地铁工程设计水位计算方法及技术问题探析

殷磊

摘    要：文章通过对盆地区工程案例进行分析，探讨设计洪（涝）水位计算方法，并分析计算需考虑的具体技术问题，为类似工程分析计算提供参考。

关键词：地铁;出入口;车辆段;100年一遇;设计洪水位;内涝水位

1  引言

城市规划用地中，合理确定地铁工程出入口及车辆基地场坪标高是决定地铁工程设计合理性、经济性的重要因素。

2  设计水位计算一般方法

根据地铁设计规范要求，地铁出入口及车辆段设计时考虑的设计水位包括设计洪（潮）水位和最高积水位。其中工程设计中设计洪水位推求方法主要有频率统计分析法和水动力模型计算法，前者主要用于有长系列水位观测资料的区域，后者用于水位资料缺乏或者由于水利工程变化导致计算时期水位与历史水位不符合一致性的区域;水动力模型计算方法根据区域地形情况又可选用恒定流计算方法和非恒定流计算方法。积水位计算主要根据其成因采用水文学和水力学相结合的数学模型法。

3  地铁施工对地下水的控制方法

3.1  堵截地下水

（1）防渗水平帷幕法在基坑底部采用高压注楽及搅拌等技术手段，构筑一道地下水平连续帷幕，用于防止基坑底部的渗漏、隆起及变形等。常用于采用防渗垂直帷幕无法很好解决控制地下水的工程中。（2）防渗垂直帷幕法在基坑四周采用高压喷楽、压力注装、渗透注菜或深层搅拌等技术手段，构筑一道地下连续的墙幕，既可以有效的进行地下水封堵，又能作为支撑边坡的围护结构，截水帷幕底部最好插入不透水层。该方法十分简单，适用性很强，被广泛用于国内工程项目。（3）钢板桩在开挖前，将钢板桩打入地下，形成连续的堵水墙，既能有效的堵截地下水，又对边坡有一定的支护作用。为了达到较好的堵截水效果，需要将钢板桩打入基坑底部以下的不透水层，同时钢板桩必须连续。此法常用于游泥质砂与粘土质砂等地层。（4）地下连续墙在挖前，在基坑四周构筑一道钢筋混凝土结构墙体。地下连续墙堵水效果比较好，后续施工安全性高，但工程造价较高。此外，如果因地下电缆、管道和其它建筑物的阻碍，造成连续墙不连续，存在豁口，则再去封堵豁口的费用会很大。

3.2  降低地下水位法

（1）集水明排集水明排归属于重力降水。它是在基坑中开挖集水井和集水沟，使挖时基坑内渗出的地下水经集水沟汇集到集水井中，再用栗将水从集水井中抽出，进而达到疏干地下水、保持基坑干燥的目的。集水沟和集水井需要保持一定的高差，—般情况下集水沟要高于集水井0.5m～1.0m，集水沟底要低于挖面0.3m～0.5rn，并随着基坑开挖而逐步加深，沟底和井底的深度差基本不变。集水井通常布设在基坑角或者每个30m～40m布设一口，其半径通常为0.7m～0.8m，深1.0m。井壁可以采用挡土板、水泥管或砖进行临时支护，井底铺设0.3m厚的碌石，达到防止泥砂堵塞水栗的目的。集水明排一般使用潜水栗进行抽水，设备简单、施工便捷、费用低，广泛应用于施工现场。这种方法的缺点是，地下水会沿边坡面、坡脚或者基坑底部渗出，可能导致基坑底软化或者泥沒;若土体颗粒较细，而基坑底挖深度较大，在地下水动水压力作用下，土体颗粒会随着地下水流出，经长时间的作用，可能会导致流砂、管涌、基坑底隆起与边坡失稳。（2）井点降水井点降水是降水方法中应用最广泛的，同时也是高地下水位地区辅助基坑工程施工的重要手段之一。它是在基坑四周布设能渗水的井点管，并配置一定的抽水设备，在不扰动土体结构的情况下，将地下水不间断的抽走，从而使基坑范围内的地下水位降至设计深度，保证基坑在较干燥的施工环境下开挖。此法降水效果比较好，能应用于不同几何形状的基坑，具有防止流砂、提高边坡稳定性的作用，能降低承压水位，防止基坑底隆起和破坏，改善基坑周围地层土体的特性，加速土体固结，是一种非常实用有效的現代化施工辅助方法。基坑挖深度较深，并位于地下水位以下，且地层土体含水量大、渗透系数大时，釆用集水沟集水井方法排水会导致一系列的问题。首先，基坑涌水量大，很难排干，常规混凝土往往不能正常绕注。其次，地层土体为粉土、粉细砂及粉质粘土时，往往会出现严重的翻装、冒泥及流砂现象，基坑开挖会受到严重的影响，同时可能有大量的水土流失，致使边坡失稳、基坑附近地面塌陷，对环境造成恶劣的影响。因此，应该采用井点降水的方式对这种地质条件下的深基坑工程进行人工降水。

4  河谷盆地区典型案例分析

4.1  工程位置及区域基本情况

杭州至富阳城际铁路工程（以下简称“杭富线”）起于在建的杭州地铁6号线美院象山站，径320国道、新320国道、金桥北路，跨杭州西湖区之江度假区、富阳区银湖街道、富春街道，线路全长23.508km，均为地下线，共设车站11座、区间风井3座、车辆段1座。其中富阳区富春街道内设各站均位于富阳区皇天畈流域河谷盆地内。富阳区皇天畈流域北、东、西三面环山、南面朝富春江，中部形成富阳境内最大的河谷盆地。流域总面积320.5km2，其中山区258.94km2，坡面区29.14km2，平原区32.42km2。山区水系主要包括受降溪、坑西溪、新义溪等。皇天畈平原区为富阳城区范围，由于上游山区面积大，洪水凶猛，城区防洪压力大。为减小富阳城区洪水，城区外围建有北渠、南渠。其中北渠总集水面积159.9km2;沿江口建有翻板闸;进口处建有北渠进口闸。南渠总集水面积102.9km2;沿江口建有鹿山闸。由于南、北渠设计标准仅为梅汛期5年一遇，大洪水时山区洪水仍需进入平原区。由于富阳城区南部地面高程仅7m～8.5m，地势低洼，且平原区排涝出口仅有皇天畈（苋浦）排涝闸站和秦望闸，强排能力仅100m3/s，其他时候均需利用富春江低潮位时抢排，使得目前平原区河道防洪标准仅10～20年一遇。皇天畈流域南面为富春江，富阳站富春江各重现期洪水位。

4.2  洪水位计算方法及关键问题

本区域无洪水观测资料，因此洪水位计算方法采用水力模型计算法，计算软件采用MIKE11软件。模型计算关键问题除前述案例相关问题外，还需重点关注洪潮组合问题和南部地面洪水滞蓄问题。由于流域洪水只能排出至富春江，富春江水位条件对皇天畈南部区域水位影响很大。根据富阳区皇天畈水系综合规划，富春江梅雨期多年平均偏不利最高水位高达8.98m，超过平原区南部地面高程，且水位超过7m以上时间持续4日之久，而台风期最高水位为7m，水位明显较低，沿江闸站排涝能力相对较大;加上流域梅雨期、台风期降雨差异也较大，因此推荐分别计算梅雨期和台风期洪水，洪潮组合分别为对应时期设计洪水组合富春江多年平均偏不利潮型，并将两个时期计算的设计洪水位较大值作为设计值。由于富阳城区南部地面高程仅7m～8.5m，地势低洼，受洪水及南侧富春江水位顶托影响，100年一遇设计洪水时，南部低洼地面出现积水，因此模型计算时还需结合下垫面类型考虑地面滞蓄，并计算滞蓄区水位-库容曲线，将区域概化为湖泊加入河网中。

5  结语

由于地铁设计标准为100年一遇，当区域缺少100年一遇洪水位资料时，需经过水文水利计算分析得到地铁设计所需的洪水位和积水位。设计水位计算时宜根据计算区域地形及防洪排涝情况，选择合适的计算方法，并抓住模型边界条件设定、成果合理性分析等关键技术问题进行深入分析、计算，确保分析成果的合理性，以为地铁设计提供依据，也为相关工程高标准水位分析计算提供参考。

参考文献：

[1] 刘成文.城市轨道交通车辆基地场坪标高的确定[J].城市轨道交通研究，2012（3）：24～26.

[2] GB 50201—2014.防洪标准[S].