天津地铁4号线西于庄站深基坑降水分析

□文/马 玲

1 工程概况

天津地铁4号线西于庄车站线路平面为直线，为地下3层双柱岛式站台，站台宽14 m，车站全长190 m，结构标准段总宽度为23.1 m，基坑开挖深度29.5 m。车站共设2座风道，4个出入口，2个预留出入口。

车站位于红桥区西于庄地区，南侧为增产大街，其余三侧均为待拆迁的低矮楼房区，管线主要为增产大街范围内的雨水及污水管线，距离基坑边约为5 m。

2 地质情况

本区地层由上至下分为9层：人工堆积、全新统新近沉积层、全新统上组陆相冲积层、全新统中组陆相冲积层、全新统下组陆相冲积层、上更新统第五组陆相冲积层、上更新统第五组陆相冲积层、上更新统第二组滨海潮汐带沉积层、上更新统第一组陆相冲积层。场区表层地下水类型为第四系孔隙潜水，主要储存于粉土及砂类土中，以大气降水补给为主，附近地表水系补给为辅，其排泄以大气蒸发为主。附存于第Ⅱ陆相层及以下的砂层、粉土中的地下水具有微承压性，为微承压水，见图1。

图1 工程地质与基坑开挖面、围护结构相对关系

基坑采用地下连续墙围护结构，地下连续墙深度为48 m，基坑开挖深度26.6～28.5 m。地下连续墙均穿透影响基坑开挖施工的第二微承压水层。

3 降水难点

1）工程地质条件比较复杂，地层相互交替情况较多。由于原有建筑物较多，勘察孔基本上都是在坑外设置的，不能准确反映出坑内地层情况。

2）基坑开挖采用盖挖逆做法，对地层沉降反应明显。因此对基坑开挖以及基坑降水操作要求较高。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“分层降水、按需降水、动态调整”的降水原则，尽量减少坑外水位下降导致的环境变化。

3）地下连续墙渗透水是本基坑最大的危险源，需做好充分的应急预案。

4 降水验算

4.1 基坑底板稳定性分析与计算

基坑开挖深度较大，需考虑下部62、64、74和75层承压水的顶托力对基坑底板造成的突涌破坏。因此，必须进行基坑突涌稳定性安全验算，根据验算结果采取有效减压降水措施，防止高水头的承压水从最不利点处突涌。由于基坑开挖面已进入第一微承压水层，需对第6层进行疏干考虑。因此需对7层进行验算。

开挖过程中，基坑底面的突涌稳定性安全验算，可按式（1）进行。

式中：hs——基坑底至承压含水层顶板之间的距离，计算时，承压含水层顶板埋深取最小值，m；

γs——基坑底至承压含水层顶板之间土的层厚加权平均重度，取19 kN/m3；

hw——承压含水层顶板以上的承压水头高度，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——基坑突涌稳定性安全系数，一般为1.05～1.3，本工程取 1.2。

4.2 第二微承压水层的基坑突涌稳定性安全验算

整个基坑大底板区域内，承压水顶板最浅埋深按10-ZK-107孔资料考虑，顶板埋深取37.00 m，微承压含水层的初始水头埋深暂定为6.00 m，车站标准段开挖26.60 m，端头井开挖最深度为28.50 m。

承压含水层顶板以上的覆土压力PZ=hs·γs=（37.00-28.5）×19=161.5（kPa）

承压水的顶托压力PW=γw·hw=10.0×(37.00-6.00)=310（kPa）

F=PZ/PW=161.5/310=0.52＜1.2

需要布置承压井，降低承压水位。如要满足，则需降低承压水的水头值为17.5 m，即水位埋深在23.5 m。

4.3 降水计算与分析

根据前述基坑突涌稳定性安全验算结果，必须对62粉土、64粉砂、74粉土、75粉砂含水层组采取有效减压降水措施，才能防止产生基坑突涌破坏。根据拟建场地的地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，本次设计采用了渗流数值法进行计算，为减压降水设计与施工提供理论依据。

根据研究区的实际水文地质结构条件及几何形状，对研究区进行三维剖分。根据研究区水文地质特性、基坑围护连续墙埋藏深度，水平方向将其剖分为75行，135列，垂向将其剖分为6层，图2。

图2 研究区平面剖分

减压降水设计计算以初始微承压水水头埋深5.0 m为前提条件。由于地下连续墙已将基坑下影响基坑安全的承压含水层组基本上隔断，因此为保证减压降水效果及尽量减小减压降水对环境的不利影响，采用坑内降水。计算结果见图3。

图3 第二层微承压水粉细砂⑦4⑦5层减压水位分布等水位线

根据计算结果，潜水及第一微承压含水层作为疏干目的层，水位控制在-26.6～-28.5 m以下即可，需布置24口疏干井，井深为35 m。对于第二微承压水层，需降低承压水头至-23.5 m，需布置6口减压井，另设置2口备用观测井，井深为43 m。因为基坑周边保护建筑物较多，为能够提前发现地下连续墙渗透情况，适当在建筑物附近设置部分坑外水位观测井。

4.4 减压降水引起的地面沉降预测

1）减压降水引起的地面沉降计算。根据地下水渗流模型计算得出的水位降深值，采用经典弹性地面沉降公式进行降水引起的地面沉降预测计算。

式中：△b——地层压缩量，m；

b0——地层初始厚度，m；

mv——体积压缩系数，MPa-1；

s——承压水位降深，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——沉降经验系数，其取值与土性及降水持续时间有关。

2）沉降预测计算结果。根据式（2）对基坑降水引起的地面沉降进行了预测计算（不包括土体开挖引起的地面沉降），降水90d后的预测地面沉降等值线见图4。

图4 降水90 d后的预测地面沉降等值线

由图4可以看出，满足基坑底板稳定性水位要求的前提下，若地下连续墙隔水效果很好（地下连续墙基本无渗漏），降水90 d后，由于减压降水引起的地面最大沉降量约为10mm。

地下连续墙是否渗漏将直接影响坑外含水层水位降深的大小，从而对周边环境产生不同程度的影响。地下连续墙的渗漏将导致渗漏点附近地面发生较大地沉降，若渗漏比较严重，则基坑内可能发生涌土、流砂，坑外可能发生地面塌陷破坏。

5 降水监测及沉降控制

1）降水运行期间，疏干观测井和减压观测井应每天至少监测一次，在水位异常情况下，水位观测频率按实际需要增加。及时统计降水报表，形成水位曲线，分析降水疏干运行情况。

2）根据勘察报告、降水设计文件、降水方案和降水施工组织设计等有关监测要求，制定监测监护方案，提出各项报警值界限。监测记录应当规范，监测数据应当准确并及时计算整理。

3）临近建筑物和地下管线的减压井抽水时间应尽量缩短，按需降水。

4）环境监测资料应及时报送降水项目部，以绘制相关的图表、曲线，调控降水运行程序，确保基坑开挖安全和环境安全。

5）在降水井群施工完成后，应进行试运行，再详细制定降压降水的运行方案。

6）在降水运行过程中随开挖深度逐步降低承压水头，根据试运行得到的结果，按开挖深度确定井群的运行。在控制承压水头足以满足基坑稳定性要求的前提下，尽量减小承压水位降深，以减小和控制降水对环境的影响。

7）对各种管线、需要保护的建筑、已建成的隧道、地下连续墙等，必须由专业监测单位进行监测。

8）基坑施工过程中，如地下连续墙发生渗漏或严重渗漏，应及时采取封堵措施，以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降以及由此加剧坑外的地面沉降。

9）当坑外观测井内水位下降超过自然变化最大值时，应加密监测次数。当地面沉降超过警戒值，必要时应考虑进行地下水回灌，回灌井另行根据沉降情况进行布设。

6 结语

工程在降水运行控制期间，严格执行“分层降水、按需降水、动态调整”的降水原则，降水效果良好，施工过程中基坑稳定，周边建（构）筑物及地下管线没有明显沉降或变形。

［1］段东明.复杂条件下地铁车站深基坑降水设计及施工工艺研究［J］.铁道建筑技术，2003，（4）：46-49.

［2］江 科.建筑深基坑降水方案研究［J］.山西建筑，2010，（15）：106-107.

［3］吴林高，李 国，方兆昌，等.基坑工程降水案例［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论［M］.北京：人民交通出版社，2003.