济南某地铁线路深基坑降水施工技术

李好懿，谢一鸣，张 平

(昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650032)

我国经济的蓬勃发展推动着各城市地铁网络的快速扩建，地铁线路不断延伸，车站层数逐步增加，由此带来的基坑深度增加也引发了一系列的工程问题。济南市因其泉城的地位而声名远扬，在城区内分布着众多泉水，地下水资源丰富。本项目区域作为城市核心功能区，不仅交通道路密集，还汇集了大量泉水涌出点，区域的地质结构变化复杂，是济南地下轨道交通规划的重要区域。

基坑降水势必引起周边地下水位的变化，从而引起地基变形[1]，甚至可能引发地面沉降。同时，在施工阶段，也可能引发各类风险和问题。此外，在地下轨道交通运营阶段，由于地铁隧道可能干扰或改变岩溶水的补给、径流和排泄路径，也将对地下水位产生不可忽视的影响[2]。

在这样的背景下，如何有效应对地铁基坑降水所带来的诸多挑战成为亟待解决的重要问题。本文将探讨与基坑施工相关的关键工艺，包括针对复杂水文地质条件的降水设计方案、基坑位移控制策略以及数值模拟的应用。通过深入研究和实践，为解决基坑施工降水所面临的困境提供一定参考。

1 工程地质概况

本工程划分为2 个主要部分：地铁车站基坑和地铁隧道基坑。地铁基坑区间概况：本区间起于临沂路以东，腊山河西路以西。场地周边地块内以施工场地及苗木林为主，施工场地多为施工板房，地势较为平坦。采用明挖法施工，上部采用1∶0.7 土钉墙支护，下部采用地连墙+灌注桩支护，地坪整平标高约28.000m，基底标高约10.100～13.227m，沟槽深度约14.7～17.5m。地铁车站：拟建文化中心站西端头与地铁基坑区间相连，基坑开挖深度约17.5m，采用地连墙+支撑支护。

地铁基坑降水深度范围内自上而下岩土层分布情况为：1-1 素填土、1-2 杂填土、3-1 粉质黏土、3-4 细砂、7-1 粉质黏土、9-1 粉质黏土、9-5 卵石、10-1 粉质黏土、10-3 碎石、10-5 圆砾、10-8 中粗砂、14-1 粉质黏土。

根据勘察单位建议的降水设计参数和现场抽水实验成果，区间内各段按照涉及地层的不同，综合考虑选取土层渗透系数如表1 所示。

表1 土层渗透系数表

2 降水分析

2.1 重难点分析

本项目的基坑开挖深度介于15～18m 之间，坑底位于粉质粘土层（3-1 层），这一土层含水率较高，坡顶容易发生纵向滑移，而坑底则存在突涌的风险。因此，地下水降水的效果在基坑主体结构的顺利施工中具有关键性作用。

2.2 基坑涌水量计算

采用JGJ120-2012《建筑基坑支护技术规程》中（E.0.2 公式）对开挖段进行估算，基坑降水总涌水量可按下式计算

其中，Q为基坑降水总涌水量（m3/d）；k为渗透系数（m/d）；H为潜水层厚度（m）；h为降水后基坑内水位高度；l为过滤器进水部分长度（m）；R为降水影响半径（m）；r0为基坑等效半径（m）。

经计算，各分段的涌水量如表2 所示。

表2 涌水量计算表

2.3 单井出水能力及井深计算

2.3.1 单井出水能力计算

考虑到成井质量对实际出水量的影响、止水帷幕的挡水作用、群井抽水的影响，结合以往经验，单井出水量取单井出水能力的25%～30%。

2.3.2 降水井深度计算

根据降水深度、含水层分布、降水井过滤器管材以及围护结构等等因素综合而定，井深按下式考虑。

其中，Hw为降水井深度（m）；Hw1为基坑开挖深度（m）；Hw2为降水水位距离基坑底要求的深度（m）；Hw3为其值=i×r0（m）；i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/12；r0为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距的为1/2；Hw4为降水期间的水位变幅（m）；Hw5为降水井过滤器工作长度（m）；Hw6为沉砂管长度（m）。

2.4 降水井数量计算

据地区经验面积法，井数量n=A/a。

其中，n为井数量（口）；A为基坑需疏干面积（m2）；a为单井有效疏干面，根据济南地区经验，单井有效疏干面积按120m2考虑。

据基坑涌水量计算法，井数量n=Q/q0。

根据前文计算得到的基坑涌水量和单井出水能力计算得到基坑所需降水井数（表3）。

表3 基坑所需降水井数（单位：口）

2.5 降水布置

施工降水采用深井管井降水，井孔为钢丝绳冲击钻成孔，在基坑内部布置降水井（图1）。地铁段坡顶采用∅850@600 三轴水泥搅拌桩止水帷幕，止水帷幕穿透粉质粘土层进行桩间止水，保证放坡开挖的安全。坡顶设置1 口降水井，深15m 孔径为1 000mm。基坑坡底使用1 口深18m孔径为1 000mm 的降水井。基坑坡底两侧使用800mm 厚地连墙对基坑进行支护，基坑内部采用用井深25m 孔径为1 500mm 的2 口降水井。其中基坑内部抽水井井管为管径650mm、壁厚10mm 的无缝钢管，井管上部7 节井壁管，下部5 节滤水管和1 节沉砂管，管高出地面200mm；滤水段由∅650mm 满布滤水孔的钢筋砼管，以及其外包的双层60 目缠尼龙网透水层组成。

图1 一期中段剖面图

降水时应采用分级降水，根据周边及坑内水位监测情况确定降水泵下放深度。水位降深不得低于开挖面以下0.5m，严禁超降。当局部降水困难时可结合明排的方式降水。

拟建地铁基坑明挖段总长度约370m，共设置8 排降水井。两侧放坡位置边坡坡顶各设置一排降水井，水平间距10m，井深15m，共计65眼；两侧放坡坡底各设置1 排降水井，水平间距10m，井深18m，共计60 口；两侧区间内各设置一排降水井，水平间距15m，井深23.5～27m，共计53 口；两区间之间设置两排降水井，水平间距15m，井深25～27m，共计47 口。降水井排距5～12m，合计225 口。

选取以下列两个较为特殊的平面举例说明。

1）一期中段平面 2 号平面为C-D 段（一期中段），共设置8 排降水井，两侧基坑坡顶、坡底分别设置1 排，水平间距均为10m，坡顶降水井深15m，坡底降水井深18m；两侧区间中心线附近分别设置1 排，两侧区间之间设置两排，降水井水平间距均为15m，深度25m；排距约5～12m，拟建管井成孔直径均为650mm（图2）。

图2 一期中段平面图

2）二期西端平面 1 号平面为区间起点A 段（二期西端），共设置4 排降水井，两侧区间中心线附近分别设置1 排，两侧区间之间设置两排，降水井水平间距均为15m，排距约5～8m，拟建管井成孔直径650mm，深度均为25m（图3）。

图3 二期西端平面图

3 施工工艺

施工流程如图4 所示。

图4 施工流程图

施工前核实地下管线分布情况，为避免障碍物最大间距不得超过130%设计井间距。在基槽土方开挖前，降水井的布设应已形成封闭状态，或超前2 倍基槽宽度。将冲击钻机安装至井位附近，核对井位，确保井径误差在±20mm 范围内，垂直度误差不超过1%。

在护壁管埋设后，开始泥浆护壁钻孔。保持孔内泥浆高度，防止塌孔。验收清孔后，吊装640mm 无缝钢管。每井配备一泵，将吸水器吊至井底，水管自井下接至汇水总管。在降水井外侧布设直径不小于200mm 的焊管。地下水经汇水总管引至沉淀池，经沉淀后排入市政污水管道或水渠。将滤料均匀投放在内管周围，选用孔隙率不小于20%的中粗砂，回填至滤管顶部以上，上部回填黏土固井。采用空压机和活塞联合洗井，重复洗井过程，直至出水含砂率小于1/10 000，以保证抽水设备正常运转且不引发地层下沉。在管井运行前进行试抽，检查抽水是否正常，无淤塞现象。试抽正常后进行正式抽降水。

超前抽水时间不少于14 天，每日观测水位，确保抽水设备正常运转。抽出水的含砂量需满足规定要求，以防地层下沉。管井降水完毕后，孔洞填实，上部用粘性土填充夯实。

4 PLAXIS 3D有限元模拟对比

1）基坑位移云图绘制 通过模拟基坑降水的能力，我们绘制了基坑位移云图（图5）。在模拟中，地下连续墙起到了明显的保护作用。有效地减少了基坑外部地下水的影响，使得基坑外的土体基本不发生下降，确保了基坑的稳定性。同时，地下连续墙还能迅速排干基坑内部的地下水，确保开挖过程不受地下水的干扰，达到了设计要求。

图5 基坑位移云图

2）坡顶位移验证 根据模拟结果，我们得出坡顶处的最大位移为-16mm。这一数值小于GB50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》中对坡顶位移的要求，即不超过30mm，符合设计规范的要求。

3）基坑底部位移抬升 模拟结果显示，基坑底部出现6mm 位移抬升现象。这是由于抽水导致地下水位下降，形成了降落漏斗，进而降低了水压力，导致周边地下水向井口富集。这可能引起局部地下水位上升，进而导致土体抬升。然而，模拟结果显示，这一抬升数值在可控范围内，没有造成不良影响。

4）降水方案效果验证 基于位移云图的分析，降水方案被证明是合理且有效的。通过抽水，基坑周边和内部的地下水流向降水井，最终被抽出。这降低了地下水位，为施工创造了良好的条件。

5 结论

通过现场抽水实验、基坑涌水量计算和降水需求计算，制定了科学的降水方案，结合地区经验法和基坑涌水量法，对降水井数量进行了合理布置，并阐述施工流程和工艺，满足工程需求。同时研究验证了PLAXIS 3D 软件在深基坑降水设计中的重要应用价值。止水帷幕和地下连续墙在维持基坑内外地下水位平衡方面发挥了显著作用，确保基坑的稳定性，且基坑开挖对周边建筑物的影响得以有效控制，PLAXIS 3D 软件在降水方案设计与施工中具备显著的指导与应用价值。