苏州地铁车站深基坑降水的设计与施工

张志强

(中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西太原 030024)

0 引言

如何解决深大基坑降水是基础工程施工中最棘手的问题［1］。降水的设计施工以及降水所引起的其他岩土工程问题，对基坑工程和周边环境的安全至关重要［2］，因此对深基坑降水设计与施工的研究具有很重要的意义。本文以苏州火车站改造工程地铁2号，4号线深基坑降水工程为背景，具体阐述了降水设计与施工。

1 工程概况

苏州火车站综合改造工程主要由新建沪宁城际铁路苏州站场、普速铁路苏州站、城市轨道交通2号，4号线工程组成。规划火车站枢纽共5层，其中地上2层，地下3层，地上第2层为高架候车大厅，地面层为城际和普速铁路站房，地下1层为出站层兼轨道2号线站厅层，地下第2层为轨道2号线站台层和轨道4号线站厅层，地下第3层为轨道4号线站台层和设备、管理用房，整体呈“工”字形布置。地铁2号线车站及风亭、4号线车站-1层及4号出入口采用明挖顺作法，4号线-2层，-3层采用逆作法施工。-1层～-3层的开挖深度分别为9.6 m，17 m，23.4 m;2号，4号线最大开挖宽度分别为40 m，26 m。

2 场地土层与水文条件

2.1 场地土层条件

苏州火车站综合改造工程位于太湖冲积湖及泻湖沉积平原，根据勘测报告可知，施工场地60 m土层范围内主要土层物理性质如下:

①填土层:层厚0.70 m～2.5 m，压缩性高，土质不均;②粘土层:层厚0.90 m～4.50m，压缩性中等;③粉质粘土层:层厚5.0 m～15.5 m，压缩性中等;④粉土层:层厚 1.30 m ～6.50 m，压缩性中等;⑤粉质粘土:暗绿色，硬塑，层厚0 m～6.0 m，压缩性中等;⑥粉质粘土:灰绿色，软塑，厚0 m～7 m，压缩性中等;⑦粉土夹粉质粘土:灰黄 ～灰色，中密，湿，层厚3.90 m ～10.50 m，压缩性中等偏低;⑧粉砂、粉土夹薄层粉质粘土:灰色，中密，饱和，层厚0 m～13 m，压缩性低。

2.2 水文条件

由地质勘测报告知:本工程场地，地下水分为孔隙潜水、微承压水及承压水。

1)潜水。

潜水主要赋存于①填土层中，在勘察区分布均匀，透水性不均匀。主要接受大气降水、沿线污水入渗补给。勘察期间，潜水埋深为0.00 m ～1.36 m，相应标高0.48 m ～0.85 m。

2)微承压水。

微承压水主要赋存于④粉土层中，由于④层水平向差异性较大，其透水性及赋水性中等。该含水层补给来源主要为潜水和地表水，埋深为6.80 m ～12.20 m，厚度为 1.30 m ～6.50 m，对车站施工影响较大。根据抽水试验报告，④层渗透系数K=1.75E-3 cm/s，影响半径为45 m，为透水土层。

3)承压水。

承压水主要赋存于⑦粉土夹粉质粘土层中，该土层水平向差异性较大，该含水层的补给来源主要为承压水越流补给及地下径流补给。该含水层埋深为29.00 m～34.90 m，厚度为3.90 m～10.50 m，对车站施工影响较大。根据抽水试验报告，⑦层渗透系数K=7.59E-4 cm/s，影响半径为45 m，为弱透水土层。

3 基坑降水、降压设计

火车站地下①层基坑开挖深度9.6 m，开挖面积31 850 m2，坑底位于第④层粉土上。根据勘察报告，②层，③层渗透系数较小，均为不透水层，影响到地下①层基坑开挖的地下水为潜水，主要赋存于填土层。故地下①层基坑降水可采用如下方法:在开挖表层填土之前，采用集水明排方式疏干表层填土中的潜水。第①层填土开挖完毕，采取同样的方法依次挖土至设计标高。

为了便于说明本工程基坑降水设计与施工，取2号，4号线地铁车站基坑标准段、风亭及4号线出入口基坑等部位降水为例，进行具体阐述。

3.1 降水(疏干)井设计

1)2号，4号线基坑标准段降水井设计。

2号线基坑开挖深度17 m(标高-14.960 m)，4号线基坑开挖深度23.4 m(标高-22.16 m)。2号，4号线连续墙入土深度分别为49 m，43 m，连续墙墙底均进入⑧层土中，完全隔断了④层微承压水与外部的水力联系，故可按潜水考虑用降水井进行疏干。

根据以往地铁基坑降水施工经验，并结合本基坑特点，每口降水井有效降水面积可取200 m2。2号，4号线标准段基坑面积分别为2 812 m2，3 010 m2，故2号，4号线基坑可分别设14口、15口降水井，设计井深分别为23 m，28 m。

由于地铁基坑呈狭长形，降水井采用梅花形均匀布置，井点至围护结构距离控制在5m左右，井与井之间距离控制在10m左右，降水深度控制在基坑底以下1.0 m，每个深井井点配深井泵1台，3个井点配真空泵1台。

2)风亭及4号线出入口基坑降水井设计。

风亭基坑、4号线2个出入口基坑分别开挖至-15.02 m～15.05 m，其围护结构均完全隔断④层微承压水与外部的水力联系，故可按潜水考虑用降水井进行疏干，同样降水深度控制在基坑底以下1.0 m。

根据经验，每口降水井有效降水面积为200 m2，由于两个风亭面积各为90 m2，故每个风亭设置一口降水井即可，设计井深20 m;4号线2个出入口面积均为1 215 m2，故4号线每个出入口均需设置6口降水井即可满足要求，设计井深20 m。

3.2 降压井设计

3.2.1 基坑底板稳定性验算

1)2号，4号线标准段基坑底板稳定性验算。

由于连续墙进入⑧层土，此层土为第⑦层承压水含水层的隔水底板，故连续墙基本完全隔断墙内承压水层与外界的水力联系，可考虑不设置降压井。

2)风亭及4号线出入口基坑底板稳定性验算。

风亭及4号线出入口基坑围护结构均未穿过第⑦层承压含水层，承压水层与外界有水力联系，对于基坑开挖面稳定性有极大影响，故需验算基坑底板稳定性。基坑底板的稳定条件:基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力即:

其中，H为基坑底至承压含水层顶板间距离，m;γs为基坑底至承压含水层顶板间的土的平均重度，kN/m3;h为承压水头高度至承压含水层顶板的距离;γw为水的重度，取10 kN/m3;Fs为安全系数，一般为1.0 ～1.2，本工程取1.2。

a.风亭验算。

取风亭处钻孔Jz-IV07-D4资料进行验算。钻孔揭示第⑦层承压含水层顶板标高-31.51 m，承压水头标高-1.32 m，故h=30.19 m。γs=19.6 kN/m3，H=16.5 m。按式(1)，计算得基坑底板至承压含水层顶板间的土压力H·γs=323.3 kN/m2，承压水的顶托力 Fs·γw·h=362.28 kN/m2，需要降低⑦层承压水水压，故降深为:(362.28-323.3)/10=3.9 m。同时由计算可知，当基坑开挖至标高-13.03 m时就需要采取降压措施，否则将产生突涌。

b.4号线出入口验算。

取出入口处钻孔Jz-IV07-I4资料进行验算。钻孔揭示第⑦层承压含水层顶板标高-28.93 m，承压水头标高-1.32 m，故h=27.61 m。γs=19.6 kN/m3，H=13.88 m。按式(1)，计算得基坑底板至承压含水层顶板间的土压力H·γs=271.98 kN/m2，承压水的顶托力Fs·γw·h=331.32 kN/m2，需要降低⑦层承压水水压，故4号线出入口基坑需要的降深为:(331.32-271.98)/10=6 m。同时由计算可知，当基坑开挖至标高-12.04 m时就需要采取降压措施，否则将产生突涌。

3.2.2 降压井井数计算

1)风亭降压井井数计算。

由于风亭基坑面积较小，同时周边无重要建筑物，故在两风亭坑外设置一口降压井即可满足降压要求，设计井深41.5 m，滤管长度为8 m。

2)4号线出入口降压井数量计算。

首先，估算涌水量即:

其中，K取⑦层及以上土层渗透系数加权平均值，K=0.637m/d;M为含水层厚度，取10.5m;S近似按6m考虑;R=10S=50.28m，r0=24.27 m，R′=R+r0=74.6 m;将各参数代入式(2)，得一个出入口涌水量Q=225 m3/d。

根据现场抽水试验，在无隔水帷幕条件下，单井极限出水量q=63 m3/d。

3)计算井点数，将Q与q代入式n=1.1×Q/q可得n=1.1×225/63≈3.9，故n取4。由此可得，2个出入口需共设8口降压井，降水井设计深度39 m，滤管长度8 m。

4 基坑降水施工

基坑降水施工主要包括降水井成孔、降水运行、降水井封孔施工等内容。

4.1 降水井成孔施工工艺

成孔施工机械选用GPS-10型工程钻机及其配套设备。采用正循环回转钻进泥浆护壁的成孔工艺，其主要工艺流程如下:

1)测放井位、埋设护口管:根据降水井点平面布置图测放井位;护口管底口插入原状土层中，管外用粘性土和草辫子封严，防止施工时管外返浆，护口管高出地面0.20 m左右;

2)安装钻机:机台安装稳固水平，大钩对准孔中心，大钩、转盘与孔的中心三点成一线;

3)钻孔下井管:疏干井开孔，孔径为500 mm，降压井开孔，孔径为600 mm。钻进开孔时吊紧大钩钢丝绳，轻压慢转，以保证开孔钻进的垂直度，成孔采用自然造浆，泥浆密度控制在1.10～1.15，孔内必须注满泥浆，以防孔壁坍塌;下管时在滤水管上下两端各设一套直径小于孔径5 cm的扶正器(找正器)，以保证滤水管能居中;

4)填滤料(中粗砂):填滤料前在井管内下钻杆至孔底0.40 m位置，井管上口加闷头密封，从钻杆内泵送泥浆，边冲孔边逐步稀释泥浆，使孔内的泥浆密度逐步稀释到1.05，然后开小泵量按前述井的构造设计要求填入滤料，并随填随测填滤料的高度，直至滤料下入预定位置为止;

5)井口填粘性土封闭:为防止泥浆及地表污水从管外流入井内，在地表以下回填2.00 m厚粘性土封孔;

6)洗井:当降水井出水后用活塞洗井，活塞必须从滤水管下部向上拉，将水拉出孔口。当活塞拉出的水基本不含泥砂后，再用空压机抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不含泥砂为止;

7)安泵试抽:成井施工结束后，在疏干井内及时下入潜水泵，并与真空管、排设排水管道、地面真空泵安装、电缆等连接;抽水与排水系统安装完毕，开始试抽水。先采用真空泵与潜水泵交替抽水，真空抽水时真空度不宜小于-0.06 MPa，以确保真空抽水效果;

8)排水:洗井及降水运行时应用管道将水排至场地四周的明渠内，通过排水渠将水排入场外市政管道中。

4.2 降水运行技术要求

1)降水运行。

降水运行时开动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。降压降水运行过程中每天将抽水量和承压水位的动态情况详细记录并报告监理。底板施工完成后，由设计单位提供基础及上部结构的抗浮力，逐步减少承压井的开启数量，直至降水全部结束。

2)排水保证。

排水是否正常将直接影响降水运行，要求在施工区域内合理布置排水沟，排水沟断面500 mm×500 mm以上，且有一定坡度，能够迅速将大量地下水排入城市管道中，要求市政管道入口比排水沟低1 m以上。

3)井管保护。

降水井管直径一般168 mm～273 mm，壁厚4 mm～6 mm，管材强度低，井周边的土应人工挖土，同时井周边土体坡度不能太大，防止土方滑坡剪切井管造成破坏。坑内井管根据基坑的支撑图正确定位，尽量布置在立柱和支撑附近，并固定在支撑立柱上，增强井管的整体强度。

4)监测措施。

因基坑开挖深度较深及降水深度较大，必须委托专业监测单位对基坑围护结构和周边环境进行监测，加强信息化施工。

5)回灌措施。

若降水施工过程中，周围地表沉降偏大，分析原因，应在基坑外布置回灌井，减少降水对周边建筑物影响。

4.3 降水井封孔施工

封孔采取在井管内先填瓜子片然后注浆再灌注混凝土的封堵方法，施工工艺如下:

1)降水运行结束封孔前，先预搅拌2 m3左右的水泥浆，水灰比0.4 ～0.5;

2)井管内填入瓜子片，瓜子片的回填高度应在滤水管顶端以上2 m左右，且在管井内下入注浆管，在井管内设置一个压板，压板放置深度为瓜子片回填高度位置;

3)正式注浆前，在井管口用钢筋固定注浆管，然后开始注浆;注浆完毕，水泥浆达到初凝后，抽出井管内压板以上残留水，并及时观测井管内水位变化情况，当井管内水位无明显升高时，说明注浆效果较好;

4)达到注浆效果后，即向井管内灌入混凝土，灌入高度略低于地坪面50 cm，混凝土灌注后，及时观测井管内水位变化情况，以判断封堵的实际效果;待井管内混凝土初凝，并达到实际封堵效果后，即可割去外露井管;

5)井管割去后，在低于地面下50 cm左右的管口用铁板焊封，之后用一般填土填入孔洞夯实，封井完毕。

5 结语

在基坑开挖与支护结构施工过程中均未发现有渗水、漏水现象，基坑开挖面始终处于干燥状态;4号线出入口处的承压水的水头得到了有效地降低，很好地确保了基坑底板施工的稳定性，为后续工程的顺利施工提供了有利的条件;同时也证明了本工程采用的降水设计与施工有效可行，为类似工程的设计与施工提供了参考。

［1］张胜森.管井降水在深基坑开挖中的应用［J］.山西建筑，2010，36(10):103-104.

［2］李玉歧，谢康和.考虑渗流作用的基坑围护结构稳定性分析［J］.科技通报，2005，21(4):440-444.