地下水控制方案，通过对各方案的施工风险、环境影响、工程造价等比选，最终确定采用隔、降组合(悬挂式止水帷幕+坑内降水)的地下水控制方案。随后，通过对基坑坑底进行抗突涌验算，确定水部站底部承压水安全水位降深以及相应的疏干井和降压井的布置方案；进一步采用数值计算方法对止水帷幕作用下坑内降压井的稳定抽水流量、坑外水位降深以及地表沉降进行了预测，研究结果表明：该方案下车站基坑周边地面沉降值为13~22 mm，由此说明，止水帷幕的作用效果明显，且能较好地控制周边地面沉降。

强透水；砂卵地层；方案比选；悬挂式止水帷幕；降水设计

沿海城市地下水位埋深较浅，地层渗透性强，含水层层厚较大，地下工程建设往往会受到地下水的困扰，对于强透水砂卵地层地铁车站深基坑而言，为了施工区域保持一个干燥的环境，防止基坑开挖过程中出现的流砂、管涌等现象以及保证基坑开挖过程安全性，因此，一般需要采用工程措施控制基坑周边地下水。若采用传统的敞开式降水方案时，难以将基坑内部水位降至安全水位以下，且降水容易造成周边地下水流失过多，引发基坑外部水位大幅下降，而沿海地区地下浅层分布着大量的淤泥等软土层，地下水水位下降易造成土体有效应力增加，从而引发周边建筑物和管线大规模沉降，施工风险较大[1−3]。因此，高富水深基坑施工地下水的控制，成为沿海(江)地区地铁车站施工亟待解决的现实难题[4−7]。对于高富水砂卵地层深基坑地下水控制问题，现常用的方法有隔水法、降水法及隔、降水组合的方式，为合理预测基坑的涌水量和降水造成的水位变化及其引发的土体沉降，降水数值模拟预测成为深基坑降水设计中的重要手段。袁斌等[8]针对富水砂砾潜水含水层中的深基坑降水问题，以沈阳某地铁车站基坑降水工程为依托，采用数值模拟的方法，对比分析止水帷幕存在与否对降水的影响，结果表明，止水帷幕的存在能够很大程度减小基坑总抽水量及坑外的地表沉降。游洋等[9]针对长江临岸基坑且场地为二元承压含水层结构的基坑，布置不同深度围护及止水方案，并采用有限差分数值模拟出不同方案的坑外水位变化，最终根据模拟结果确定各含水层之间的水力联系并制定了相应的降水方案。周念清等[10]以上海地铁11号徐家汇站为背景，采用三维有限差分对降水过程进行模拟，预测基坑周边地层水位变化和沉降，预测值与实际值差别较小，表明降水设计方案能够很好的控制沉降值。WANG等[11]以东方渔人码头的大型深基坑工程为例，基于现场单井、群井抽水试验数据，采用数值手段对降水引发的坑内外水位变化进行分析，并提出坑外人工回灌水等优化措施。纵观上述研究成果发现，目前，大多数研究针对软土层或是小层厚砂层中的基坑降水问题，而对于福州地区深厚砂卵地层的承压含水层的深基坑降水却鲜有研究。福州市区处于两江交汇处，部分车站下部地层为深度达30~40 m的砂卵石承压水层，渗透系数极大且止水帷幕难以隔断，此类地层由于水力补给强劲，地下水控制难度更大。本文以福州地铁2号线水部站为例，通过数值模拟分析，提出可行的深基坑地下水控制方案，为福州地区类似深基坑工程设计提供建议与参考。

1 工程概况

福州地铁2号线水部站位于福州市鼓楼区，东西向布置于古田路。车站为地下2层岛式车站，总长169.6 m，宽19.7 m，车站中心基坑深度16.46 m，顶板覆土深度3.15 m。主体围护结构为地下连续墙和车站外墙形成的复合墙结构，其中地下连续墙墙厚达800 mm，该站结合交通组织采用半盖挖顺筑法施工，给上部路面留有通行空间。

水部站现场场地各岩土分层由上至下依次为：①2杂填土、②4−1淤泥、②4−4淤泥夹砂、③3(含泥)粗中砂、③1−1粉质黏土、③8卵石和⑦1花岗岩，如图1所示。场地的地下水主要包含上层滞水和承压水2种类型，上层滞水主要分布于人工填土层中，其与下部的水力联系被不透水的淤泥隔断，对地下工程的影响较小。承压水则主要分布第四系松散沉积物如淤泥夹砂层、粗中砂层、卵石层中，各承压含水层之间具有紧密的水力联系。各地层的具体参数，见表1所示。

图1 地质剖面图

表1 土体物理力学参数

2 地下水控制方案比选

2.1 地下水控制方案制定

在透水性较强的地层中进行地下工程的施工，对于现场地下水的控制，主要有降水法、隔水法以及降、隔水组合的方式。对于水部站基坑现场地质情况，分别拟定下列地下水控制方案。

2.1.1 隔水方案

当基坑降水会造成大范围地下水位下降，对周边地层的建筑、建筑物管线等造成危害时，可采用隔水法控制地下水以减少降水引发的环境问题。隔水法由阻隔形式的差异性可分为落底式竖向止水帷幕隔水和基坑坑底水平加固隔水。落底式竖向止水帷幕隔水即采用地下连续墙、水泥土桩等止水帷幕穿透承压含水层，嵌入不透水层，从而隔断基坑内外承压含水层间的水力联系，基坑内部再采用疏干井进行降水疏干。基坑坑底水平加固隔水则是采用高压旋喷桩、深层搅拌桩等加固方式，提高底部土体的抗渗透性、抗剪强度、重度等，阻隔地下水渗入坑内并抵抗承压层水头压力的作用。隔水方案示意图见图2(a)和图(b)。

2.1.2 降水方案

深基坑地下水控制中的降水法即通过在基坑内部或外侧设置管井、喷射井点等降水井，抽取相应层位的潜水或承压水，使基坑坑内土体水位下降至底板以下、坑底以下土体的水头压力处于抗突涌安全水位以下，以保持开挖面的干燥状态和坑底的稳定性。水部站在进行正式开挖前事先施作了地连墙作为围护结构，配筋地连墙的埋深达31.5 m，墙体嵌入承压含水砂层接近一半的深度。在此情况下，基坑底板上部的潜水只能在基坑内部设立疏干井进行疏干降水，保证开挖环境的干燥；而对于坑底以下承压含水层的降压若采用坑外降压，由于地层的高渗透性，必然造成坑外地下水的大量流失，影响周边建筑环境，故此处仅考虑坑内降压的方式，为防止外界地下水过量流失，还需设置人工回灌井对坑外地下水进行补充，其方案示意图见 图2(c)。

2.1.3 隔、降水组合方式

由于深基坑部分区域不透水基岩埋藏过深，若将竖向止水帷幕嵌入基岩的施工难度和投资均难以承受，此时，采用悬挂式止水帷幕加基坑坑内降水的方式可作为地下水控制方法的选择之一。悬挂式止水帷幕的阻隔作用可延长坑外地下水进入坑内的渗流路径、减少地下水进入基坑的过流断面，并且在打入止水帷幕后，基坑附近地下水由横向渗流转为竖向、横向组成的三维渗流，承压含水层由于地层的不均质性往往竖向渗透系数要小于横向的渗透性，故止水帷幕的存在可充分利用地层竖向抗渗性。在3类作用的叠加下，此方案可减少基坑涌水量、控制周边地下水位的过度下降。具体的方案图见图2(d)。

2.2 地下水控制方案比选

根据工程特点以及工程地勘资料，初步拟定水部站地下水控制方案，并分析各方案的优劣性，如表2所示。由表2可知，隔水方案成功的关键在于隔水结构施工质量的控制；而降水方案则对于降水的控制要求较高，过度的抽水以及未及时人工回灌，都会引发大规模的沉降，影响周边环境。隔水方案在保证施工质量的前提下，能很好的控制坑内外的地下水，且坑内也布置了降压井、疏干井，进一步减少了风险，但地下水控制造价需提高；降水方案的风险则要大于隔水方案，地下水位的控制难度较大，且降水过程还需保证电源设备的稳定性，但相应造价较小。综合上述优缺点，工程现场选择了一个折中的方法，即隔、降组合方案(悬挂式止水帷幕+基坑坑内降水)，既能将风险保持在可控范围内，又能减少造价。

(a)落底式竖向止水帷幕隔水；(b)基坑坑底水平加固隔水；(c)基坑坑内降水法；(d)悬挂式止水帷幕加坑内降水

表2 地下水控制方案比选

3 深基坑降水数值模拟

3.1 降水方案设计

3.1.1 止水帷幕设计

保证基坑结构安全所需的钢筋地下连续墙深为31.5 m，墙厚达0.8 m。承压砂层下部分布着分散的粉质黏土。在隔水设计中，利用黏土的不透水性，将地连墙墙槽加深到粉质黏土层内，在钢筋地连墙下部填充10.5 m的素墙，地连墙总深度达42 m，墙趾部分嵌入粉质黏土层内，以减小坑内外的水力联系。但粉质黏土层并非均匀的一层，故无法做到完全隔水，故可将此时的地连墙视为悬挂式止水帷幕，止水帷幕布置，如图3所示。

图3 止水帷幕设计

3.1.2 基坑坑内降水方案设计

1) 潜水含水层降水设计

潜水层为②4−1深灰色淤泥层，该层土含水量高、孔隙比大，土质软弱，高压缩性，具有高灵敏度、低强度的特点。若不采取措施降低土层含水量，将造成开挖面软弱、积水不良现象，影响开挖面上的施工。因此，采用围护明挖施工时，需布设若干疏干井，及时疏干开挖范围内土层中重力含水量，保证基坑干开挖的顺利进行。根据本工程的土层情况，降水工程单井有效抽水面积取为200 m2，基坑总面积3 184 m2，则可布置16口井。具体井位布置情况，如图4所示。

2) 承压含水层降压设计

对于本工程，对基坑开挖造成主要影响的承压含水层为②4−4淤泥夹砂层和③3粗中砂层。在基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，承压水上覆土压力变小，当承压水顶托力大于上覆土压力时，承压水突涌将成为基坑开挖过程中最大的风险之一。针对②4−4层，由于基坑开挖已经揭露②4−4层，对 ②4−4层进行直接疏干，针对③3层，经过抗突涌验算，本基坑需要针对该层进行减压降水。基坑底板抗突涌安全性能可以由抗突涌验算公式确定[12]：

式中：s为承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，kPa；w为初始状态下承压水的顶托力，kPa；i为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，m；si承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，kN/m3；为高于承压含水层顶面的承压水头高度；w为水的重度(一般取10 kN/m3)；s为安全系数，根据规范取1.1[12]。工程具体的验算表，如表3所示。

考虑到降压井的水泵要远大于疏干井中水泵的抽水能力，拟定其有效降水面积为疏干井的2倍，故降压井的数量设为疏干井的一半，降压井的布置，如图4所示。

图4 水部站基坑降水井布置

3.2 现场降水方案数值模拟

为了预测降水方案的可行性，以下建立有限差分方法数值模型，进一步分析基坑降水效果。

3.2.1 现场降水模型范围及边界条件

承压含水层的有效影响半径可按下式进行估 算[13−14]：

式中：为承压水层综合渗透系数；为基坑内部承压水安全水位降深，相应的降深值见现场主体基坑抗突涌稳定性验算表。由表3可知，最大降深值max为东端头井内部的承压层位，降深值为7.53 m，粗中砂层的渗透系数取19.7 m/d，根据式(2)计算得到降水影响半径334 m，为减小模型边界的影响，总计算区域为1 000 m×1 000 m×60 m。模型边界设定相应的定水头边界模拟水位补给，降水模型区域网格划分，如图5所示。

3.2.2 悬挂式止水帷幕下基坑降水效果分析

在极限状态下，设定抽水的总时间为30 d，对数值模型抽水量进行试调以维持坑内承压水处于抗突涌的安全水位，对比分析底部素墙施作与否2种方案在东仓、西仓保持安全水位的前提下的基坑周边水位。

图5 离散模型网格三维划分

不同方案下降压井抽水流量，如表4所示。不同方案下，降压井作用下的基坑内外承压砂层水位降深分别如图6~7所示。从表4及图6~7中可以 看出：

1) 达到相同降深条件下，悬挂式止水帷幕的阻隔作用可大大减少坑内的抽水量，减少对地下水的抽取，降低施工风险。

2) 对于未施作素墙的情况下采用降水方案，在维持坑内粗中砂层处于安全水位时，坑外最大水位降深达到了5.5 m左右，坑内外水位降深差仅1~2 m，降水对周边环境的影响过大。

3) 当施作下部素墙形成悬挂式止水帷幕阻隔后，在维持相同坑内水位降深情况下，坑外水位降深下降至2.6 m，坑内外水位降深差达到3~4 m。

因此，止水帷幕的阻隔作用能够的降低降水对周边环境的影响，且在极限降压条件下，悬挂式止水帷幕下的坑内降水方案能够很好地坑外水位降深，减少施工对周边环境的影响。

表4 不同方案下降压井抽水流量

单位：m

(a)淤泥夹砂层水位降深预测值；(b) 粗中砂层水位降深预测值

3.3 水部站周边沉降预测

在悬挂式止水帷幕下基坑降水水位预测的基础上，进一步对该降水方案造成的周边地层沉降进行预测。有限差分模型中的沉降计算原理是采用两步法计算[15]，即先计算含水层单元水头变化，后根据线弹性沉降模型计算每层计算单元层的变形值。此处假设地面沉降值为各层变形的线性叠加，地层沉降计算结果，如图8所示。基坑周边主要建筑位置的地层沉降值如表5所示。

由图8及表5结果看出，悬挂式止水帷幕下的基坑坑内降水引发的沉降在基坑周边形成一个围绕基坑中心的沉降漏斗，且基坑北侧的地层沉降值更大。承压砂层的沉降造成的坑外地面最大沉降值为23 mm，其中周边主要建筑地表沉降最大处为基坑北侧迅荣地产大厦，模拟预测的地表沉降接近21.8 mm，容许最大沉降值为30 mm，沉降值在安全合理范围内。但是，降水过程需重点关注其沉降，必要时需采取补救措施。

表5 降水30 d观测点沉降值

(a)淤泥夹砂层沉降预测值；(b)粗中砂层沉降预测值；(c)地表沉降预测值

4 结论

1) 针对水部站的工程特点与水文地质情况，提出落底式止水帷幕止水、深层水平加固止水、基坑坑内降水、悬挂式止水帷幕+坑内降水的联合降水方式，通过对施工风险及难度、坑外影响、造价等进行比选分析，最终确定采用悬挂式止水帷幕+坑内降水的方案，即止水帷幕为厚度0.8 m，深度31.5 m的钢筋地连墙加10.5 m的素地连墙。

2) 采用数值模拟方法，对比分析施作素墙前后极限降水30 d时坑内外的水位分布。当控制坑内的承压水位在安全水位以下，预测悬挂式止水帷幕方案的坑内各降压井的抽水量分别为500，450，150，150，150，150，500和550 m3/d，坑内降压造成坑外的水位最大降深为2.6 m，结果表明采用悬挂式止水帷幕能够很好地减少地下水抽取量以及控制基坑外部的水位降深值。

3) 在计算得到的水位降深的基础上，运用有限差分模型两步法对极限状态下基坑周边地层沉降值进行预测分析，结果表明，周边建筑范围内的地面沉降值在13~22 mm范围内，沉降值处于合理范围内，表明降水方案能较好地控制沉降值。基坑北侧范围地层沉降值较大，为控制地表沉降，建议后期施工需加快施工进度，缩短抽水时间以减少地表沉降值。

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(编辑 阳丽霞)

Comparison and optimization of alternatives to groundwater control for a deep excavation in highly permeable sand and gravel

LIU Shengli1, JIANG Shenggang1, CAO Chengyong2

(1. Guangzhou Metro Design & Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510010, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

In this paper, Fuzhou subway line 2 Shuibu station project was taken as a case study. For the groundwater control during excavation in the highly permeable sand and gravel, different types of groundwater control schemes were worked out initially, such as cut-off water method (fully penetrating curtains and deep horizontal waterproof), dewatering method and combination of cut-off water and dewatering (partial penetrating curtains with dewatering inside the excavation). By comparing the construction risk, environmental influence and construction costs of each scheme, finally the scheme of partial penetrating curtains with dewatering inside the excavation was determined. Then, the safety drawdown of confined aquifer in the Shuibu station was also determined through the checking calculation of anti-inrush stability, and the arrangement of corresponding dredging dried wells and buck wells were designed. Finally, by numerical simulation, steady pumping rate of buck well, drawdown outside the excavation as well as the ground settlement were predicted. The results show that the settlement of surroundings is 13~22 mm, which shows that the effect of penetrating curtain is obvious, and can control the ground settlement around the excavation better.

high permeability; sand gravel strata; schemes comparison; partial penetrating curtains; dewatering design

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.12.023

TU924

A

1672 − 7029(2018)12 − 3189 − 09

2018−05−11

国家自然科学基金面上资助项目(51778636)；广州地铁设计院股份有限公司、中交海峡建设投资发展有限公司科研项目

刘胜利(1977−)，男，安徽桐城人，高级工程师，从事地下工程结构设计工作；E−mail：165429782@qq.com