地铁车站深基坑降水方案研究

苏江川

(福建省建筑工程技术中心 福建福州 350004)

0 引言

地铁车站在深基坑开挖范围内遇砂层、淤泥质土等渗透性差异较大的地层相互交错时，若地下水位较高会导致潜水与承压水并存，开挖过程中坑内外较大的水位差极易产生流砂、管涌、突涌等渗透破坏现象致使边坡或基坑坑壁失稳，造成周边地面沉降并威胁周边道路、建筑物的安全。深基坑降水已成为建筑工程地下部分施工中的重要环节。樊玲等[1]以长沙地铁1号线省政府车站为背景，提出了多道防线预防基坑突水理念,采用三道防线综合技术(即合理增加地下连续墙深度、袖阀管法加固基坑地层和疏降水技术),预防基坑突水。张建勇[2]以武汉地铁8号线三标段徐家棚站土建施工作为背景，利用数值模拟对粉细砂强透水地层深基坑降水方案和技术措施进行了探讨。王军辉等[3]根据地下水动力学原理,分析了悬挂式帷幕影响下形成的绕流和非绕流两个区的渗流特征；利用Dupuit假设和阻隔理论,系统地提出了悬挂式帷幕条件下潜水和承压水涌水量计算的修正大井法,并根据实际应用需要提出了相应的近似表达式。

本文依托福州地铁某透水地层车站基坑降水为例，总结深基坑降水设计施工经验，提出了透水地层深基坑降水施工控制措施，以期为类似工程提供技术参考。

1 工程概况

图1 车站典型地质剖面图

2 降水方案

2.1 降水目的

降水目的主要为疏干土体中的地下水，方便施工作业；降低坑内土体含水量，提高坑内土体强度；降低下部(微)承压含水层承压水水位，减少坑底隆起和围护结构的变形量，防基底突涌的发生，确保施工基底稳定。

2.2 降水难点

降水难点主要体现在承压含水层突涌、开挖面失稳、减压降水风险、周边环境复杂，表1 是主要降水难点和应对措施。

表1 主要降水难点和应对措施

3 降水井设计方案

3.1 疏干井设计

车站施工时，需及时疏干开挖范围内土层中重力水含量，保证基坑干开挖顺利进行。开挖前，需要布设若干疏干井，对基坑开挖范围内土层疏干。根据该工程土层情况，浅层土主要以砂层为主，渗透性较佳，本次降水工程单井有效抽水面积取150m2。

3.2 降压井布置

3.2.1基坑底板抗突涌稳定性验算

基坑开挖后，由于承压含水层上覆土层厚度变薄，其上覆土压力降低。当上覆土的压力小于或等于承压含水层的顶托力时，承压水将可能使基坑底面产生隆起，严重时使土体被顶裂产生渗水通道，从而发生基坑突涌。

根据勘察报告，该场区承压水主要赋存于<3-3>(含泥)中粗砂、<4-2>(含泥)中砂、<4-8>卵石中，隔水顶板分别为<3-1-2>(含砂)粉质黏土层和<3-4-2>淤泥质土层。承压水位取水位标高+3.14m。各基坑分区根据所处位置最不利勘探孔进行计算。图2是基坑抗承压水突涌稳定性验算原理。表2 是基坑抗突涌稳定性验算表(<4-2>层)。

图2 基坑抗承压水突涌稳定性验算原理

表2 基坑抗突涌稳定性验算表(<4-2>层)

3.2.2降压井设计

(1)井深设计

降压井的水头损失考虑到抽水至观测井之间的水力梯度漏斗可达到安全水位和地层性质、围护深度特点及降压幅度要求，降压井布置于坑外，按井深43m考虑。

(2)井数设计

① 解析法

根据《建筑与市政工程地下水控制技术规范》计算公式计算：基坑涌水量Q为3052m3/d，该工程单井流量约为400m3/d，该工程需布置的降压井数量为n= 1.2Q/q=1.2×(3052/400)≈10。

②数值模型计算法

根据勘察报告提供的土层特质(含水层埋深、厚度)建立模型，按照经验值对其水文地质特性进行赋值，并利用模型进行预测，为消除边界对模拟结果的影响，一般将计算区域边界外扩一定范围。本次模拟取边界外扩约1000m。

根据计算，主体基坑需要布设10口降水井，按照观测兼备用井数量不小于降水井总数的20%且不少于1口的要求，坑内共布设3口观测兼备用井；各类降压井总计13口，井深均为43m。在敞开式围护条件下，根据模型计算，在安全系数取1.10的情况下，坑内<4-2>承压含水层水位需满足降深3.88～4.25m的需求。图3是悬挂式帷幕下坑内外水位降深等值线图。

图3 悬挂式帷幕下坑内外水位降深等值线图(单位：m)

3.2.3观测井布置

(1)主体坑内潜水观测井

车站主体共布置28口疏干井，井深28m。

(2)坑外潜水观测井

主体基坑外每50m左右设置1口浅层水位观测井，保护构筑物附近适当加密，用于判定坑内抽水对坑外的渗流影响。主要布置于主体基坑外围，并避开后期附属结构。

(3)承压水位观测井

为及时掌握坑内减压降水时水位下降情况，指导降水运行，设置一定数量的承压水位观测井。

(4)坑外承压水位观测井

该基坑理论上围护已完全隔断<3-3>承压含水层，为检验围护结构的可靠性以及监测坑外该层水位变化，故考虑于坑外布置一定数量的坑外承压水观测井，以检测坑外承压水位变化情况，发现不正常水位波动时可及时采取措施。坑外按照每50m布设一口观测井，共布设10口，井深29m。必要的情况下可作为坑外应急回灌井启用。

(5)敏感建筑物附近专项应急回灌井布设

该工程止水帷幕难以将含水层组完全隔断，故坑内长时间抽水对坑外将产生一定的不良影响，工程附近敏感建筑物较多，需考虑在其附近设置一定数量的回灌井。因此，该布设初步考虑暂布设5口水位观测井兼应急回灌井，井深29m，在坑内减压降水开启后，同步进行回灌。图4是降水井平面布置图，图5是各类降水井结构示意图。

图4 降水井平面布置图

图5 各类降水井结构示意图

4 降水管理重点

4.1 专人管理

派人24h值班并做好抽水记录，记录内容包括降压深井涌水量Q和水头降s，并在现场绘制s～t曲线，以掌握抽水动态，指导降水运行达到最优。

降水运行期间，实行24h值班制，由专业值班人员认真做好各项质量和观测水位变化的记录，做到准确齐全。降水运行过程中对降水运行的记录，对停抽的井及时测量水位(每天1～2次)，对于水位出现的异常及时分析整理。

4.2 双电源保证

为保证基坑安全，减压降水运行期间总包对降水运行配备独立的供电系统，且供电系统配备两路以上不同变电站的独立电源。降水运行中保证一路工业用电停电后，另一路工业用电能及时使用，确保降水井的电源得到更换，确保降水过程不得长时间中断，以免影响基坑安全。

4.3 按需降水

降水工作在地下构筑物施工至上覆压力和地下水头的顶托力平衡后停止降水。停止降水的时间根据上覆压力与顶托力的平衡计算，计算结果报送设计方并取得设计方认可后施工现场才停止降水。抽水井个数和抽水量大小根据基坑开挖深度和承压水头埋深要求进行控制。水位控制严格按照基坑稳定性分析中的基坑开挖深度和承压安全水位埋深曲线进行。具体操作按照如下原则运行:

①承压水提前预抽水时间一般为1d，根据基坑开挖至临界深度的顺序依次开启相应区域降压井抽水。

②所有减压降水井均可通过开启和关闭流量节制阀来调节出水量并控制水位。

③降压井停抽根据届时实测静止水位经验算满足抗突涌条件。

4.4 自动化监测

在正式抽水运行后，对坑内外部分观测井放置水位探头，采用数据采集仪对地下水进行实时监控，这样，一方面可用于水位测量，另一方面可用于监控水位状态。一旦水位异常，可以第一时间发现，及时作出处理。

现场抽水运行期间，借助远程安全监测系统实时进行监控，以便第一时间获取开挖施工过程中的水位数据，实现对生产、运营情况的随时掌握，实现项目的综合自动化，并能建立网络范围内的监控数据和网上资源库，实时对现场进行安全把控。图6是远程安全监测系统示意图。

图6 远程安全监测系统示意图

5 结论

该车站按照既定降水方案顺利实施，基坑内的疏干效果理想，挖掘机和工人均在无水的状况下实施作业；疏干井还减少坑内土体含水量，提高土体强度，纵坡土体自稳性得到明显提高。所有措施均达到预期的降水目标。根据竣工后实测的监测结果，周边建筑物及管线的沉降量均在安全允许范围内。主要经验如下：

(1)降压井能有效地降低深层承压含水层水头，减少坑底隆起和围护结构的变形量，避免了基坑底部突涌的发生，确保施工时基坑底板的抗突涌风险。

(2)砂层的透水性、富水性、影响半径均很大，降水实施过程务必做到按需降水。采取“按需降水”的指导方针，能将周边环境(道路、管线和建筑物)的影响降至最低。

(3)影响降水效果的因素较多，在实际施工时，应通过理论计算与现场实际情况相结合，通过实际观测数据分析，因地制宜解决工程实际面临的问题。