地铁车站深基坑涌水量预测分析

王建军

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，上海200125）

1 引言

在地铁建设施工中，地铁车站一般采用明挖法进行施工，施工过程中要进行基坑降水，需要进行基坑涌水量的计算，由于地下水的类型、埋藏条件、渗透系数、含水层厚度等水文条件各不相同，采取不同的模型计算出的涌水量具有较大的差异，因此，如何正确预测基坑涌水量成为地铁车站基坑设计及施工的难点[1～6]。本文以某地铁车站为例，采用多种计算模型进行车站基坑的涌水量计算，并将计算结果进行对比分析，探索各模型的优缺点，以指导设计及施工。

2 工程实例

2.1 工程概况

某地轨道交通是一条东西向的市区级的轨道交通线路。线路由西向东横贯城市中心地区。某站为该轨道交通线路的中间站。拟建车站为地下3 层岛式双柱3 跨车站，有效站台宽度13m，车站规模195.0m×18.5m（内部净空），基坑开挖深度约20.00m。

2.2 区域气象

工程区气候温和湿润，雨量充沛，一般年均降雨量约1 200mm，历史上以阴雨天气多而著称，大雨集中在每年六七月份。降雨量随年份分布不均。冬季主导风向北偏东，夏季主导风向南偏东，晴天多南风，雨天多北风，年均风速2.2m/s，瞬时最大风速20m/s。年平均气压8 935MPa。冬季气压较高，夏季气压较低，主要气候灾害有倒春寒、秋雨低温、冰雹、暴雨、大风和酸雨，历史上凝冻也是灾害之一，现已常见。

2.3 水文地质条件

地下水补给、径流、排泄主要受降水、地形地貌、岩性、地质构造等因素控制，既有区域性的统一规律，又有随地段变化的明显差异。

地表水和大气降水是区内地下水的主要补给来源，降雨补给期集中在每年雨季。其补给方式为降水通过洼地、落水洞等岩溶形态及岩石中的溶蚀裂隙、构造裂隙等形式渗入地下，补给地下水，在地下岩溶管道汇集、径流；基岩裂隙水则通过风化裂隙、构造节理渗入地下。根据区域水文资料，地下水基本受降水控制为主，地下水的高水位期与降水丰水期基本吻合，一般地下水的高峰值滞后降水丰水期约15d，根据区域水文资料，场地地下水位年水位季节变化幅度为3.0～5.0m。本次野外勘探期间测得的潜水层的稳定水位埋深约为2.5m。

2.4 工程地质条件

根据勘察报告，本拟建车站的地层按其沉积时代、成因类型可分为3 层：

①层杂填土：杂色，土质不均匀，松散，分布于场地表层，局部为砖块、瓷片，夹杂粉质黏土、建筑垃圾，局部夹素填土，分布无规律，平均层厚约2.0m。

②层红黏土：红褐色，可塑，偶见铁锰质结核，具有高液限、遇水软化、失水强烈收缩的工程性质，平均层厚约6.5m。

③1 层强风化白云岩：灰白～肉红色，主要由白云石构成，局部相变为白云质灰岩、泥质白云岩，节理裂隙发育，岩芯呈砂状及少量块状，岩体破碎，岩体基本质量等级为Ⅴ级，平均层厚约6.0m。

③2 层中风化白云岩：灰白～肉红色，主要由白云石构成，含少量的石英、方解石、黄铁矿等矿物，充填少量方解石，局部相变为白云质灰岩、泥质白云岩，岩体节理较发育～发育，局部节理面可见铁质侵染，岩芯呈碎块、短柱状，岩体基本质量等级为Ⅳ级，该层未钻穿。

2.5 岩土层渗透系数

水文地质试验的目的是查明场地地下水类型、水位以及变化等水文地质条件，确定含水层的渗透系数，估算基坑涌水量，并通过测定井孔涌水量及其与水位下降（降深）之间的关系，分析确定含水层的富水程度，评价井孔的出水能力。

根据拟建车站勘探成果，场地大部分上部覆盖红黏土较厚，地下水类型为承压水。根据SL 320—2005《水利水电工程钻孔抽水试验规程》[7]，承压水非完整井单孔的抽水（过滤器紧接含水层顶板）相关参数计算如下：

1）承压水非完整井渗透系数K计算（巴布什金）：

式中，Q为涌水量，m3/d；sw为水位降深，m；l为有效进水段长度，m；rw为抽水孔半径，m。

2）根据吉哈尔特公式计算潜水井抽水影响半径：

3）根据《水文地质手册》[8]及GB 50027—2001《供水水文地质勘察规范》[9]中有关公式，利用恢复水位数据计算渗透系数：

式中，H为含水层厚度，m；sw1、sw2为观测孔水位降深，m；t为水位恢复时间间隔，h。

根据本次水文地质试验成果，得到本次抽水试验的含水层渗透系数如表1 所示。

表1 抽水试验计算结果表

依据现场水文地质试验成果及区域经验综合考虑，提供各岩土层渗透系数建议如表2 所示。

表2 岩土层渗透系数建议值表

3 基坑涌水量预测计算

3.1 水均衡法预测基坑涌水量

根据TB 10049—2004《铁路工程水文地质勘察规程》附录B，计算基坑单宽涌水量[10]。

3.1.1 枯期径流模数法

枯期隧道基坑涌水量采用径流模拟法，计算公式为：式中，Q为隧道基坑涌水量，m3/d；M为地下径流模数，m3/（d·km2），该地区经验值为9.0L/（s·km2）=7.776×10-4m3/（d·m2）；A为单宽基坑通过含水体的地下集水面积，m2。

3.1.2 降雨入渗法

正常日平均涌水量采用降雨入渗法计算基坑涌水模量，计算公式为：

式中，Q日平均为隧道、基坑单日涌水量，m3/d；α为降水入渗系数，参照《铁路工程地质手册》[11]，该地区α取值0.25；X为年降水量，该地区取1300mm。

3.1.3 暴雨工况降雨入渗法

暴雨工况下隧道、基坑涌水量为：

式中，Q暴雨为隧道、基坑暴雨涌水量，m3/d；Xmax为暴雨工况下日最大降水量，取200mm。

3.2 地下水动力学法预测基坑涌水量

按JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》附录E.0.4 节计算基坑涌水量，群井按大井简化时，均质含水层承压水非完整井的基坑涌水量计算公式如下[12]：

式中，Q为基坑涌水量，m3/d；M为承压水含水层厚度，m；s0为水位降深，假定水位降至结构底板下0.5m 处；L、B分别为基坑长度和宽度；l为过滤器进水部分长度,取6.5m；R为影响半径，m；r0为基坑等效半径，m；K为渗透系数，m/d。

3.3 计算结果

3.3.1 水均衡法预测基坑涌水量

采用枯期径流模数法计算基坑单宽涌水量：

采用降雨入渗法计算基坑单宽涌水量：

采用暴雨工况降雨入渗法计算基坑单宽涌水量：

3.3.2 地下水动力学法预测基坑涌水量

根据工程实际情况：M=100m、l=6.5m、s0=18.0m、R=127.28m、r0=33.90m，则：

Q=3.14×2×0.5×100×18/（ln(1+127.28/33.9）+（100-6.5）6.5×ln（1+0.2×100/33.9）=686.76m3/d

采用地下水动力学法计算单宽基坑涌水量：

水均衡法预测基坑单位宽度涌水量和地下水动力学法预测基坑单位宽度涌水量如表3 所示。

表3 基坑单位宽度涌水量表

3.4 计算结果对比分析

对计算结果进行对比分析：（1）利用水均衡法预测基坑涌水量时，使用参数少，在各参数不明确的情况下，可快速计算基坑的单宽涌水量，简单快捷，因此，在地铁隧道和地铁车站基坑单宽涌水量预测中得到广泛运用。（2）采用地下水动力学法预测基坑单宽涌水量时，要求各参数比较明确，运用此模型计算较为精确，但该模型将基坑假设为圆形井求得基坑等效半径进行计算基坑涌水量，可能造成计算的涌水量与实际涌水量不符。（3）利用水均衡法预测枯期工况和正常工况的基坑单宽涌水量与水动力学单宽涌水量大致相当，而预测暴雨工况下单宽涌水量明显大于水动力学单位宽度涌水量，这是由于水均衡法预测基坑单位宽度涌水量没有考虑基坑实际边界情况，而只是利用经验系数大致求得基坑的涌水量。（4）实际涌水量计算时，可将二者结合综合比较后运用，出于安全情况考虑，可取最不利情况。

4 结论

根据以上分析，得出以下结论：

1）本文采用水均衡法和地下水动力学法预测基坑单宽涌水量。2 种方法各有优点，同时又各有局限性，要根据车站基坑实际情况选用。

2）在涌水量的预测过程中，岩土层渗透系数是根据勘察时有限的测试及试验结果确定，所得的少数岩土层渗透系数值代表实际岩土体的渗透系数，难免存在误差，也必将影响涌水量预测结果。

3）上述各种计算模型，都是建立在均质土层和透水介质的基础上，而实际土层是不均匀的，会造成计算涌水量与实际涌水量存在一定的差异。

4）车站基坑的实际涌水量还会受到基坑施工的影响，也会造成实际涌水量的变化。