武汉轨道交通七号线地铁站深基坑降水的特性研究

温永凯，张贺

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010）

0 引言

随着近年来城市地铁站的深基坑开挖面积、开挖深度越来越大，地铁深基坑的施工将不可避免遇到降水问题，而因降水产生的地铁深基坑施工安全事故，不仅会延误工程工期，造成重大经济损失，也会产生不良社会影响。 因此，制定合理、有效的降水设计方案，在基坑施工中尤为重要[1]。

1 工程概况

拟建武汉市轨道交通7 号线王家墩东站地铁站，位于武汉市江汉区，青年路和建设大道交叉路口以西，与既有轨道交通2 号线王家墩东站形成“T”型换乘，为地下三层单柱双跨车站。 拟建车站基坑主体长度230m，标准段基坑宽度为21.8m，端头部分宽度为27.9m；基坑平面呈长方形，开挖面积约5398m2，开挖周长约520m，开挖深度23.13～25.00m。 围护结构采用1000mm 厚落底式地下连续墙，墙底进入(20a-1)强风化泥岩不小于2m，支撑体系采用五道（端头部分六道）钢筋混凝土支撑和钢支撑。

2 工程地质条件

2.1 岩土工程地质条件

工程场地地形相对平缓，一般地面标高约20.20～21.30m。 工程所在场地地貌单位属于典型Ⅰ级阶地河流堆积平原区。 根据勘察结果，工程场地上覆土层主要为人工填土层、第四系河流冲洪积土层、砂层，下部基岩为志留系泥岩。 拟建工程场地勘探深度范围内的地层划分为5 大层，具体如下：1-1 层杂填土，饱和，结构不均匀；1-2 层素填土，稍密，局部松散；1-3 层淤泥，饱和，流塑状态；2-1 层黏土，饱和，可塑状态；2-2 层黏土，饱和可塑，局部软塑；2-4 层淤泥质黏土，饱和，流塑状态，局部软塑；2-4a 层粉质黏土夹粉土、粉砂层，饱和，软塑，粉土呈稍密状态；2-5 层粉质黏土夹粉土、粉砂层，饱和，粉砂土层呈稍密～中密状态，粉质黏土呈软塑状态；3-1 层粉细砂，饱和，稍密～中密状态；3-1a 层粉质黏土，饱和，软塑状态；3-2 层细砂，饱和，中密及密实状态；3-2a 层粉质黏土，饱和，软塑状态；3-3层中粗砂，饱和，密实状态；4 层角砾夹卵石，饱和，中密；5-1 层强风化泥岩，岩芯多呈土状，手捏可碎，属极软岩；5-2 层中风化泥岩，属软岩，岩体较破碎。

2.2 水文地质条件

该场地地下水主要为上层滞水、孔隙承压水及基岩裂隙水。 综合水文地质资料的分析，对本次工程造成主要影响的是孔隙承压水，它对基坑降水设计时的影响应受到重视。

孔隙承压水主要赋存于2-5 层、3 层及4 层，它们分别为弱透水层、 强透水层及强透水层。 勘测期间，实测承压水埋深约7.50～8.20m，承压水测压水位标高约13.00～13.10m。

3 基坑降水特性分析

3.1 降水渗流理论

进行基坑降水系统的设计时，需要选用渗流公式确定降水井的各项参数，如井的直径、数目、深度等。 其中，渗流公式是依据基坑深度、场地水文地质条件等来确定的。 当降水井布置在有潜水自由面的含水层中，即地下水面为自由水面时，即为无压井；当降水井布置在承压水含水层中，即隔水层间的地下水有一定水压时，则为承压水。 最后，完整井是指那些井底到达不透水层处的降水井，而非完整井则是井底未到达不透水层处[2]。

1857年，法国的水力学家Dupuit 研究了关于地下涌水的理论，关于完整承压井及完整潜水井涌水情况的研究有如下4 条相关假定：①含水层是均质及各向同性的；②水流是层流；③流动条件为稳定或非稳定流；④井的出水量不随时间变化[3]。

3.2 基坑涌水量的计算及分析

3.2.1 抽水试验

通过现场抽水试验，确定土的渗透系数，能更真实反映场地内土层的渗透性。 抽水测试的信息如下：J-03、J-04、J-07、J-08 为降水井；J-01、J-06、J-10、J-13、J-14、C-05、C-08、C-11 是用于观测水位变化的观测井。

本次试验为进行承压水非完整井的抽水试验，在现场进行单井两个落程的抽水试验，通过现场抽水试验的数据资料，采用承压水非完整井的相关公式计算含水层水文地质参数，计算结果见表1。

表1 抽水试验计算结果汇总表

综上，平均渗透系数为：

平均影响半径为：

3.2.2 基坑涌水量各类参数计算

地面标高：21.95m；开挖深度：24.07m；基底标高：-2.12m；当前水位：12.00m（承压水头埋深2.25m）；超降深度：2.00m；水位变化幅值：3.00m；含水层顶板标高：13.10m；含水层底板标高：-28.50m。

承压水水位下降设计值为：

含水层顶面与设计下降水位的高差为：

含水层底面起算的承压水水头高度为：

H=12.00-(-28.50)=40.50m

基坑降水计算采用的控制参数：基坑长A 为108.0m，宽B 为22.5m，含水层厚M 为41m。 承压水水位下降设计值S、含水层顶面与设计下降水位的高差L、从含水层底面起算的承压水水头高度H 值见上文计算结果。

其中，基坑等效圆半径为：

式中，F 为基坑面积。

关于承压水完整井基坑涌水量Q 的几类规范算法如下。

（1） 湖北省地标《基坑工程技术规程》（DB42/T 159—2012）[4]给出的基坑涌水量Q 计算：

式中，K0为含水层渗透系数概化值（m/d），其他参数含义同上。（2） 轨道交通规范 《城市轨道交通岩土工程勘察规范》（GB 50307—2012）[5]给出的条形基坑涌水量Q 的计算：

式中，A 为条形基础长度，B 为条形基础宽度，其他参数含义同上。

（3） 基坑规程《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）[6]给出的基坑涌水量Q 的计算：

基于上述三种基坑涌水量Q 计算结果，可发现轨道交通规范与基坑规范的涌水量计算结果相近，而湖北省标的计算结果与它们有较大差距，由湖北省地标计算得到的基坑涌水量Q 会偏大，这体现了湖北省标对武汉地区地下水丰富的考虑。 本次工程虽然在汉口地区，但现场实测水位出现偏低的现象，这和附近基坑工程的降水影响有关。 所以，结合具体工程实际情况，本次基坑涌水量Q 计算选用基坑规程相关公式。

考虑到地下连续墙对基坑内渗透系数的影响，需对基坑内渗透系数折减，其中取K=7.0m/d[1]，在其他参数不变中，再带入基坑规程的基坑涌水量计算公式（3），可得基坑涌水量Q 约为10475m3/d。

3.3 降水井的数量及布设

管井的单井出水量计算公式为：

式中，q——单井出水量 （m3/d）；r——过滤器半径（m）；l——过滤器进水部分长度（m）；k——含水层的渗透系数（m/d）。

将各参数数值带入，经计算得：q=1417m3/d，故最后单井出水量取750 m3/d 是合理可靠的，则通过计算的降水井数量为：

实际布置的降水井数量为17 口，降水井布置时应避开梁、柱、桩等。 正式施工前应对井位进行核对，井位可在一定范围内调整，考虑到基坑左端区域有高架桥及已建成的地铁等重要建筑，该区域降水井数量减少，降水井的布置方式见图1。

图1 王家墩东站基坑降水井初始布置图

图中降水井是J 开头的编号，备用降水井是以BJ 开头的编号，基坑周围D 开头编号的是沉降监测点，C 开头编号的降水井是作为抽水试验的观测井。

4 王家墩地铁站深基坑降水设计

基坑降水模式采用深井降水，初步设计是要将水位降至最终开挖面下的1～2m。 本次降水设计通过天汉降水软件进行设计和分析，同时结合湖北省地方标准《基坑工程技术规程》进行计算分析。

4.1 降水井与钻孔参数及相关控制参数

将王家墩地铁站降水井的相关参数、各土层厚度、压缩模量、修正系数等参数输入天汉降水软件信息输入版块中，本次降水井J-01～J-15 泵量在1200～1500T/D，井深38.0m，影响半径R 为175.5m。

4.2 水位降幅及沉降计算结果

4.2.1 基坑内外承压水头的降幅

本次基坑降幅由天汉降水软件计算模拟得到，考虑到基坑内外渗透系数的相对差异，通过CAD 调整合并，便可得到准确的基坑内外的降水后承压水水头降幅的等值线图，如图2 所示。

由图2 分析可得： 基坑内的水位降幅主要在15.0～18.0m 之间，水位基本降低到基坑最终开挖面下的1.0～2.5m，降幅模拟结果符合本次工程基坑降水要求。

图2 王家墩东站承压水头降幅等值线（m）

4.2.2 基坑周围的地面沉降

本次王家墩东站的地铁站基坑降水的沉降计算采用《湖北省基坑管井降水工程技术规范》[7]中沉降量的计算公式，将相关参数输入天汉降水软件中，通过软件计算得到了基坑及周围区域的沉降等值线，具体见图3。同时，选取现场几组监测点沉降数据，具体如图4 所示。

从图3、图4 的分析可知，距离基坑越近，且越靠近基坑中心，沉降量越大，最大沉降量可达36.0mm，整个沉降等值线呈现以基坑为中心，向四周以同心椭圆的形态展开分布；同时对比模拟沉降量及实测沉降量，得到模拟结果与实测沉降量接近，基坑周边沉降量在20.0～40.0mm 之间。

图3 王家墩东站周围地面沉降等值线（mm）

图4 部分监测点实际沉降量随时间变化曲线

5 回灌井设置

基坑降水会造成一定区域内土体中的地下水位下降，土体的孔隙水压力减小，有效应力便会增加，而在土颗粒间的有效应力作用下，会引起土颗粒的位移，使土孔隙体积减小，土体发生相应的压缩变形，地面便会发生沉降[8]。 地面产生的差异沉降会使周围的建筑物及其他设施产生开裂损坏等问题，因此，基坑降水过程需要严格控制、监测地面沉降的发生。

考虑到基坑降水对周围的影响，在深基坑降水过程中，可以在基坑外的一定范围内布置回灌井[9]。 本次共设置4 个回灌井（H开头的为回灌井），并基于天汉降水软件分析计算，得到了设置回灌井的基坑外地面沉降大小，如图5 所示。

图5 布置回灌井的周围地面沉降等值线图（mm）

由分析可知，同未设置回灌井地面沉降等值线图3 及实测沉降量图4 对比，本次地面沉降大小整体减小了3.0mm 左右，回灌井附近沉降量的减少量能达到5.0～10.0mm。所以回灌井的设置能对基坑周围的沉降变形有所控制，因此基坑降水过程中，设置合理数量的回灌井能有效减小基坑周围沉降，进而保护周围各类对沉降变形敏感的重要设施。

6 结语

本文基于天汉降水软件，模拟了武汉地铁站深基坑降水的设计方案，得到的设计方案满足本次基坑降低水位的要求，同时分析得到设置回灌井能减小地面沉降达3.0mm，最大达到5.0～10.0mm。 因此基坑降水过程中，通过设置合理数量的回灌井能有效减小基坑周围沉降，进而保护周围构筑物地基稳定，研究对武汉类似深基坑降水具有一定参考意义。