某地铁工程基坑降水方案研究

高红影，张喜波，杨沐苑

(1.天津国土资源和房屋职业学院，天津 300270；2.天津城建隧道股份有限公司，天津 300000)

1 引言

地铁工程基坑开挖深度较大，尤其在含水层较浅的场地中进行基坑开挖不可避免地会遇基坑降排水问题，如果不能有效地进行基坑降排水，必然会对施工进度、施工安全以及周边环境产生不良影响，为了确保施工进度、施工安全以及周边环境安全，应采取安全可靠的基坑降水方案。

2 工程概况

某地铁车站A出入口为两线共用出入口，A出入口上方设有主变电站接入车站内的排管，出入口位于排管范围内部分施工采用盖挖法。围护结构采用钻孔灌注桩及旋喷桩止水帷幕内加SMW工法桩支撑体系，顶板以上部分开挖方式采用放坡开挖，顶板以下部分未设置支撑体系[1]。基坑工程性质如表1所示。

表1 A出入口基坑工程性质

3 工程地质与水文地质条件

3.1 工程地质概况

根据A出入口地下土质岩性特征，从上到下工程地质描述如表2所示。

表2 土质岩性特征

3.2 水文地质条件

地下水分布研究工作采用分析基坑及其以下部分土体的分层、岩性特征等地质资料，外加现场直接抽水试验相结合的方式展开。经研究试验初见水位的埋置深度在1.3～3.0 m，相当于标高0.731～1.73 m；静止水位埋深0.9～2.7 m，相当于标高1.31～2.03 m；施工涵盖场区范围潜水水位年变幅约0.50～1.00 m[2]。直接影响A出入口基坑施工的有三个承压水层，如表3所示。

表3 承压含水层性质

4 降水施工重点及难点

4.1 潜水土层降水不当影响基坑开挖

本工程开挖范围内以杂填土及粉质粘土和粘土为主，开挖过程中施工机械难以在开挖面上进行操作；针对风险特点及上部潜水层含水层特点，为了降低基坑土层的含水量，基坑开挖前预抽水并在基坑内布设疏干井。

4.2 场地承压含水层

在基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，承压水上层土层变薄上覆土压力变小，当承压水向上的顶托力大于上覆土压力时，承压水突涌是要解决的工程重要问题[3]。

4.3 周边环境因素

止水帷幕已将第一承压含水层隔断，经验算需要降压，理论上坑内降水对坑外影响较小，鉴于止水帷幕的施工工艺、质量等仍存不确定因素，采取降压措施可能将对周边环境产生一定影响。

4.4 施工因素

由于基坑规模较大，开挖深度较深，存在降水井运行时由于土方开挖而被机械破坏的风险。

5 基坑降水方案研究

5.1 基坑降水整体思路

根据分析，结合基坑止水帷幕设计，降水的设计思路如下。

(1)本工程开挖范围内以杂填土及粉质粘土和粘土为主，开挖过程中施工机械难以在开挖面上进行操作；针对风险特点及上部潜水层含水层特点，为了降低基坑土层的含水量，基坑开挖前预抽水并在基坑内布设疏干井，同时布置明排水，保证土质含水量能正常进行土方开挖及开挖面施工。

(2)对于第一承压含水层，需进行基坑底抗突涌验算后确定降水井数量[4]。

(3)在潜水及承压水层分别布设坑外观测井，以观测坑内降水时坑外水位的变化，对施工进行一定的预警。针对性地观测坑外水位变化。

(4)保证疏干井正常工作避免机械破坏，本工程采用钢材质管井。

5.2 基坑降水方案计算

5.2.1 疏干井计算

本场地上部土以黏质土、淤泥质粘土为主，渗透性差，且坑底位于淤泥质土层中[5]。疏干井滤头依据不同开挖深度及地层分布布设，其深度插入坑底以下不小于5 m。A出入口属狭长型基坑疏干井按14～16 m左右一口布设，共设置7口井。

5.2.2 基坑抗突涌验算

基坑底板抗突涌验算应满足基坑底板至承压含水层顶板间的土压力与承压水的顶托力之比应大于安全系数[6]。即：Σh·γs/γw·H≥Fs。

(1)

式(1)中：Σh为各土层厚度之和(包含基坑底板至承压含水层顶板之间所有土层)，以m为单位；γs为各层土层加权平均重度，以kN/m3为单位；H为需降水高度，以m为单位；γw为水的重度(kN/m3)，取10 kN/m3；Fs为安全系数，本场地取1.10。

A出入口第一承压水层为粉砂层其上层为粉质黏土层，γs取土层平均重度值为20.3 kN/m3，根据工程的具体情况分析得出第一层承压水水位高于承压含水层顶板0.937 m，即需降水0.937 m，基坑底板到承压含水层顶板之间土层厚度为2.76 m，将以上数据带入抗突涌验算公式，经计算第一层承压水上土层满足抗突涌要求[7]。

5.3 降水井布置

5.3.1 坑内疏干井

坑内疏干井至少在挖掘机挖土、土方外运、坑内施工等作业施工前20 d以上进行疏干降水，提前进行疏干井降水工组目的是有效降低有待开挖土体的含水量，确保基坑开挖施工的顺利进行[8]。地下水位至少降至基坑开挖面1.0 m以下方可进行下一步土方开挖，如降水不到位不得施工。另考虑到施工期间疏干井损坏严重，坑内疏干降水井均采用钢管。A出入口属狭长型基坑疏干井按14～16 m左右一口布设，共设置7口井，疏干井口直径650 mm，材质采用273钢管，疏干井壁厚3 mm，井深为三种类型，分别是：15 m一口、18 m一口、16 m三口。

5.3.2 降压井

降压井的布设目的是降低承压水压力，以降低含水层对基坑的影响。降压井可减少基坑底部发生突涌的可能性，确保施工过程中施工安全不会出现基坑底板失去稳定性现象[9]。另降压井可兼备用井使用。本工程降压井共2口，井径650 mm，273钢管材质，壁厚4 mm，井深22 m。

5.3.3 坑外观测井

坑外观测井主要用于观测，通过观测基坑内、外水位变化情况收集相关数据及资料，进而经过数据分析可校验坑内降水对坑外周边水位影响，一旦产生不良影响应立即停止降水工作。同时可根据坑内外水力联系情况分析止水帷幕是否出现渗漏，当工程一旦出现抽水过多导致坑外水位下降严重情况，坑外观测井也可作为回灌井使用。本工程坑外共设置观测井3口，井径650 mm，273钢管材质，壁厚4 mm，井深22 m[10]。另设若干坑外浅表观测井。

5.3.4 集、排水措施及要求

降水运行过程中排水应顺畅，以减小基坑开挖范围内土体中含水量，保障降水效果确保工程正常施工。施工现场排水设施中排水管的尺寸、长度，水泵的功率、数量等方面必须满足工程降水的需求。施工现场基坑的两侧相应位置应设置排浆池做到排水有组织，确保不出现无组织乱排水现象。并保证在排水管线距离最短的情况下将基坑内降水井中水体排入集水箱，集水箱内应放置污水泵做二次转接抽水，将水最后排入市政排水管网。排水设施还应满足以下要求。

(1)排水设施必须保障排水的顺畅，排水管宜短，且满足工程降水最大出水量的需求[11]。

(2)基坑挖土施工过程中如果遭遇强降雨，基坑汇水面积大低洼处将汇集明水，应做好基坑明排水工作。采用设置临时集水井、污水泵等设施将明水及时排入坑外排水网道中。

(3)应根据施工季节提前掌握降雨情况及降水量，提前准备足够数量的水泵、排水管等物资做好基坑明排水的准备工作。

5.4 基坑封井方案

5.4.1 封井注意事项

(1)部分疏干井于基坑开挖至开挖到底，底板浇筑前封闭；但部分疏干井保留下来作为泄水孔，这部分疏干井于底板浇筑完成后割除井管至底板面后按照泄水孔要求时间封闭。

(2)承压水观测井应在底板浇筑完毕后可考虑停止抽水，但必须满足抗浮要求。

(3)在试停抽水期间不应拆除降水井内的抽水泵，在工程需要继续抽取地下水时抽水泵可以随时正常进行抽水工作。

(4)封井应在相关单位共同协商并形成相关文件后进行。相关单位未签字认可，任何一方不得停止降水井抽水及封井工作。

5.4.2 封井方案

5.4.2.1 疏干井

基坑开挖至底板标高后，出水量较小的疏干井可最先进行封井，但封井必须在静水状态下进行，底板以下填混凝土，混凝土上填炉渣后再施工底板垫层。根据现场具体情况，出水量较大的疏干井可进行适当保留，这部分疏干井封井方法可参考降压井封井方案，并与降压井同时进行。

5.4.2.2 降压井

降压井封井工艺流程：降水井管外焊环形止水钢板→预拌混凝土→井内下泵抽水→首次浇筑混凝土并振捣密实→二次浇筑混凝土并振捣密实→割除降压井井管→井管外焊止水钢板并抹平井口。

基坑开挖至设计标高后，在降水井管外焊一道环形止水钢板，止水钢板外径大于等于600 mm，止水钢板位于距离基坑底面50 cm高度位置；预拌足量的混凝土，封井混凝土量需按照设计图纸计算单井用量后再根据现场实际封井数量确定；井内放入抽水泵，抽水泵将井内水位抽至最低后立即取出；首次将混凝土灌入井内至底端滤水管顶部以上2～3 m处，捣实井内混凝土；混凝土初凝后检查管内余水高度，如果余水高度大于50 cm应在井内放置水泵抽出余水；二次将混凝土灌入井内灌至距离基坑底板顶面10 cm位置，再次捣实混凝土；待第二次浇灌的混凝土初凝后切割剩余的井管，切割完成后井口位置设置在基坑底板顶面以下10 cm处；井口处井内焊一道厚4 mm的止水钢板，采用水泥砂浆抹平井口后降压井封井完成[12]。

5.4.2.3 坑外观测井

根据坑外观测井的特点，采取如下封井方案：封井混凝土用量应提前计算并提前搅拌备用；为控制灌入混凝土时的离析现象首先向井内投放两包水泥；然后灌入混凝土至滤管顶以上3～5 m处；混凝土初凝后观察井内渗水情况，必要时下泵抽出余水[13]；二次灌入混凝土至地面下10 cm处，混凝土振捣密实；切割井管至地面位置；在井口处抹水泥砂浆至填平，观测井封井完成。

6 结语

基坑降水过程仍受到工程现场实际情况的制约，虽然止水帷幕已隔断潜水及第一承压含水涌入基坑，理论上坑内降水对坑外影响较小，但考虑到止水帷幕的施工工艺、质量等仍存不确定因素。因此应通过在基坑外设置监测观察点，随时观察监测水位变化及土体沉降变化，如发现水位即沉降量达到了预警值，必须采取应急措施，以免工程事故的发生，同时也要求在降水过程中一定不能盲目降水，不得过多抽取地下水，过多抽取地下水是对水资源的一种浪费，而且会对基坑周围房屋、道路等工程产生不良影响。基坑降水过程中相关观测资料一定要及时收集、整理、汇总，根据资料是否有异常分析工程是否安全及指导降水施工。降水正式运行前应通过试验验证降水对坑外水位降深的影响，必要时考虑将坑外承压水观测井作为应急回灌井使用，或适当增补回灌井。