临海城际铁路明挖隧道基坑降水技术

刘晓雷

中铁十六局集团有限公司

临海城际铁路明挖隧道基坑降水技术

刘晓雷

中铁十六局集团有限公司

随着城市扩大和发展，城市群将连接更紧密，与之相配套的基础设施城际铁路作用将更为突显，主要体现在长三角、珠三角、京津冀等沿海发达地区。近海市区施做明挖基坑将不可避免，施工难度也不言而喻，本文以临海明挖隧道为例，对基坑降水进行设计，提出相应处理对策，以供类似工程参考。

城际铁路；基坑降水；临海基坑

1 前言

临海明挖基坑具有地表水丰富、地层富水性好、透水性强、受潮汐影响大、地质水文地质条件复杂等特点，为保证基坑顺利开挖、防基坑底部突涌、确保基坑稳定，降水技术将非常重要。降水工程特点与对策决定了基坑工程的安全，基坑突涌分析、减压降水分析、疏干井布设、沉降预测等是降水技术的关键。

2 工程简介

横琴隧道位于珠海市南湾大道东侧海积平原区，明挖段基坑采用采用Ø800@1000mm、Ø1000@1200mm钻孔灌注桩和钢板桩，桩长12～27m，共设0～3道支撑。围护结构外侧采用Ø800@600旋喷桩止水帷幕。基坑开挖深度由浅入深，工作井开挖深度约16m，隧道中段一雨水泵房深约15m。

地层分布为：人工填土、淤泥、淤泥质黏土、粉质黏土、中砂、中砂、粗砂、砾砂、花岗岩全风化、强风化、弱风化。

隧道沿线临海，地表水丰富，多为海水。地下水可分为第四系松散岩类孔隙水、深部基岩裂隙水。主要赋存于场区浅部人工填土及其下部砂类地层中，水量丰富，富水性好。砂土及花岗岩全风化层透水性强。砂土层中地下水大部分具有承压性。基岩裂隙水主要赋存于岩层风化带及节理裂隙中，接受上部孔隙水的补给，水量贫乏，水动力条件微弱。

表1 地层渗透系数表

3 降水工程特点分析

3.1 含水层分析

潜水以松散碎石、碎砖、瓦砾以及局部夹粉性土的粉质粘土层为主，主要含水介质颗粒较细，水力坡度小，地下水径流十分缓慢。静止水位埋深约为0.5m左右。

承压含水层为砂质粉土，局部以粉砂为主，含水量较为丰富，埋深较浅，处于基坑开挖范围内，开挖过程中，一旦该层水处理不当，将引起坑内流砂、管涌等现象，可能危及基坑安全。

下部含水层主要考虑全风化层，以砂为主，含水介质颗粒较大，层厚较大，地层渗透性良好，含水丰富。

3.2 开挖工况分析

基坑开挖由浅及深，最深工作井16m，排水周期较长，排水量较大。整个基坑开挖过程中，围护结构理论上将上部砂层隔断（局部区域隔断），承压含水层地下水将由承压水转为潜水。较深区域开挖过程中，基底接近下部风化砂层，对基坑有突涌风险，要求减压处理，对减压的控制应按“按需降水”控制，降水难度大。

3.3 围护分析

基坑围护大部分嵌入承压含水层下部粘土层中，形成落底式止水帷幕，理论上能将坑内外的潜水、承压水坑内外水力联系切断，形成良好的隔水边界。但考虑到围护施工过程中存在可能影响其对含水层隔水效果的不确定因素，对承压水处理仍需慎重对待。基坑开挖过程中，密切注意围护止水效果，在坑外适当位置考虑观测井兼应急备用，减少抽降该层地下水对坑外环境造成的影响。

3.4 全风化层分析

全风化层主要考虑基坑开挖比较深的区域，开挖面接近风化层，存在突涌风险，严格按需降水，对该层应进行抽水试验，确定水头高度以及水文参数。

4 降水对策

4.1 分层降水

对于浅部开挖深度范围内的潜水以及逐渐由承压～潜水的承压水，考虑围护结构已对其有一定的隔水效果，且其与下伏的裂隙水之间存在粘土层，水力联系不密切，对其采用管井进行疏干处理，控制地下水水位在基坑开挖面以下1.0m，为基坑开挖作业提供良好的环境。

对下部全风化层的裂隙水，考虑地层埋置深度较大，围护结构没有对其进行的隔水处理，在坑内采用减压井进行“按需降水”，保证基坑安全及施工顺利进行。

4.2 水位监测

在基坑内适量布置含水层的水位观测井，根据地下水位监测结果指导降水运行。基坑外侧适量布置水位观测井，监测内部抽水后坑外水位变化情况。

4.3 坑外应急观测井

鉴于基坑局部开挖深度大，坑内大幅度、大范围、长时期的抽降地下水，将使得围护内外的水头差较大，对围护的质量将是极大考验。需在坑外适当位置布置砂层应急观测井，加强水位观测，判定止水结构的效果，必要时利用回灌井人为抬升地下水水位，减缓沉降变形。

4.4 按需降水

降水运行过程中，随着开挖深度的加大，必须遵循“按需降水”原则，控制承压水的水位满足开挖时的安全要求，不得超降。减少降水对周边环境。

4.5 施工配合

（1）在基坑外侧布置集水总管或排水沟，将地下水统一外排至坑外市政排水管道。

（2）地下挖土作业人员视野受限，挖机容易碰触或者挖断坑内降水井，必须加强对降水井采取切实有效的保护措施。降水井需采用强度较高、厚度较大的4mm壁厚管材；降水井尽量布置在支撑附近，便于固定及保护；另需设置坑内应急备用降水井，以策安全。

（3）后浇带预留时间较长，深度较大，后期降水井运行的时间会加长。后浇带浇筑时适当增加浇筑厚度，提高强度，减少坑内降水井运行的时间以及数量；加密后浇带附近降水井的布井密度。

4.6 堵漏配合

围护体止水效果决定工程降水成败，现场应有专业堵漏单位，配备足够的材料设备及人员。同时，降水单位必须积极配合，在紧急情况下，能有效协助。

4.7 生产性抽水试验

在基坑正式开挖施工之前，需进行生产性抽水试验，可根据坑内外水位变化情况，初步检验止水帷幕对浅层潜水、承压含水层，排查渗漏点，采取相应补强措施。对风化层承压水应进行抽水试验，确定出水量及水头高度。

5 基坑底突涌分析

基坑底面设计标高以下存在全风化层，开挖过程中，必须有效控制全风化层水头埋深，防止基坑发生突涌事故，基坑底板抗突涌稳定条件：在基坑底板至含水层顶板之间，土的自重压力应大于含水层顶板处的承压水顶托力，可按下式进行承压水位控制：

取本工程基坑下伏基岩全风化层初始水头埋深为2.5m，层顶最浅埋深18.0m。

抗突涌稳定性计算结果统计详见下表4-1：

表4-1 基坑开挖深度hs与安全水头埋深D对应关系表

基坑开挖深度超过临界挖深时9.0m时，需对下部W4风化承压水进行处理。

6 减压降水分析

对全风化含水层采取有效的减压降水措施，才能防止产生基坑突涌破坏。为了有效降低和控制全风化含水层的水头，确保基坑开挖施工顺利进行，必须进行专门的水文地质渗流计算与分析。

6.1 基坑降水概念模型

本次全风化减压降水设计中，考虑到降水过程中，上覆含水层将与下伏含水层组之间将发生一定的水力联系，需将上覆含水层、砂层以及下伏深层全风化含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概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性给计算结果带来随意性，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300m，即实际计算平面尺寸为1000×800m2，四周均按定水头边界处理。

增强资金市场的融资能力.做大融资规模，做强融资团队是城投的重要工作.融资能力强，资金成本低，市场竞争力就强.

6.2 基坑降水数值模拟

6.2.1 地下水运动数学模型

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:

S为储水系数；Sy为给水度；

M为全风化含水层单元体厚度(m)；

B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度(m)。

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。

根据岩土工程勘察报告、水文地质条件、钻孔资料，模拟区平面范围按下述原则确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外。

①含水层的结构特征。根据研究区的几何形状以及实际地层结构条件，对研究区进行三维剖分。根据研究区工程地质及水文地质特性等信息，水平方向将水文地质概念模型剖分为242行、194列。

②模型参数特征。根据本工程的勘察资料、抽水试验报告及相关工程资料，对模型进行赋值。

③水力特征。地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流；地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。

④源汇项处理方式：(1)减压井处理。在《Visual Mod⁃flow2011》中，减压降水井可以设置过滤器长度、出水量等参数。(2)边界条件处理。在本次基坑降水模拟中，模型边界在降水井影响边界以外。故可将模型边界定义为定水头边界，水位不变。

⑤本次减压降水三维渗流模型建立假设条件：(1)全风化承压含水层的初始水头埋深2.5m；(2)降水井运行时，考虑围护部分隔水效果及群井效应因素，随着降水井运行时间加长，单井涌水量平均5～10m3/h。

7 基坑降水设计

基坑部分区域需要对风化层承压水进行降水处理，考虑到基坑内空间有限，同时围护结构对风化层的隔水效果有限，在局部深坑（雨水泵房和工作井）外侧布置降水井，协同坑内一起减压，考虑坑内坑外协同减压降水。

坑内降水井井深30m，过滤器20～29m，降水井孔径600mm，井管及过滤器外径273mm。

坑外降水井井深35m，过滤器25～34m，降水井孔径600mm，井管及过滤器外径273mm。

本基坑工作井开挖至最深16.0m时，降幅约12.07m。

经过计算，开挖到底时，坑内需要布置30m深的降水井7口，深坑区域坑外需要布置35m深的降水井8口，经过计算水位可以满足承压水抗突涌稳定性计算的要求。

在满足“按需降水”计算的基础上，需设置坑内降水应急备用井，其数量约占正常运行降水井的20%左右。坑内减压井的运行依赖于实际的水位变化，水位的实时变化指导开挖施工过程中的降压井运行数量及时间等计划，因此需布置坑内水位观测井。在本基坑中，应急备用井及水位观测井适时共用，布置2口观测井井结构同所在区域的降水井。

本基坑工程风化层降水井共计17口井，坑内30m，井数9口（含2口水位观测井），坑外井深35m，井数8口。

图6-1 降水井与止水帷幕三维立体图

图.6-2 降水运行后预测基坑水位降深等值线图（单位：m）

8 坑内浅层井布设

为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量。

坑内浅层井数量按下式确定：

式中：n — 井数(口)；

A—基坑需疏干面积(m2)；

a井—单井有效疏干面积(m2)；

以粘性土、砂土为主的含水层中，单井有效疏干面积a井取250m2。

基坑区域总面积约6250m2，共布置疏干井25口，井深11.0m～22.0m。

9 坑外浅层应急井布设

在围护结构出现漏点而致坑外水大量补给坑内，坑内水位持续上升无法保证基坑开挖安全时，可通过坑外应急备用井抽吸坑外水体，减少补给量。

坑外水位持续大幅度的下降，进而引起坑外地面沉降变形过大时，开启回灌井施以回灌措施，人为抬升地下水水位，保持坑外水土平衡状态，减缓沉降变形。

兼做该区域的水位观测井，以监测坑内抽水时坑外水位变化情况。

综上，在本基坑外侧，共布置水位应急观测井16口，井深与基坑内浅层降水井同结构。

10 地面沉降预测

运用沉降计算理论与太沙基固结理论进行分析，得到降水引起地面沉降的变化规律。

(1)沉降计算理论

若共有N层土层，总的沉降量为：

式中：ξ——为经验系数。

(2)太沙基固结理论

考虑多层土体，厚度H，含土层n层，土层i的厚度，竖向渗透系数，压缩模量均已知，包含单面排水和双面排水两种情况。并从理论上说，给定初始条件和边界条件就可以运用数学方法即可解出定解。

减压降水引起的地面沉降预测

由于基坑开挖比较深，降水运行周期相对较长，暂时预估降水持续时间为60天。

根据建立的沉降预测模型，本基坑工程降水运行完成后，降水引起的坑外环境地面累积沉降等值线图见下图，基坑外沉降约15mm左右。

图9-1 开挖降水引起的累积地面沉降预测分布图

11 结语

随着社会发展，临海建筑基坑将越来越多，通过对降水工程特点分析和降水对策设计，基坑安全稳定性得以保证，周边沉降得以控制，为临海复杂不良水文地质条件下的基坑施工提供了有力保障，通过施工验证，设计合理，沉降预测准确。可为类似工程提供一定的借鉴。

[1]姚天强,石振华.基坑降水手册.

[2]DBT29-229-2014.建筑基坑降水工程技术规程.

[3]建筑施工中基坑降水技术的应用简析[J].工程技术,2016(11):177.

刘晓雷，男（1984年7-），山东菏泽，本科，中级工程师，研究方向：基坑降水。