地铁车站基坑降水方案实例

郭小帅, 石守亮, 何建锋, 于新政, 黄智国

(黄河勘测规划设计研究院有限公司,河南 郑州 450003)

郑州机许线双鹤湖北站位于郑州航空港区工业五路与雍州路交叉路口,沿雍州路南北向敷设,车站总建筑面积为12 670.92 m2,主体结构外包长度为211 m,为地下两层岛式车站,采用明挖法施工。车站主体标准段基坑深度约16.56 m,基坑宽19.7 m;小里程端头井基坑深度约18.26 m,基坑宽24.9 m。车站顶板覆土约3 m,底板埋深约16.56 m,本车站为地下两层双跨局部三跨矩形框架式结构,基坑采用φ1000@1300围护桩+三道内支撑的支护型式,标准段第一道和第三道支撑均采用φ609、t=16 mm的钢支撑,第二道支撑采用φ800、t=16 mm的钢支撑;小里程端第一道支撑采用φ609,第二、三道支撑采用φ800、t=16 mm钢支撑;大里程端第一、二道支撑及第三道换撑采用φ609,第三道支撑采用φ800、t=16 mm的钢支撑。

1 工程地质条件

双鹤湖北站属条形垄岗洼地地貌单元(图1),场地主要为新修道路和绿地,两侧为市政绿化带和农田,地势较平坦,总体呈西高东低趋势,地面高程109.33～112.64 m,相对高差约3.0 m[1]。

第①1层杂填土:主要成分为沥青路面及路基灰土垫层,厚0.50～2.20 m,平均厚度1.24 m;层底埋深0.50～2.20 m,平均埋深1.24 m。

图1 双鹤湖北站平面位置示意图Fig.1 Schematic map of the plane position ofnorth station of Shuanghe Lake

第②32C层粉砂:黄褐色,潮湿,中密为主,层厚1.10～5.00 m,平均厚度3.32 m;层底埋深2.60～7.00 m,平均埋深4.44 m。

第②33层粘质粉土:灰黄色,稍湿,稍密—中密,层厚2.30～7.40 m,平均厚度4.54 m;层底埋深5.80～8.80 m,平均埋深7.48 m。

第②33B层粉质粘土:褐黄色,可塑—硬塑,层厚0.50～1.50 m,平均厚度1.00 m;层底埋深6.50～8.00 m,平均埋深7.33 m。

第②41层粉砂:灰黑—灰黄色,饱和,中密为主,层厚1.50～7.20 m,平均厚度3.98 m;层底埋深10.00～15.00 m,平均埋深12.80 m。

第②41A层粘质粉土:灰黑色,湿,中密为主,层厚0.90～4.10 m,平均厚度2.60 m;层底埋深8.40～14.50 m,平均埋深11.13 m。

第③21A层粘质粉土:黄褐色,湿,中密—密实,层厚1.00～3.50 m,平均厚度1.62 m;层底埋深11.80～18.50 m,平均埋深14.98 m。

第③21层粉质粘土:红褐色,硬塑—坚硬,层厚6.00～13.50 m,平均厚度9.33 m;层底埋深21.60～25.20 m,平均埋深23.54 m。

第③22层粉质粘土:黄褐色为主,硬塑—坚硬,层厚6.30～9.90 m,平均厚度7.92 m;层底埋深28.00～35.00 m,平均埋深31.46 m。

第③23层粉质粘土:黄褐色、红褐色,硬塑—坚硬,层厚4.00～11.60 m,平均厚度8.06 m;层底埋深36.00～42.10 m,平均埋深39.52 m。

双鹤湖北站典型工程地质剖面如图2。

图2 双鹤湖北站典型工程地质剖面图Fig.2 Typical engineering geological profile of north station of Shuanghe Lake

2 水文地质条件

根据现场钻探,双鹤湖北站地下水类型主要为第四系松散堆积物孔隙水。地下水埋深6.10～9.10 m,水位标高102.33～103.55 m,主要赋存于②33层粘质粉土、②41层粉砂和③21A层粘质粉土中,为孔隙潜水,属弱—中透水层。下部③21层粉质粘土为相对隔水层。

双鹤湖北站稳定地下水埋深和标高统计见表1,地层渗透系数建议值见表2。

表1 双鹤湖北站地下水情况统计表Table 1 Statistical table of groundwater situation of north station of Shuanghe Lake

表2 双鹤湖北站渗透系数建议值表Table 2 Suggested permeability coefficient table of north station of Shuanghe Lake

3 降水井布置方案

3.1 降水目的

(1) 将基坑水位控制在基坑底板以下1.0 m,降低坑内土体含水量,方便挖掘机和工人在坑内施工作业,有利于坑内土体的边坡稳定,防止坑内土体滑坡。

(2) 防止基坑底部发生突涌,确保施工时基坑底板的稳定性。

(3) 通过科学的降水控制,尽量减少由于降水引起的地表沉降,减小因基坑降水对于周边环境的影响。

3.2 基坑降水总体思路

双鹤湖北站地下水位位于地表下6.10～9.10 m左右,水位标高102.33～103.55 m,主要赋存于②33层粘质粉土和②41层粉砂中,下部③21层粉质粘土为相对隔水层。基坑两端的底板标高为90.194 m(北端头)、91.704 m(南端头),需将水位降到标高为89.194 m;基坑中间段的底板标高约为92.804 m,需将潜水含水层的水位降到标高为91.804 m。

为了保证基坑土体疏干、坑底土体稳定性、不产生突涌等渗透问题,结合本工程的实际情况,本次降水采取疏干降水方案,具体降水措施有以下几点:

(1) 对潜水含水层进行疏干处理,即降水井在土层段设计全段进水,将水全部排出,将潜水含水层作为疏干目的层进行疏干降水;

(2) 为减少降水对坑外环境的影响,降水运行控制期间,严格执行“按需降水、动态调整”的降水原则,尽量减小坑外水位下降对环境的影响。

3.3 基坑降水方案

根据平面布置图,双鹤湖北站主体基坑长约210 m、宽约20 m,基坑开挖时周边没有进行止水处理,为简化计算,采用均质含水层潜水完整井(③21层粉质粘土为相对隔水层)的计算公式;降水井主要布置于基坑外侧,并在基坑内布置少量降水井用于疏干坑内水体。根据场区水文地质条件、现场抽水试验成果资料及地区性经验,选择《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120—2012)附录E中E.0.1条均质含水层潜水完整井公式估算基坑涌水量[2]:

拟建双鹤湖北站主体基坑基底标高92.804～90.194 m,潜水含水层③21A粘质粉土层底平均埋深14.98 m,若坑外降水井降至③21A粘质粉土层底,降水后水位标高约为95.0 m;下部③21层粉质粘土为相对隔水层,现场该层新鲜开挖面为硬塑状,假定该层不含地下水,坑外降水后沿桩间土渗入坑内的少量水体采用集水明排的方式疏干。地下水稳定水位标高取103.06 m,则sd=8.06 m。含水层综合渗透系数取k=6 m/d,则影响半径R为112 m,L=210 m,B=20 m,r0=36.57 m(表3)。

表3 基坑涌水量计算成果表Table 3 Table of calculation results of water inflow in foundation pit

单井出水能力:降水井滤管直径为0.325 m,过滤器进水部分长度考虑主要位于下部隔水层③21层粉质粘土的实际情况,根据经验取l=0.75 m。

保证每个降水井出水量不至于过大,造成降水、封井困难,同时确保降水效果,实际在坑外设置12口降水井。

降水井大面积施工前先进行抽水试验,单井的抽水量、井的布置及井的深度必要时根据抽水试验情况进行调整。

4 基坑降水效果检测

降水井施工完后,进行抽水试验验证降水方案的可实施性。本工程选取1#井进行单井试验,1#、2#、3#进行群井试验。每隔半小时记录一次井内的水位变化情况,单井试验中抽水12小时后井内水位达到稳定,水位降至潜水含水层③21层粉质粘土以下。

待1#降水井水位恢复到初始水位后,进行群井抽水试验,同样每隔半小时记录一次井内的水位变化情况。群井试验中抽水5小时后井内水位达到稳定,水位亦降至潜水含水层③21层粉质粘土以下。

通过抽水试验结果,单井和群井抽水时观测井内水位下降较快,可以将地下水较好地疏干,达到降水目的。

5 降水方案与三轴搅拌桩止水方案的对比

三轴搅拌桩止水方案是通过在围护桩外侧施工搅拌桩而形成连续止水体,用来阻止或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑内,然后配合坑内降水井进行降水处理。

5.1 工期对比

由于三轴搅拌桩止水方案需要进行搅拌桩施工(搅拌桩施工工期约1.5个月),完成后再进行坑内降水;而降水方案直接进行坑内降水,比搅拌桩施工方案节约工期约1.5个月。

5.2 经济效益对比

在止水方案中,三轴搅拌桩仅是止水措施,还需要在基坑内打设少量降水井将基坑内的水排掉。相对于敞开式降水方案而言,工程成本增加200万元左右。对比两种方案的经济效益,降水方案投资更小,经济效益更优。

5.3 环境影响对比

不采取止水帷幕而直接群井降水对环境影响较大,引起地面不均匀沉降。但该基坑周边环境较简单,产生的沉降值在规定允许的范围内,可采用开放式降水方案。

6 结语

本文通过对双鹤湖北站基坑降水与止水方案的对比分析,得出如下结论:

(1) 双鹤湖北站的地质条件和周边环境条件采用基坑降水方案能较好地满足工程要求;

(2) 采用基坑降水方案较止水方案更节省工期;

(3) 采用基坑降水方案较止水方案能节约工程投资,经济效益更优。