基于透水性地层地铁基坑地下水处理工法研究——以福州地铁建设工程为例

刘干典

(福州轨道交通设计院有限公司 福建福州 350009)

0 引言

截至2020年，福州地铁已建或在建的地铁车站近120座，其中大范围遇到富水砂层、卵石层的明挖车站基坑项目达20多座。福州城区地形地貌变化大，内河纵横交错，地质环境复杂，靠近沿江河一带的含水层富水性大、透水性强，水头压力大，基坑开挖过程中易产生突涌、基坑地下水无法抽干等问题。因此，受到行业内专业人士的普遍关注。透水性地层的基坑工程出现的机率大、风险高。

受复杂的周边环境及当地基坑降水施工水平、施工工艺等因素的限制，基坑降水问题日益成为福州地铁建设亟待解决的一个突出问题。探索研究一种新型、科学、合理，适合于当地水文地质条件，符合地方施工水平和施工技术的地下水处理工法十分必要。

基此，本文结合福州地铁工程实践，通过试验分析透水性基坑地下水量，探析工法实施效果及其存在问题，并基此提出透水性地层地铁基坑地下水处理工法的优化措施。

1 基坑地下水稳定原理概述

地铁基坑的地下水控制方法主要有截水和降水，具体应根据工程地质和水文条件、基坑周边环境要求及支护结构形式等综合确定。当降水不会对基坑周边环境造成损害，可优先考虑采用基坑内直接降水，否则采用截水。但无论采用何种处理方式，在方案研究阶段，都应深入分析地下水的稳定问题。

关于基坑地下水稳定性问题，主要有以下两个：

(1)抗突涌稳定，即坑底以下有水头高于坑底的承压水含水层，未用截水帷幕隔断其基坑内外的水利联系时，在承压水作用下可能出现坑底突涌的现象。

抗突涌稳定性分析原理可参照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)附录C 渗透稳定性验算C.0.1。

(2)渗流稳定，即悬挂式止水帷幕底端位于碎石层、卵石层、砂土或粉土等透水性地层时，由于基坑内外水头压力差作用，坑底的涌水力使得砂土颗粒处于悬浮状态的现象。

渗流稳定性分析原理可参照《建筑基坑支护技术规程》(JGJ120-2012)附录C 渗透稳定性验算C.0.2。

2 福州基坑地下水量分析

为可靠分析福州地铁典型透水性地层的基坑开挖出水量，从而为选择直接降水或截水的方案提供基本依据，以福州地铁4号线某一靠近乌龙江边地铁站基坑为例，给出降水试验及数值模拟的相关主要数据。

(1)试验目的

通过抽水试验，验证在不进行地下水处理的工况下，直接降水能否满足基坑开挖要求。

(2)单井抽水试验结果

抽水试验从2020年4月30日至5月20日，经历20d，共完成5组试验，抽取其中两组典型试验结果。

①单井抽水，抽水时间从2020年4月30日下午13:15开始，截止到5月1日下午，约22h。

该试验全过程配备了3口井，其中1口井抽水，其他两口观测，配备1台QJ50-65-15深井潜水泵，扬程65m，额定功率15kW，安装水表1只。

经试验得知，观测井的水位埋深-时间变化曲线如图1所示。

经历24h后，坑内水位趋于稳定，水位从初始5.60m下降到6.40m(降幅0.80m)，单井流量60～68m3/h。

②单井停抽恢复试验

降水井关闭抽水泵停抽后，通过观测水位恢复情况，取得数据绘制曲线如图2所示。

根据恢复试验，降水井停抽后，各观测井水位快速回升，40min内各井水位恢复100%。

(3)群井抽水试验结果

抽水时间从2020年5月15日13:35开始，截止到5月17日15:35，约50h，其他施工参数类同单井试验。

通过试验发现，群井抽水试验及群井停抽恢复试验结果如图3所示。

图3 群井抽水时各观测井水位埋深-时间变化曲线

群井抽水1h后水位趋于稳定，抽水50h后，最终坑外水位从初始值5.60m下降到6.65m，降幅1.05m，单井平均流量67～80m3/h。

根据恢复试验，降水井停抽后，各观测井水位快速回升，120min内各井水位恢复100%，如图4所示。

图4 群井停抽时各观测井水位埋深-时间变化曲线

(4)数值模拟分析

假设基坑开挖到坑底时，已揭穿坑底的<2-4-6>(含泥)粗中砂层，其下部的<3-8>层卵石层直接对其进行水力补给，水位必须降至坑底以下1m。根据以上假设，坑内地下水位需要降深为：安全水头深-初始水位=18.31-5.60=12.71m。本试验运用Visual MODFLOW 软件，采用渗流数值法进行计算，以整个基坑的东西南北最远边界点为起点，模型尺寸400×1000m，四周均按定水头边界处理。

经过模拟计算，基坑内需布置32口降压井，基坑外布置62口降压井，坑外设置观测兼应急井，不间断抽水10d后达降水深度，基坑的涌水量达96 248m3/d。模拟流场图如图5～图6所示。

图5 群井抽水10d后基坑水位埋深模拟流场图

图6 群井抽水10d后基坑水位降深模拟流场图

(5)抽水试验及数值分析总体结论

①单井涌水量大、水位恢复极快。通过抽水试验，单井涌水量达1440m3/d(60m3/h)以上，属极强富水性含水层；

②基坑总涌水量极大，直接降水风险极大，各井停抽后，水位在40～120min左右均恢复100%，水位恢复迅速；

③反演求得试验场地<2-4-6>粗中砂渗透系数kh=63.3m/d、kv=34.3m/d，<3-8>卵石渗透系数kh=117.4m/d、kv=45.5m/d，地层渗透系数极大；

④现场应配置绝对可靠的电源自动切换系统。否则一旦停电，水位将在1～2h内迅速回升，基坑即处于十分危险状态，工程风险极高。

综上试验可知，同类地质条件下的基坑地下水采用直接抽排降水的实施难度很大，地下水预先处理是必要的。

3 工法实施效果

针对上述基坑施工遇到的地下水问题，经过反复研究探索，多次现场试验和专家论证，总结出了以下具备较强操作性的地下连续墙落底和坑底水平封底加固的处理方案。其工法原理简述如下：

地下连续墙落底，即在满足支护结构变型和承载力、基坑整体稳定性的前提下，通过延长地下连续墙长度，隔断坑底以下砂层、卵石层等透水性强地层，是解决基坑截水问题的一种施工工法。

坑底水平封底加固，即为解决基坑抗突涌隔水层深度或厚度不足，或减缓地下水渗流速度而在基底以下某一深度人为设置一隔水层，是可以使得坑底满足承压水抗突涌稳定性要求的一种地基加固工法。

不过，工法实施过程仍存在一些亟待优化的问题。

(1)地下墙落底

截至目前，福州地铁采用地下连续墙落底的基坑有4～5座。从实施的止水效果来说，基本达到预期效果，但多座车站基坑在施工过程中仍然发生坑底涌水涌砂、地下墙缝墙缝漏水等工程问题。

以5号线仓山片区某站为例，根据勘察报告，基坑开挖范围及坑底以下存在深厚(含泥)中砂<2-5>、中砂<3-3>及卵石<4-8>，渗透系数达30～50m/d。为解决基坑开挖降水问题，采用了地下连续墙落底隔断卵石层的方案，地下连续墙长度达65m。围护结构横剖面示意图如图7所示。

图7 5号线仓山片区某站围护结构横剖面示意图

该基坑围护结构小里程端围护结构采用了地下连续墙落底的方案，在小里程第二段底板开挖到底时，坑内减压井外壁发生坑底涌水涌砂，大量粉细砂流失，地下连续墙底被掏空，导致基坑中部分隔墙附近的冠梁局部45°剪切破坏开裂。

根据调查分析可知，该基坑产生涌水涌砂的原因有以下有几种：

①基坑底以下地下墙接缝和墙脚开叉严重，内外水力联系未有效隔断；

②地下连续墙工字钢接头施工质量不合格，接缝处可能存在夹泥，在承压水作用下成为渗漏水通道；

③在坑内的(含疏干井、承压井)降水井质量不合格，井内滤层或井壁未做好导致泥土、砂流失，抽水失效。

(2)坑底水平封底加固

截至目前，福州地铁采用坑底水平封底加固的基坑有6～7座。从基坑抗突涌稳定性的角度来说，基本达到预期效果，但个别基坑出现了坑底管涌、降水井壁外侧涌水涌砂等工程问题。

以4号线台江片区某站为例，根据勘察报告，基坑开挖范围及坑底以下存在深厚(含泥)中细砂<2-4-6>、粉细砂<3-2>及卵石<3-8>，渗透系数达28～30m/d。为解决基坑开挖降水问题，采用了坑底以下14m深处超高压旋喷桩水平封底满堂加固的处理方案，加固厚度4m，布置规格为φ1100@750×750。围护结构横剖面示意图如图8所示。

图8 4号线台江片区某站围护结构剖面图

在大里程端头井基坑开挖到坑底时，个别部位发生涌水涌砂，坑内减压井外壁发生坑底涌水涌砂等工程问题。根据调查分析可知，该基坑发生涌水涌砂的可能原因有以下两种：

① 坑内的降水井质量不合格，井内滤层或井壁遭到破坏，导致泥土、砂流失，抽水失效。

② 超高压旋喷桩加固质量未达预期效果，局部存在“天窗”，在承压水的作用下产生涌水涌砂。

4 优化措施

实践可知，无论是采用地下连续墙落底，还是坑底水平封底的地下水处理方案，从理论上来说都是科学合理的，但受限于施工机械、施工工艺、施工水平及施工管理等具体操作层面的限制，往往在某些环节还存在不足。基此，针对以上工法存在的问题，提出以下建议：

(1)对于地下连续墙落底方案，因地下连续墙长度一般较长，受限于与施工工艺及水平的限制，深层的地下墙接缝夹泥和墙脚开叉现象十分严重。因此，建议通过地下连续墙垂直度限制、基坑开挖前检测地下连续墙接缝是否夹泥等控制手段，提前采取补救措施，以避免墙缝渗漏的风险。这种检测方法准确有效、操作方便，且成本不高。

(2)坑底水平封底加固的设计，意图是采用高质量的超高压旋喷桩满堂加固封底，以形成完整的隔水层，隔断上下层的水力联系，但若加固体桩间搭接长度不够，或搭接方式不对，容易导致局部未能等到有效加固即已进水。隔水效果将大打折扣。因此，建议封底加固规定采用梅花型布置，增大桩间搭接长度，并制定严格的试桩试验，确定可靠的施工参数后再正式实施。

(3)对于水平封底加固方案，即使加固体本身质量合格，但在施工降水井过程，因降水井井壁穿透加固层导致原加固体遭到破坏，从而导致水平封底加固体的抗承压能力减弱引起涌水涌砂。因此，建议在明确坑内的疏干井不超过加固体顶面前提下，进一步优化设计方案，在基坑外设置承压井。

(4)无论是对地下连续墙落底或基坑封底加固方案，均应在坑内设置一定数量的疏干井，以作为墙缝漏水、封底失效的第二道防线。另外，建议在基坑开挖之前，提前进行预抽水试验，以便验证围护结构止水效果，若效果不佳，可提前采取补救措施。

5 结语

本文全面分析了基坑地下水稳定性原理，以及基坑抽水遇到的现实难题，论证了地下水处理的必要性，提出地下连续墙落底和坑底水平封底的地下水处理工法，解决了福州地铁基坑降水遇到的棘手难题。但工法确定依据不足、论证不充分、技术标准不统一、施工工艺和水平差异大等问题依然较为突出，其高昂的工程造价也是建设方头疼的难题。以上问题还需在日后的实践中逐步解决。