深基坑厚潜水含水层降止水案例与技术探析

2022-06-25赵建军

重庆建筑 2022年6期

赵建军

（上海城建市政工程（集团）有限公司，上海 200331）

0 引言

在具有较厚潜水含水层、释水性较好的区域内进行深基坑开挖时，由于土层的渗透系数较大，地下水水量补给较快，补给量较大，且止水帷幕没有阻断潜水含水层，在基坑没有及时降水的情况下，必然会引起基坑浸水，降低土体强度，影响施工安全。如果降水控制不当，还有可能导致地表沉降、管涌、基坑失稳等现象。因此，研究地铁车站深基坑降水关键技术对施工安全具有重要意义。

刘凌晖等[1]以福州地铁2 号线水部站为依托，采用有限差分模型求解半封闭基坑降水特性，建立了标准状态下排水量随帷幕变化的特征曲线；黄应超[2]以武汉市妇女儿童医疗保健中心综合业务楼深基坑降水工程为例，对深基坑降水与回灌过程进行三维数值模拟，发现采用坑外回灌可控制降水引起的地面沉降；周勇[3]以兰州地铁1 号线某车站基坑支护工程为背景，通过有限元法分析以及实际监测数据，表明车站深基坑开挖及降水对地下管道的位移有显著影响，进而总结了管道的变形规律；高旭等[4]以武汉长江航运中心深基坑为实例，概化其水文地质模型，以现场抽水试验数据分析止水帷幕的止水效果。

郑州地铁8 号线龙王庙站在基坑开挖面内有较厚的潜水含水层，利用三轴搅拌桩止水帷幕配合管井井点降水，坑外设置排水沟排水，通过成井和封井关键施工技术，以及止水帷幕的冷缝处理方法进行降止水处理，保障了施工安全，可为类似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑概况

郑州市轨道交通8 号线一期工程龙王庙站位于绿博大道与雁鸣路交叉口处，沿绿博大道呈一字型布置，龙王庙站为地下两层岛式站台车站。

车站主体采用全外包防水层，主体基坑采用钻孔灌注桩配合钢支撑的支护形式，止水帷幕采用φ850@600 三轴搅拌桩，三轴搅拌桩底边线位于②51细砂层中，未隔断潜水含水层。标准段基坑深约16.590m，小里程端基坑开挖深度约18.35m，大里程端基坑开挖深度约18.35m。

1.2 地质概况

根据区域勘察报告，车站主体施工场地主要为城市道路，地貌单元属黄河冲积平原区，地形较平坦，地面高程约80.22～80.83m。

施工场地的地层主要由人工填土层、第四系全新统冲洪积层、第四系上更新统冲洪积层构成。人工填土抗剪强度低、变异性大，浸水后会引起工程性质恶化，容易导致支护结构失效；②21粉质黏土，埋深约11.0～13.4m 深度范围，土质相对软弱，受扰动后强度可能会降低；②41粉砂、 ②51细砂层渗透系数分别为10.0、15.0，渗透系数较大，富水性极强，水量补给较快。龙王庙站地质剖面图如图1 所示。

图1 郑州地铁龙王庙站地质剖面图

施工场地范围内地下水主要为第四系松散岩类潜水，主要赋存于②32黏质粉土、②41粉砂、②51细砂、③51细砂层中，水位埋深约11.35m，潜水含水层最大厚度为26.8m，该潜水层具有渗透系数大、含水量大、水位恢复较快等特点。

1.3 施工难点

（1）基坑开挖周围环境复杂，地下存在众多管线，周边有蓝城玫瑰园、白沙组团污水处理厂等建筑，基坑采用悬挂式帷幕降水，过度降水将会引起周围地表的沉降，对周边建筑物产生较大的不利影响。

（2）基坑开挖较深，开挖范围内有较厚的潜水含水层，下部土层渗透系数大，水量补给较快，对成井和封井施工技术提出了挑战。

（3）止水帷幕能够延长地下潜水含水层的渗流路径，从而减少流入基坑的地下水，但由于车站基坑开挖深度大，止水帷幕未能隔断潜水含水层，止水帷幕一旦渗透或止水效果不好，将会严重影响施工安全。

（4）本基坑以砂性土为主，降水运行过程中风险较大，可能会出现出水量异常或坑外水位下降异常等现象，需分析原因，采取措施。

2 降水方案

综合考虑工程的地质和水文条件，结合相似工程的降水经验，车站主体基坑降水施工采用三轴搅拌桩帷幕止水、坑内管井降水、坑外设置排水沟的地下水处理方案。

2.1 基坑降水计算

为方便基坑的开挖作业，并且保证基坑的安全开挖，在基坑内布设疏干井，疏干开挖范围内土体中的含水量，将开挖范围内的地下水水位控制在基坑开挖底以下至少1m。根据基坑每天总涌水量除以群井抽水工况下单井每天出水量得出基坑内所需疏干井数量。

该工程主要抽取②51层及以上潜水含水层。运用均质含水层潜水非完整井计算公式估算基坑总涌水量，计算结果如表1 所示。

表1 基坑总涌水量计算

经计算得出单井允许出水量约为615.64m3/d。此值仅代表单井的最大理论出水能力，单井实际出水量还需综合考虑井损、群井干扰效应等因素的影响。计算结果如表2 所示。

表2 基坑单井设计出水量

综上，确定降水井数如表3 所示。

表3 基坑降水井数计算表

2.2 降水效果模拟

在分析计算时，综合考虑计算的平面范围，降水井、观测井的空间位置以及地层概化的影响，运用三维计算数值模型进行降水效果模拟，离散后的水文地质模型见图2。

图2 离散模型三维示意图

根据三维计算数值模型进行降水量预测，由图3 可知，坑内开启20 口降水井模拟降水运行7 天后，基坑内水位降水约为10m，可以满足基坑降水要求。

图3 主体基坑水位降深等值线图（m）

3 关键施工技术

3.1 沉降值预测及预防措施

过度降水会引起基坑周围地表沉降，综合考虑开挖基坑后降水作用、围护渗漏、坑底隆起等因素，对降水运行120 天后基坑周围的沉降量进行模拟，模拟结果如图4 所示。结果显示，本方案降水对基坑周围地表的沉降影响较小，最大沉降量预测值为11mm，但为保证周围环境的安全，仍采取如下预防措施：

图4 120天后降水引起的周边沉降等值线图

（1）对基坑周边的建筑物沉降、管线变形进行全天监测，发现异常后，及时分析原因，根据变形制定加固、悬吊、隔离、跟踪注浆等措施；

（2）尽量缩小降水范围，缩短降水时间，减少降水深度，降水过程中要提高效率，安装回水阀，严格控制降水井流量，防止降水过量引起地表沉降，同时降水井的位置应远离需要保护的建筑物[12]；

（3）在降水井施工完成后，对20 口降水井进行试运行，检验降水方案的效果，水位下降超过预测的最大值时，必要时进行回灌。

3.2 成井、封井施工技术

施工过程中需要注意钻进成孔和洗井方法。基坑开挖范围主要为砂性土，为了确保施工质量，采用注浆封井的方案，施工过程中需要注意注浆方法。

（1）成井施工采用正循环回转钻进工艺，钻孔过程中注入泥浆护壁，控制泥浆的密度在1.10～1.15，在施工停止时，为了防止坍塌，孔内必须保持泥浆为填满的状态。

（2）洗井时，要注意把活塞从滤水管的下方向上拉，对活塞拉出来的水的泥沙含量进行测定，水中基本不含泥沙后，再使用空气压缩机多次抽水清洗，直到清水流出。

（3）封井过程中，注意协调配合注浆量和上提注浆管，每完成0.51m 浆量后提升0.51m 的注浆管，每上提3m 后就可以拆掉一节注浆管。在注浆完成后，通过观测井管内水位有无明显提高，验证注浆效果。

3.3 止水帷幕冷缝处理

围护结构三轴搅拌桩施工过程中冷缝处理不好会出现渗透，渗透过程中水流会带走基坑侧壁部分土颗粒，导致基坑变形，基坑变形会引起三轴搅拌桩的变形，若基坑的变形较大，还会使三轴搅拌桩产生裂缝，影响降水运行和施工质量。

三轴搅拌桩施工过程中出现冷缝时，可以通过打入高压旋喷桩对冷缝进行修补，用高压旋转喷嘴将水泥浆喷入土层，与土体混合，形成连续重叠的水泥加固体，保证止水帷幕的止水效果，高压旋喷桩修补冷缝如图5 所示。

图5 高压旋喷桩冷缝处理施工图

3.4 基坑降水监测及降水试运行

（1）该工程单井出水量较大，下部土层渗透系数大、含水量高，水泵停止抽水后一段时间内水位会迅速上升，基坑底板完成后，为方便进一步施工作业，部分降水井仍需进行抽水。因此需要对降水井的出水量、地下水位进行实时监测。

（2）正式降水之前进行降水试运行，验证降水效果，先测量出静水水位，验证电路系统能否正常运行，再进行为期1 天的试验抽水，检查出水质量和出水量，同时监测管井出水量和坑外水位孔检测水位，用以检测围护结构的止水情况。

4 降止水效果分析

分析坑内西端头观测井GB1、中间观测井J6（替换GB2）和东端头观测井GB3 在降水运行中的地下水水位（图6），结果显示：西端头基坑设计开挖深度18.35m，地下水位稳定在19.5m 附近，控制在施工作业面1m 左右，能够保证施工安全；东端头基坑处于放坡开挖阶段，东端头井6月20 日后兼做降水井使用，降水流量为21m3/h 左右；各降水井按照基坑开挖施工状况按需降水，降水井运行正常，周围地表无塌陷、隆起等现象，表明项目所选用的悬挂式止水帷幕配合坑内管井降水方案能够较好地满足后潜水含水层基坑降止水施工的需求。

图6 降水运行地下水位统计

止水帷幕能够有效减少周围地表沉降，为检测止水帷幕的止水效果，在基坑外取8个不同监测点进行周围地表沉降变形分析，各监测点沉降量随时间的变化如图7 所示。

图7 各监测点沉降量随时间变化曲线

通过对各监测点的沉降量进行分析，结果显示：降水运行导致地下水位下降，各监测点由于降水引起的沉降趋势基本一致，且沉降速率都随降水的进行逐渐变缓。截止7月13 日，最大沉降量出现在DC-1304，为9.3mm，最小沉降量出现在DBC-16-02，为7.1mm，各监测点的沉降量稳定于8.0mm 附近，基本在9.5mm 以内，符合模拟降水沉降量预测结果，在满足相关规范的控制要求的基础上，可以保证地铁车站基坑的稳定性，保证工程的顺利进行。