地铁车站基坑降水设计与效果分析

杨 卓 平

(天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000)

地铁车站基坑降水设计与效果分析

杨 卓 平

(天津市地下铁道集团有限公司，天津 300000)

结合某地铁深基坑工程案例，依据工程的地质条件，对基坑降水方案进行了研究，并对涌水量、降水井数量作了计算分析，通过降水试验结果，总结出了基坑降水的技术要点，使基坑开挖达到无水状态。

基坑，降水，计算，试验

1 概述

当地下水位较高或有丰富地面滞水的地段进行基坑工程土方开挖施工时，常会遇到含水层被切断，地表和地下水大量侵入，不仅土方开挖困难，边坡易于塌方，而且使地基承载力降低，导致工程建成后建筑物产生不均匀沉降；或出现管涌、流砂、坑底隆起等变形现象，影响临近建筑物使用安全和工程顺利进行，因此基坑的排、降水常常是开挖施工前必须解决的重大技术问题。采用合理有效的排水或降低地下水位措施，使基坑开挖达到无水状态，以保证工程质量和施工的顺利进行。一般情况下，基坑开挖前应具备以下条件：1)将基坑水位控制在坑底以下1 m，降低坑内土体含水量，方便挖掘机和工人在坑内施工作业，有利于坑内土体的边坡稳定，防止坑内土体滑坡。2)降低承压含水层的承压水水头，防止基坑底部发生突涌，确保施工时基坑底板的稳定性，同时尽量减少由于降水引起的地表沉降，减小基坑降水对周边环境的影响。

2 工程概况及地质条件

本站为地下两层双柱三跨岛式站台，自然地坪高程+1.48 m，车站主体结构长约320.8 m，结构标准段总宽度33.46 m，车站标准段基坑开挖深度约18.5 m，端头井基坑开挖深度约19.87 m。车站端头处有一栋五层居民楼，筏板基础，距离车站基坑11.4 m。基坑围护结构采用800 mm厚地下连续墙，地连墙接缝处施作品字形布置的高压旋喷桩用来止水，基坑中间设置两道分隔墙，将基坑分为三个区域， 此次降水区域主要针对南区实施，南区围护结构深度为38.5 m～42 m，墙底标高为-37.02 m～-40.52 m，如图1所示。

根据勘察报告等调查资料，本场地内表层地下水类型为第四系孔隙潜水，赋存于第Ⅱ陆相层中及其以下粉砂及粉土层中的地下水具有承压性。各土层的渗透系数值见表1。

3 降水设计及试验

3.1 降水设计方案

为了保证基坑土体疏干、坑底土体稳定性、不产生突涌等渗透问题，根据本车站地质条件、施工环境、水位降深要求等因素，综合考虑采用深井管井降水方法，采取坑内疏干降水和减压备用的综合降水方案，将基坑内地下水位降至基坑底以下1 m，从以下两个方面采取措施：1)基底进入第一承压含水层，故将其作疏干处理，即疏干井需进入第一承压含水层一定深度，将第一承压含水层一并作为疏干目的层进行疏干降水。第二承压含水层⑨13粉土、⑨14粉砂、⑩2粉砂相对较薄且不连续，多以透镜体的形式存在，基坑围护结构已经将上述含水层隔断，根据疏干井设置深度进入基底以下6 m，疏干井井底已经大部分进入到⑨13粉土、⑨14粉砂层。因此本次降水设计将第二承压含水层所包含的连续的平均厚度约3 m的2粉土、24粉砂层作为第二含水层的主要目的层考虑。2)由于基坑周边环境比较复杂，道路管线和建筑物较多，且距离基坑较近，对沉降要求较高，考虑基坑自身风险，在坑外布置部分观测井，及时掌握坑内减压降水对坑外水位的影响。同时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，尽量减小坑外水位下降对环境的影响。

表1 渗透系数建议值表 ×10-6 cm/s

3.2 降水设计计算

参考相关文献及规范，疏干井计算如下：

1)涌水量计算。

a.基坑潜水涌水量估算:

Q1=μAs。

其中，Q1为基坑涌水量(潜水含水层涌水量，m3)；μ为疏干含水层的给水度；A为基坑开挖面积；s为基坑开挖至设计深度时的疏干含水层中平均水位降深。

经计算：

Q1=0.03×2 175×15=979 m3。

b.基坑第一承压水涌水量估算:

Q2=μAs=0.045×2 179×5=490 m3。

c.基坑越流补给水量估算:

Q3=A·k·(Δh/L)·t。

其中,A为基坑总面积，约2 179 m2；k为第二、三承压含水层之间弱透水层的垂向渗透系数，结合勘察报告取0.01 m/d；Δh为第二、第三承压含水层水头差，Δh=-4-(-19)=15 m；L为渗流路径，结合地质剖面图，平均取3 m；t为疏干降水时间，本工程基坑疏干预降水时间为15 d～20 d。

计算得：

Q3=2 179×0.01×(15/3)×15=2 070 m3。

因此，基坑总涌水量：

Q=Q1+Q2+Q3=979+490+2 070=3 539 m3。

2)基坑降水井数量计算。

为确保基坑顺利开挖，需要降低基坑开挖深度范围内的土体含水量。

a.坑内疏干井数量按下式确定：

n=A/a。

其中,n为井数量,口；A为基坑需疏干面积,m2；a为单井有效疏干面积，m2。

根据本地区经验，单井有效疏干面积按250 m2考虑。

主体基坑区需要疏干面积约2 179 m2，本工程单井有效疏干面积取250 m2。计算得，主体基坑区需要布置9口疏干井。

b.根据公式：

其中,n为疏干降水井数量；Q为基坑需疏干的总涌水量，m3；q为单井涌水量，结合基坑范围内需疏干各土层的渗透系数，取q=30 m3/d；t为基坑开挖前预降水时间(按15 d计算)。

计算得：基坑内需布置疏干井9口。与上述按有效疏干面积计算所得井数基本相近，因此基坑内布置9口疏干井。

3.3 降水试验

本次降水基坑内9口降水井S-37，S-38，S-40，S-18～S-23作为抽水井，1口降水井S-39作为坑内水位观测井，共分四步进行，持续时间11 d。第一步：基坑9口抽水井水泵放置深度15 m，同步观测坑内水位观测井及坑外观测井水位，抽水持续时间2 d。此时间段内坑内抽水井动水位均已降至地面下14.5 m左右，各井出水量有所减小，出现断流迹象；坑内疏干井观测井水位稳定在-12.3 m；同时坑内5口减压备用井水位也有明显下降。第二步：基坑9口抽水井水泵放置深度24 m，同步观测坑内水位观测井及坑外观测井水位，抽水持续时间3 d。此时间段内坑内抽水井动水位只能降至-18 m左右，各井出水量没有明显减小，坑内疏干井观测井水位稳定在-15.2 m。同时坑内5口减压备用井水位继续下降。 第三步：由于第二步抽水期间，坑内水位观测井水位只能稳定在-15.2 m位置，不能满足水位降至基底以下1 m的要求，且基坑内抽水井动水位只能降至-18 m左右，并未达到井底，各抽水井并未出现断流，因此更换出水量更大的水泵进行集中抽水4 d。第三步抽水期间，坑内抽水井动水位均已降至-23 m左右，各井出水量有所减小，出现不同程度的断流迹象，坑内疏干井观测水位稳定在-19.4 m，同时坑内5口减压备用井水位继续小幅下降。 第四步：水位恢复阶段。基坑所有抽水井停止降水运行，观测基坑水位恢复情况，水位恢复时间为2 d。通过此次降水试验发现基坑对应的浅层水、⑨13层、⑨14层承压水、⑩2层、2层承压水均出现不同程度的水位下降，随含水层深度由浅到深，水位下降幅度逐渐增加，且承压水观测井存在个别位置观测井水位下降较大。

3.4 施工监测

此次降水期间，地表沉降累计最大为-6.62 mm，建筑物近基坑点沉降变化较大，最大沉降值为-12.8 mm，近基坑点累计沉降值大于远基坑点累计沉降值，建筑物沉降缝两侧变化不同，远基坑部分不均匀沉降较近基坑部分小，此栋建筑物受降水影响明显，降水试验过程中沉降速率进一步加大。

4 原因分析及措施

4.1 原因分析

通过对降水结果进行分析，初步判断此基坑范围各含水层之间存在一定的水力联系，基坑有较大水源补给，坑外水位下降主要是深层承压水水位下降，上部越流补给所导致，具体原因可能有以下几个方面：

1)地下连续墙局部存在渗漏现象，出现过水通道，导致基坑内外水力联系密切。可能是墙体中夹泥或淤积物在水头压力下失去稳定在墙体内或边界上形成集中渗漏通道。2)地下连续墙接缝处的高压旋喷桩施工质量较差，未能达到密闭效果。可能包括由于施工机械故障、管线等影响形成的施工冷缝，在采用高喷桩封闭止水帷幕过程中封闭不彻底，不能达到止水要求的渗透系数、强度等的要求。3)本站地质复杂，相对隔水层起伏大，可能存在相对隔水层在基坑中部某处局部缺失或薄弱，地下水从基坑底部补给。

4.2 可采取的措施

1)基坑外围止水帷幕加深。根据基坑降水试验分析结果，坑内外水力联系紧密。因此，在既有地连墙外侧，设置连续旋喷桩止水帷幕，加深地连墙底部止水帷幕长度，上部与既有地连墙搭接。2)邻近基坑的建筑物采取补偿注浆的保护措施。建议从坑内打设注浆管，对建筑物采取补偿注浆方案，控制建筑物绝对沉降变形及不均匀沉降变形，达到建筑物保护目的。3)地连墙接缝处墙底注浆措施。针对地连墙工程，接缝为防水薄弱部位。建议对每个地连墙接缝处，墙底附近进行注浆，加强接缝止水效果。4)坑外回灌措施。鉴于周边建筑物风险级别较高，建议坑外设置回灌井，必要时启动。

5 结语

在基坑降排水设计和施工过程中，应注意以下几个方面：

1)当采用地下连续墙做止水帷幕时，应当确保地连墙的施工质量，尤其是地连墙接缝处的处理，保证降水前止水帷幕的完整性。2)在基坑土方开挖与支护的过程中，出现局部地质变异性大、局部流砂或涌水、积水现象也是在所难免的，应从基坑水文地质条件及周边环境出发，因此充分考虑相应的应急预案或处理措施是十分必要的。3)在基坑工程中一定要谨慎处理地下水，采取优化合理的降水方案以降低对坑外地下水的影响；同时要加强施工期间的观测，及时调整施工方案，并采取有效的措施防止周围地面破坏性的沉降。

[1] 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.

[2] 雷振华．深基坑工程降水技术浅析[J]．隧道建设，2006(4):23-26.

[3] 王君连.工程地下水计算[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

Analysis on foundation precipitation design and effect of subway station

Yang Zhuoping

(TianjinSubwayGroupCo.,Ltd,Tianjin300000，China)

Combining with the subway foundation engineering cases, according to engineering geology conditions, the paper studies the foundation precipitation scheme, and calculates and analyzes inflow and precipitation well quantity. Through precipitation testing results, it summarizes foundation precipitation technology points, so as to make the foundation excavation in the anhydrous state.

foundation, precipitation, computation, experiment

2015-01-16

杨卓平(1982- )，男，工程师

1009-6825(2015)09-0063-03

TU463

A