黏土含砂姜地层和基岩裂隙中基坑降水设计

鲍青林

（中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 200135）

1 工程背景

1.1 工程概况

徐州市城市轨道交通6号线一期工程为一条反“L”形轨道交通线路。工程起点为黄山路与湘江路交叉口的黄山路站，途经铜山区、云龙区与开发区，联系了铜山新区、新城区及高铁东站，串联铜山新区中心、新城行政商务中心、新城区客运站、高铁站等大型客流集散点。线路主要沿湘江路、利民路、汉风路、云台路敷设，终止于徐州东站东广场。6号线一期工程线路全长约22.912km，平均站间距1.496km，最小站间距为0.809km（徐州一中站至奥体中心北站），最大站间距为3.072km（京沪高铁西站至大湖北站），全部为地下线，共设站16座。黄河东路站位于黄河东路与长安路交叉口处西南象限地块内，沿规划道路东西向设置，车站中心里程CK18+691.784，车站起止里程为右CK18+560.484～CK18+768.484。车站结构形式为地下二层单柱双跨车站，车站形式为11m岛式站台，车站长度为201.0m，标准段宽度为19.7m，底板埋深18.4m，顶板覆土3m。围护结构为φ1000mm@1300mm钻孔灌注支护，灌注嵌固深度入中风化灰岩2.5m，车站两端设盾构井。

1.2 地质条件

黄河东路站场地从上往下地层为（1）-2素填土、（2）-3a-3黏土、（5）-3a-4b含砂姜黏土、（5）-3a-4a黏土（11）-2-3中风化石灰岩。基坑底板位于（11）-2-3中风化石灰岩。（11）-2-3中风化石灰岩钻孔见洞率为66.67%，单孔线岩溶率为1.08%～31.51%，平均线岩溶率为6.55%。地质纵断面图如图1所示。根据本次勘察所揭示的地层情况，勘探深度内所揭露地层从新到老详细分述如下。

（1）-1杂填土，杂色，松散，以水泥路面、碎石、建筑垃圾为主，夹少量黏土，主要分布在1B号出入口，填龄大于10年。该层厚度为2.50m～3.80m，平均厚度为2.93m，层底标高为28.29m～30.02m。（1）-2素填土，灰黄色，松散，以黏土和粉土为主，夹少量碎石块和植物根系等，局部变成为混凝土路面，场区内普遍分布，填龄大于10年。该层厚度为0.40m～2.30m，平均厚度为1.62m，层底标高为28.92m～30.90m。

（2）-3a-3黏土为灰黄色～黄褐色，可塑（局部软塑），有光泽，干强度中等，韧性中等。ES=8.3MPa，av=0.23MPa-1，中等压缩性。该层厚度为0.90m～3.40m，平均厚度为2.46m，层底标高为26.60m～28.72m。

（5）-3a-4a黏土为黄褐～灰褐色，局部棕红色，硬塑，切面平整，有光泽，含铁锰结核，局部含钙质结核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，含量约3%～5%，干强度高，韧性高。=11.1MPa，=0.17MPa-1，中等压缩性。该层厚度为1.30m～12.90m，平均厚度为4.69m，层底标高为9.32m～21.32m。（5）-3a-4b含砂姜黏土（钙质结核富集层）为黄褐～灰褐色，硬塑，切面粗糙，含铁锰结核，含较多钙质结核（砂姜），Φ≈0.5cm～4cm，部分粒径可达10cm，含量约15%～30%，局部钙质结核富集。干强度高，韧性高。=11.3MPa，=0.16MPa-1，中等压缩性。该层厚度为2.10m～8.60m，平均厚度为6.32m，层底标高为18.92m～25.41m。

（8a）-1全风化闪长岩为灰绿色～灰黄色，岩石已风化成砂土状，蚀变强烈，手易捏碎，遇水易软化；内部夹大量风化岩屑，局部偶夹风化碎石。本次勘察仅在D6X2S4Z7号勘探孔揭露。（8a）-2强风化闪长岩为灰绿色～灰黄色，岩芯以碎块状为主，局部呈短柱状；矿物成分以斜长石、辉石、角闪石、黑云母为主；岩石风化强烈，敲击易碎，属极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。本次勘察仅在D6X2S4Z7号勘探孔揭露。（8a）-3中风化闪长岩为灰绿色，矿物成分以斜长石、辉石、角闪石、黑云母为主，岩芯呈柱状，岩体较破碎～较完整，TCR=65%～90%，RQD=25%～60%；天然单轴抗压强度：45.0MPa～53.0MPa，平均值为49.0MPa；饱和单轴抗压强度=40MPa，属较硬岩，岩体基本质量等级为Ⅲ～Ⅳ级。本次勘察仅在D6X2S4G8、D6C2S4Z1号勘探孔揭露。

（11）-2-3中风化灰岩为灰色，隐晶质结构，中厚层状构造，岩芯呈柱状、局部为短柱状、碎块状，锤击声脆且回弹，岩体较完整～完整，局部裂隙较发育，有溶蚀现象，=70%～95%，RQD=60%～85%；天然单轴抗压强度为27.5MPa～98.8MPa，平均值为63.5MPa；饱和单轴抗压强度为30.3MPa～92.9MPa，平均值为59.0MPa，属较硬岩～坚硬岩；岩体基本质量等级为Ⅱ～Ⅲ级。（11）-2-3p中风化灰岩（破碎）为灰色，隐晶质结构，层状构造，岩芯破碎，呈碎石、碎块、间夹短柱状，节理裂隙发育，方解石充填。属较硬岩，岩体基本质量等级Ⅳ～Ⅴ级。（11）-0溶洞为空洞。（11）-5溶洞为半充填，充填物主要为褐黄色可塑～硬塑黏土夹灰岩碎块。（11）-6溶洞为全充填，充填物主要为褐黄色可塑～硬塑黏土夹灰岩碎块。

1.3 水文条件

根据勘察资料，场地范围内地下水分为上层滞水、孔隙水（含砂姜黏土中的水）和碳酸盐裂隙溶洞水。

弱承压水主要赋存于含砂姜黏土层中，其含较多钙质结核（砂姜），≈0.5cm～4cm，渗透系数=3.0×10cm/s。该地层与地表水有一定水利联系，基岩裂隙水基本不补给，稳定水位埋深为3.10m～7.50（标高23.67～28.33）m。承压水主要为基岩裂隙水，渗透系数=8.44×10cm/s，雨季与旱季水位年变幅5.0m～10.0m。施工期间最浅水位埋深9.5m，标高21.51m，水位位于结构底板以上，对施工影响较大。主要赋存赋存于奥陶系灰岩中，具有承压性，隔水顶板为（5）-3a-4a黏土层。碳酸盐岩裂隙溶洞水补给来源主要是大气降水入渗补给和侧向径流补给；径流在丘陵区受地形控制，由高处流向地处平原区，但在平原区受人工开采影响，岩溶水表现为由四周流向开采降落漏斗中心的汇流型径流，水力梯度较大；排泄以人工开采为主。地下水动态一般每年雨季降水高峰期后1～2个月（8、9月）岩溶水达到最高点，随后水位逐渐下降，至次年旱季末（4、5月）水位下降至最低点，年变幅5m～10m。详勘抽水试验结论如下。建立抽水试验概念模型为承压非完整井稳定流抽水，基岩含水层顶板埋深约16.40m～17.10m，承压水头高度约为7.00m～8.10m，综合建议黄河东路站⑾-2-3层石灰岩含水层渗透系数取7.29m/d。

1.4 地基土物理特征参数表

拟建场地地基土层相关力学参数见表1。

表1 地基土主要物理特性参数表

1.5 周边环境情况

黄河东路站位于黄河东路与长安路交叉口处西南象限地块内，沿规划道路东西向设置，基坑东侧为南北向布设的城市主干道长安路为双向6车道，主干道两侧各设置1处8m的辅道，黄河东路站东侧25m处有一座220kV沙七线电力铁塔，基础为钢筋混凝土扩大基础；长安路上敷设有DN400给水管、DN200给水管、DN400燃气管、DN200燃气管、通信光缆、DN600雨水管等；附属结构北侧分布有宽度为5m、深度为2.5m的石砌盖板结构雨水暗渠，连接东风河与奎河，便于东风河汛期往奎河泄压；车站西侧和南北均无建构筑物；黄河东路站周边有两条河流分别为东风河和奎河；黄河东路车站周边环境整体较好。

2 降水设计

2.1 坑内疏干井设计

黄河东路站止水帷幕施工工艺采用三轴搅拌桩，该止水帷幕设计思路为嵌入（5）-3a-4a黏土隔水层但未穿透，隔断的土层主要有（5）-3a-4b含砂姜黏土以上土层，所以基坑内降水总体思路为疏干基坑内（5）-3a-4b含砂姜黏土层中的弱承压水，根据设计参数井管采用直径400mm的井管时，有效降水面积为300m，车站基坑面积4088 m，得出基坑内设置15口疏干井。

2.2 坑内泄压井设计

根据该工程地层，基坑底板开挖至（11）-2-3层中风化石灰岩中，采用降水井结合明排进行降水。针对结构抗浮措施，采用开挖至基底后，探明基岩裂隙水后，预埋直径为400 mm钢管，根据抗浮验算，每段底板设置1口泄压井，满足抗浮要求后进行封井。

2.3 坑外减压井设计

考虑到止水帷幕未有效隔断（11）-2-3中风化石灰岩裂隙水，又考虑到基坑内（5）-3a-4a黏土层为基岩裂隙水隔水层不能被破坏，所以采用坑外减压降水设计；根据现场抽水试验基底（11）-2-3中风化石灰岩渗透系数=8.44×12，根据减压井降水能力验算，基坑外共设置16口。

该车站承压水主要碳酸盐岩裂隙溶洞水，施工期间水位降至底板开挖面以下0.5m。坑底抗渗流稳定性可按式（1）验算，如图1所示。

图1 基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图

式中：P—承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，kPa；P—初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力，kPa；h—承压含水层顶面至基底面间各土层的厚度，m；γ—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，kN/m；—高于承压含水层顶面的承压水头高度，m；γ—水的重度，工程上一般取10，kN/m；F—安全系数，根据规范该工程取1.10。

对车站进行承压水突涌计算见表2。

表2 承压含水层抗渗流稳定性验算表

对明挖基坑工程采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）附录E中承压水非完整井公式来估算基坑降水的涌水量，基坑涌水量估算见表3，计算公式如下。

表3 基坑涌水量估算表

单井出水能力按公式（3）计算，需要降压井数量=1.1/。 （3）

式中：r为过滤器半径；取0.1625m，为过滤器进水长度，取2.0m；取（11）-2-3中风化石灰岩的渗透系数7.29 m/d。考虑到承压水为非均一性，还需确保每个降压井的单井承压水出水量不至于过大，造成降水、封井困难，降压井数量计算见表4。

表4 降压井数量计算表

降压井深度可按式（4）进行计算：

式中：为井点管埋设深度（m）；为基坑深度；为降水后水面距基坑底的深度（m），取0.5m；为基坑等效半径（m），取36 m；为过滤器工作部分长度（m），取2.0 m；为沉砂管长度，取1.0 m。

2.4 降水井结构

止水帷幕已完成隔断（5）-3a-4b含砂姜黏土层，（5）-3a-4b含砂姜黏土弱承压水层与上部滞水一起疏干考虑，疏干井深度不穿透（5）-3a-4a黏土隔水层。疏干井深度随着（5）-3a-4a黏土隔水层的变化而变化，疏干井深度11～13m；机械成孔直径0.6m，下管直径0.4m；管井采用钢管，壁厚3mm，过滤器采用“桥式管”，沉淀管为1.0m。

（11）-2-3中风化石灰岩裂隙水主要来源于基岩发育裂隙中，结合（11）-2-3中风化石灰岩顶部高程不同，减压井深度为23.8m～25.4m；机械成孔直径0.6m，下管直径0.325m；管材采用钢管，壁厚3mm，过滤器采用“桥式管”，沉淀管1.0m。

坑外观测孔共设置16孔，均匀布设在坑外，采用55PVC井管（与车站监测共用），深度与基坑底部同深，观测孔深度为16.6m～18.3m。

3 结语

施工结果证明：1）基坑内只设置疏干井可以随着基坑开挖的进行，井口的高度随基坑土的高度下降而下降，基坑内施工作业面干扰小。2）基坑内设置疏干井，对（5）-3a-4a黏土隔水层及以上土层疏干效果较好。3）减压井在基坑外设置既不影响车站结构施工，又能降低施工成本。4）坑外减压井一直可以无干扰地运营到车站结构具备抗浮要求后，进行封井处理。