兰州临近黄河边地铁风井降水施工技术

王继东

(中铁十六局集团有限公司，北京 100000)



兰州临近黄河边地铁风井降水施工技术

王继东

(中铁十六局集团有限公司，北京 100000)

摘要：兰州地铁临近黄河段地层以卵石层为主，地层渗透系数大，降水难度大。在借鉴兰州地铁其他工段降水经验的基础上，采用数值模拟，建立与水文、地质等工况相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型，以为施工提供可靠的设计参数；通过采用坑内外联合降水与基底注浆相结合的形式完成降水施工。实现了黄河边深基坑降水目的，达到了良好的效果。

关键词：地铁；注浆加固；降水；数值模拟；渗透系数

兰州地铁1号线迎门滩站～马滩站区间风井兼联络通道采用地连墙作为围护结构，根据工期安排，区间盾构在基坑不开挖的前提下及在风井无水状态下进行停机检查，掘进通过后再进行基坑土方开挖。由于基坑内盾构区间范围无法设置降水井，导致降水井设置区域有限，且基坑临近黄河边，所处地层含水量大，渗透系数高。因此，合理确定降水技术是满足施工要求及保证施工安全的关键问题之一。

1 工程概况

兰州地铁1号线迎门滩站～马滩站区间风井位于七里河断陷盆地巨厚状强透水砂卵石地层中，中心里程为YDK13+749 (ZDK13+745.190)，其平面尺寸31.4 m×20.4 m(含围护结构厚度，长×宽)，井深约34.49 m，河岸距基坑中心距离约为92 m。风井围护结构采用钢筋混凝土地下连续墙(地连墙深45 m)。风井位的钻探结果表明，地质构造由上至下主要为杂填土(0～6.4 m)、2-10卵石层(6.4～14 m)及3-11卵石层(14～45 m)，主要含水层为砂卵砾石层。地下水主要赋存于2-10和3-11卵石层，2-10卵石层平均厚度7.6 m，卵石含量约为50%～55%，渗透系数为55～64 m/d；3-11卵石层平均厚度34.54 m，卵石含量约为55%～60%，渗透系数为50～55 m/d。通过后期项目进行的抽水试验得出，2-10卵石土渗透系数取52 m/d，3-11卵石土渗透系数K取30 m/d。地下水潜水补给来源主要来自黄河水、上游地下水、大气降水等补给。

2 工程难点及对策

针对本工程特点，充分利用我单位在兰州地铁1号线马滩站(河岸距基坑中心距离约为1 080 m)已完成的降水施工，与本工程水文地质条件和围护特征、开挖工况等较为类似的专业降水设计及地下水控制经验，采用以下措施解决本基坑降水工程中的难点：

(1)由于围护结构未隔断3-11卵石层，且本工程基坑面积小，降水幅度巨大，拟采用坑内+坑外联合降水形式进行处理，并尽可能减短坑外抽水时间。

(2)对于坑内降水井，井深不宜超过围护结构深，故设置43 m降水井；对于坑外降水井井深需超过围护结构10 m以上，设置56 m降水井。

(3)在基坑开挖25 m以内采用坑内降水井进行降水，开挖25～34.49 m采用坑内外降水井联合抽水。

(4)为确保坑内降水井的不间断工作，施工现场应有双电源保证措施，应配置备用发电机组。

(5)坑内降水井在底板浇筑完毕之后首先封井，然后封闭坑外降水井。

(6)通过对基坑底部土体注浆加固处理，降低土层渗透系数，减少降水井数量，以满足整体施工需要。

3 施工措施

3.1 基底注浆加固

基底地层加固采用地面袖阀管注浆方式，基坑开挖至离坑底约3 m，开始注浆加固。加固采用“先封底，后检测，再注浆固结“的工序。注浆后的加固体形成类似封闭体，然后再降水至封闭体顶，尽量降低地下水对工程的影响。加固区域为坑内全断面，深度为自结构底板向下8 m范围(加固地层主要位于3-11卵石层)，双液浆配比为水泥浆水灰比为1∶0.75，水玻璃水泥浆体积比为1∶1。通过钻芯取样得出，加固地层(3-11卵石层)的渗透系数为1.3 m/d。

3.2 降水方案选型

基坑围护结构的止水帷幕采用1.2 m厚地下连续墙，墙深45 m，整个墙底基本位于3-11卵石层中，仅部分地插入降水目的含水层中，形成了一个人为的侧向不透水边界，未隔断基坑内外含水层之间联系。由于插入深度不同，降水井不同的布置方式在降水井群抽水的影响下，地下水渗流场发生不同的变化，地下水运动不再是平面流或以平面流为主的运动，而是形成三维流或以垂直流为主的绕流形式，地下水计算时应考虑含水层的各向异性，有些情况下用解析解无法求解，必须借助三维数值模型[1]。

3.3 降水设计方案

据区域地质资料，卵石层厚度大于200 m。考虑到滤水管无法达到含水层底部，故模型采用潜水(无压)非完整井。根据实际情况，拟将含水层考虑为均质潜水含水层，由于含水层较厚，且基坑靠近河岸，故采用以下公式进行涌水量计算[1-2]。

本次降水设计中，降水目的层为2-10、3-11层卵石含水层。考虑到降水过程中，基坑内外含水层之间将发生一定的水力联系，因此，将坑外含水层一起纳入模型参与计算，并将其简化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。

为了克服由于边界的不确定而给计算结果带来的随意性，定水头边界应远离源汇项。通过试算，本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约300 m，即实际计算平面尺寸为631.4×620.4 m2，四周均按定水头边界处理。

根据上述水文地质概念模型，建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型:

式中：S为储水系数；Sy为给水度，即饱和介质在重力排水作用下可以给出的水体积与多孔介质体积之比；M为承压含水层单元体厚度(m)；B为潜水含水层的地下水饱和厚度(m)；kxx，kyy，kzz分别为各向异性主方向渗透系数(m/d)；h为点(x，y，z)在t时刻的水头值(m)；W为源汇项(1/d)；h0为计算域初始水头值(m)；h1为第一类边界的水头值(m)；q为当时间为t时刻的水流量值(m3)；t为时间(d)；Ω为计算域；Γ1为第一类边界；Γ2为第二类边界。

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，就可得到数值模型，以此为基础编制计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。

3.4 基坑降水设计

根据不同阶段开挖深度，本工程坑内结合坑外分别进行降水，分别考虑不同开启时间。

坑内降水井设置以43 m为主，过滤器长6 m；坑外降水井设置以56 m为主，过滤器长15 m。降水深井孔径600 mm，井管及过滤器外径273 mm。

坑内设置8口降水井(含1口备用观测井)，坑外设置30口降水井(含4口备用观测井)(图1)，分不同阶段能够满足将水位控制在开挖面以下1 m左右的要求。在减压降水运行过程中，及时准确掌握含水层水位变化情况，控制降水深井开启的时间以及抽降承压水的幅度，在确保水位控制满足基坑安全需要的同时，减少降水对周边环境的影响。

图1 迎门滩站～马滩站区间风井降水井平面布置图

3.4.1 开挖深度25 m以内时

为减小坑外井开启时间，在基坑前期开挖深度25 m以内，以坑内降水井抽水为主，根据不同的开挖深度依次增开坑内的降水深井。在同时开启8口降水井抽水运行后基坑水位埋深和水位降深等值线图分别见图2和图3。

图2 坑内降水后水位埋深等值线图

图3 坑内降水后基坑水位降深等值线图

3.4.2 开挖深度25～35 m时

在开挖深度超过25 m后，以坑内降水深井抽水为主的同时，逐步增加坑外降水深井的开启数量，直至开挖至坑底，坑外降水深井全部开启。在同时开启坑内8口和坑外30口降水深井抽水运行后，坑内和坑外联合降水运行后基坑水位埋深和水位降深等值线图见图4和图5。

图4 坑内外联合降水水位埋深等值线图

4 降水结果分析

由本基坑降水结果得出，临近黄河边基坑内降水采用袖阀管注浆加固可有效减少砂卵石层渗透系数。基坑在25 m以上时地下水补给方式为以大气降水、灌溉水、污水为主，在25 m以下时补给方式为以黄河激发补给为主，出水量为9 200 m3/d，8眼降水井能够满足坑内降水施工要求。坑外降水主要作用是降低周边地下水与基坑内的水力联系，实现基坑内降水目的。本基坑降水过程中降水初期井内水位下降较快，自地表以下25 m范围内降水在3～4 d内完成，25 m至降水目的层需要10 d完成，降水量极大，需做好充足的排水准备。

图5 坑内外联合降水后水位降深等值线图

5 结束语

在临近黄河边高透水性砂卵石地层中施工深基坑，应对地下水补给的形式及水文地质做合理的分析，采用基底注浆的方法改变部分地层的水文参数，选择适用的降水参数计算及建立与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型能够为施工提供可靠的设计参数，可以为降水施工提高施工效率，实现工程完工安全、经济实用的目的。

参考文献

[1]缪俊发，娄荣祥，方兆昌.上海地区的承压含水层降水设计方法[J].地下空间与工程学报，2010(1)：167-173，218

[2]夏明耀，曾进伦.地下工程设计施工手册[M].2版.北京：中国建筑工业出版社,2014：1032-1035

On the Water-Reducing Construction Techniques for the Ventilation Shaft of the Lanzhou Subway near the Yellow River

Wang Jidong

(The 16th Bureau Group Co. Ltd. of China Railway,Beijing 100000,China )

Abstract:As the Lanzhou Subway is located near the Yellow River,where the stratum consists mostly of cobblestone,and the permeation coefficient is great,there is great difficulty in water-reducing.Upon the basis of learning the water-reducing experience from projects of other sections of the Lanzhou Subway,a 3-dimensional numerical simulation model for the unsteady flows of the underground water movement in agreement with the hydrologic and geological engineering conditions is established to provide reliable design parameters for the condition.Combined with slip-casting in the base,the water-reducing construction is accomplished by means of the united water-reducing measures both inside and outside the foundation pit, with the aim of reducing underground water in the deep foundation pit by the Yellow River realized and the satisfactory result obtained.

Key words:subway;slip-cast to consolidate;water-reducing;numerical simulation;permeation coefficient

收稿日期：2015-12-24

作者简介：王继东(1983—)，男，工程师，主要从事土木工程施工技术管理工作

DOI：10.13219/j.gjgyat.2016.03.004

中图分类号：U455.49

文献标识码：B

文章编号：1672-3953(2016)03-0017-03