复杂施工空间条件下砂卵石地层联合降水控制

徐少平

（中铁建大桥工程局集团第五工程有限公司 四川成都 610500）

1 引言

近年，我国大力支持地铁建设，地铁建设过程中伴随着大量的基坑开挖和支护的问题[1]。基坑降水的情况决定了后续施工条件以及基坑开挖的稳定性，因此很有必要针对具体工程进行基坑降水研究。

1940年，Theis假设含水层径向无限延伸，竖向无渗流补给等的条件下，研究了潜水及承压水完整井流的规律，并且结合数学知识推导出了地下水非稳定井流公式（泰斯公式），该公式可结合实际情况考虑多种条件下的降水情况[2]。2000年，任红林对不同类型基坑、边界条件、降水井类型等，通过有限元分析、现场监测数据，对比分析了基坑井点降水和地下水位随时间的变化规律，得出了较完整的降水方案。

首先，结合车站站位布置及工程地质状况，分析了降水对线路的影响，验证了降水控制的必要性；随后，在以降水井为控制措施的基础上，进行了降水井布置计算；最后，则是依据工程实际情况进行相关降水施工技术指导[3]。

2 工程概况

成都地铁中医大车站为5号线与2/4号线的三线换乘站。车站主体位于一环路西二段与清江东路交叉路口下，车站沿一环路下穿隧道两侧布置，呈南北走向，2/4号线沿清江东路布置，呈西北至东南走向。

根据成都地铁中医大车站地质详勘报告，该通道位于＜2-9-4＞密实砂卵石层中，该地层地质特性为:卵石含量大于70%，卵石粒径2～20 cm，含漂石，磨圆度较好、分选性差，圆砾、中砂充填。据颗粒分析试验:粒径＞20 mm的颗粒含量为70.8%～82.5%，粒径为2～20 mm的含量为3.6%～8.7%。隧道周边局部地段分布有中砂透镜体，中砂透镜体对区间隧道围岩稳定性影响较大。总体围岩地质条件差，围岩稳定性差，围岩综合分级为Ⅵ。

中医大车站地处岷江水系冲、洪积平原一级阶地，车站地下水主要包括填土层中的上层滞水和第四系砂、卵石层的孔隙潜水，第四系孔隙潜水在工程施工中影响较大。由于其附近卵石层较厚，呈现层状分布，其中局部掺入砂，含有大量的孔隙潜水混入其中，水量较大、水位较高，卵石层中孔隙水形成贯通的自由水面，渗透系数取值k＝22.0 m/d，自然水位为地下5～6 m，该暗挖通道水头高度21 m。地下水对基坑开挖稳定性影响较大[4]。

3 降水对实际工程的影响

3.1 降水对线路影响

由于成都地区地下水位高，考虑施工安全性和稳定性，在地铁施工过程中必须采取降水措施[5]。在工程施工中降水引起的环境问题主要为建筑物不均匀沉降导致的裂缝和地面下沉对地下管线造成破坏[6]。降水期间对顶板沉降进行了监控观测。不开挖条件下降水深度对比，沉降量变化云图如图1、图2所示。

图1 不开挖条件下一次性降水30 m

图2 不开挖条件下一次性降水18 m

当一次性降水为30 m时，从云图中可以得出顶板的沉降量达到4.93 mm，而既有线路的底板沉降量达到5.17 mm，很大程度超过了隧道既有线路的沉降控制标准值3 mm，可以得出此降水情况不能保证正常运营。

一次性降水为18 m时，从云图中可知顶板的沉降量达到3.64 mm，而既有线路的底板沉降量达到4 mm，远远超过了隧道既有线路的沉降控制标准值3 mm，不能保证正常运营。

3.2 降水对既有线影响

地铁施工中，基坑开挖深度一般达十几米至二十几米，对地下土层结构影响较大。中医大车站是2/4号线既有车站，由于砂卵地层的复杂地质条件，现又要在既有的两条平行线路上再改造、建设一条5号线，必定会涉及到降水控制技术。车站剖面图见图3。

图3 车站典型剖面图

4 降水控制

根据成都地区降水工程经验及中医大车站实际情况，该通道采用轻型管径降水方案。降水验算如下:

降水井布置区域基坑长×宽×深＝82 m×26 m×6 m；渗透系数22 m/d；水位年幅变化2～3 m；水力坡度0.1；常水位地面下5 m；降水至基底下1 m，降深22.07 m；降水井过滤器的工作长度9 m；沉砂管长度1 m。

井深计算:

经计算得Hw＝38.37 m

涌水量计算:

单井出水量计算:

降水井数量:

降水井间距:

根据以上计算，该暗挖通道降水井布置参数为:降水井深度地面以下38.37 m、降水井数量12口、降水井间距18 m。

根据暗挖通道布置，2/4号线底板投影范围内通道长度为67.7 m，若仅在2/4号线结构范围以外布置降水井，则降水不能满足要求。根据理论计算，降水井布置情况如图4所示。

图4 降水井布置

5 降水工程施工技术

5.1 降水井布置过程

车站施工期间采用管井降水，降水井成孔直径为0.8 m，井管直径为0.3 m。井管由实管、过滤管、沉砂管组成[7]。降水井平面布置如图5所示，沿车站两侧设两排降水井，呈梅花形布置，通过迅速固结基坑内软弱土体，从而有效改变土体含水率。通过改变土体自身力学性能，改变地质参数，提升土体抗剪强度，增加稳定性，可以有效控制管涌、渗流、坍塌现象，并防止坑底出现回弹隆起现象，保障顺利开挖基坑，使地下结构施工过程中不产生异变现象。避免坡体由于降水量不足、降水不及时等因素而导致坍塌和滑移[8]，保障其稳定性。

图5 结合站台、站厅情况降水井平面布置

管井成孔→替浆及下管→填滤料→洗井→水泵设置→排水排浆→抽水要求、试验[9]。井管采用混凝土滤水管，在预制混凝土管斜面上放置井管；滤料是石屑（3～6 mm），不掺杂任何杂质，用铁锹填料时，必须均匀地沿孔口四周填入，手推车倒入的方式会造成滤料塞缝，使井管歪斜，因此严禁使用[10]。成井后必须及时洗井，使用水泵、空气压缩机配合操作洗井，直至水清且达到了正常出水量才符合标准。在基坑开挖时，应注意采取保护措施，降水井间距可作局部调整，但调整间距最大不应超过50%设计井间距[11]。必须保障降水井的清洁，不落入挖出的土。基坑施工时，降水井持续降水，底板砼浇筑前，填充滤料，将基底填至符合原设计的标高。下管前将井管依井方向立直，垂直吊放，并保持在井孔中心，通过逐节吊放的井托法，井管用竹片来连接，以8号铅丝牢固地绑扎竹片，以1 m间距绑扎，并且不能使井管扭曲，使井管于井孔内处于居中位置[12]。然后于管井四周均匀填入滤料，注意不可挤偏井管，从钢丝网将井管包扎至2 m。

5.2 施工降水过程控制措施

由于降水过程会引起基坑土体的孔隙水压力变化，进而可能引起地表沉降变化，因此施工中有降水措施的情况下，应采取一些控制措施。

地表沉降变化与降水井深度、降水井间距相关。降水井深度越大，降水效果越好，但相应的因降水所引起的地表沉降越大，且随着降水井深度的增大，地表沉降的影响范围也会不断增大；降水井间距越大，同一基坑内孔隙水压力越大，即降水降压效果越差。但由于孔压下降较小，地表沉降值及地表沉降范围都相应变小。

保证既有线容许沉降值的同时实现降水降压，就需要设置合理的降水井深度、降水井间距，以及最优的地下水管网布置。

降水井深度以及降水井间距按以上计算取值。地下水管网方面，首先用水泵把地下水抽至周边的沉砂池，使其在沉砂池中集中并沉淀，利用过滤网将砂泥、杂物与水隔离，再将过滤后的水集中排放至市政管道。因此，过滤过程中沉砂池的位置选择就相当重要，应尽可能地靠近市政管网，以便于联结。无论对排水管道，还是对沉砂池，都不可忽视防渗漏措施的合理设置，使其达到有效的保护作用。

5.3 变形监控

基坑开挖过程中，尽管会做好措施防止倾斜，但仍可能存在已有建筑受施工影响而出现倾斜的情况，此时，变形监控就变得尤为重要。变形监控可以在有效地保护新建建筑的同时，预防已有建筑出现不良状况。从监测空间来讲，变形监测区域分为平面和垂直位移监测。从监测物来讲，包括降水地面、新建建筑物、已有相邻建筑等。监测的主要内容则是建筑物的沉降倾斜监测。确定基坑平面状况、地面下沉、垂直位移状况及降桩水平方向的位移是否符合《建筑基坑工程监测技术规范》（UB 50497-2009）与《建筑变形测量规范》（JUJ 8-2016）的标准。

6 结论

通过以上分析，得出工程降水引起底面沉降原因，主要有以下几个:

（1）施工过程中降水会引起土层固结而压密的现象，土力学太沙基理论解释了整个变化原理。

（2）由于地铁基坑开挖，改变了地下土结构，从而改变了地下水的抗浮力，土体发生沉降变化。

（3）渗透压力由于降水发生改变，方向性和分层压密地层之间的相互作用，引起了地层收缩发生沉降变化，地下水浮力减小导致地层土颗粒渗透压力变化，使得地下土体具有方向性和分层压密地层的作用。

针对该工程降水过程中造成的不均匀沉降问题，提出以下解决建议:基坑开挖前，可预先在基坑周围布置止水帷幕或回灌水；基坑开挖过程中，实时监控工程中因降水产生的各类位移；如出现影响既有线路、既有建筑的使用和在建项目施工的安全时，应与有关单元协同合作并采取措施处理。同时，地铁基坑开挖应做到:确保工作面干燥和少水环境，施工能更有效地进行；减少土体含水量，从而能有效地稳定土体结构，提高土体的力学指标，增强土体强度等。

成都总体为富水砂卵石，在此地质情况的区域进行深基坑降水需要将国家标准、行业规范与当地工程地质情况相结合，并据此来布置降水井。但布置过程中还是应遵循“以管井降水为主、辅以明排”的原则。地下水通过水泵泵至沉砂池过滤，过滤后的地下水再排至市政管道，从而达到检测水质以确定地层变形情况、合理疏通地下水，减少对环境的影响。