富水砂层地铁车站深基坑降水方案设计与研究

2023-05-20赵中吉

中国新技术新产品 2023年4期

赵中吉

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京 210000）

0 引言

在地铁车站施工过程中，深基坑开挖是整个施工过程的重点，而基坑降水的效果是基坑施工成功与否的关键，如何在保证坑内降水效果的同时减少对周边环境的影响是重中之重[1]。通过降水，可降低开挖土体含水量，提高土体抗剪强度，为深基坑开挖提供施工条件[2-4]。但在深基坑施工中，基底常会受承压水影响[5-7]，必要时需要进行基坑承压水降水设计。该文结合行知路站主体深基坑降水方案设计、施工实践，对降水设计方案进行了综合评价，可为类似工程施工提供经验指导。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

南京地铁11 号线一期工程行知路站位于浦滨路与规划园杰路路口，沿浦滨路敷设，为地下2 层岛式车站。车站主体基坑长224m，标准段基坑宽21.7m，顶板覆土厚度约2.84m~4.55m。标准段底板底埋深17.6m~17.8m，端头井底板底埋深18.0m~19.8m。车站底板位于②-3d2 粉细砂层中，围护结构采用800mm 厚地连墙，插入比为1 ∶1.09，墙趾主要位于粉细砂层中，属“悬挂式止水帷幕”，基坑采用明挖顺作法施工。

1.2 工程水文地质情况

该工程土层、岩层分布较均匀，自上而下土层分别为①-1 杂填土、①-2b2-3 素填土、②-1d-c3-4 粉砂夹粉土、②-2b4 淤泥质粉质黏土、②-3d2 粉细砂、②-3b3-4 粉质黏土、②-3d1 粉细砂、②-4d1 含砾中粗砂、②-4e1 圆砾，砾砂、k2p-2 强风化泥质粉砂岩以及k2p-3 中风化泥质粉砂岩。

该工程地下水分为孔隙潜水、弱承压水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于素填土、粉砂夹粉土、淤泥质粉质黏土、粉细砂、粉质黏土中，水位埋深约1.30m~3.60m。承压水主要赋存于20m 以深、粉质黏土以下的粉砂、粉细砂、含砾中粗砂、圆砾中，水位埋深约3.5m，上部隔水层软-流塑状的粉质黏土属软弱土。

2 基坑降水的重点和难点

开挖范围内以砂层为主，内夹黏性土薄层，含水量高，水平向透水性强但垂向透水性差，易出现层间滞水，对开挖效果及施工效率影响较大。

车站地连墙未隔断含水层，为“悬挂式帷幕”，水位控制难度大。基底下分布由粉细砂层和圆砾层组成的承压含水层，有发生基底突涌的风险，再加上地层透水性好、补给源强，基坑涌水量大，承压水位控制难度较大。

基坑西侧为已建综合管廊，距离主体基坑最近7.8m，需要尽量避免降水对管廊产生不良影响。

3 基坑降水方案

3.1 基坑降水设计计算

3.1.1 基坑疏干井数量

地连墙理论上已隔断了上部潜水含水层基坑内、外水力联系，在坑内按单井有效疏干面积布置疏干井即可。单井有效疏干面积a井一般根据疏干土体的特性及基坑的平面形状来确定，一般为150m2~250m2，该工程按240m2/口考虑。

基坑疏干面积A约为4657m2，根据公式（1），坑内共布置19 口疏干降水井。

式中：n—井数（口）；A—基坑疏干面积（m2）；a井—单井有效影响面积经验值（240m2）。

3.1.2 基底抗突涌稳定性分析

基底以下分布有承压含水层，有发生基底突涌的风险。经计算，车站承压水位需要降至标高-0.8m~-6.0m，相应降深为4.4m~9.6m。具体分析如下。

基坑底板抗突涌稳定条件为基坑底板至承压含水层顶板间的土重力大于承压水的顶托力，如公式（2）所示。相应的基坑底板抗突涌验算示意图如图1 所示，基底抗突涌稳定性验算见表1。

图1 基坑底板抗突涌验算示意图

表1 基底抗突涌稳定性验算表

式中：Kh—突涌稳定安全系数，一般为1.05~1.1，本次按1.1 计算；D—承压含水层顶面至坑底的土层厚度（m），D=Ha-Hb，其中Ha、Hb分别为基坑开挖底板高程（m）、含水层顶板高程（m）；γ—承压含水层顶面至坑底土层的天然重度（kN/m3），对多层土，取按土层厚度加权的平均天然重度（kN/m3）；取18.5kN/m3。hw—承压含水层顶面的压力水头高度（承压水位至承压含水层顶板距离，m），取3.6m；γw—水的重度（10kN/m3）。

3.1.3 地下水流数值模型

3.1.3.1 水文地质概念模型及参数

根据已有的岩土工程勘察报告、水文地质条件、钻孔资料，模拟区平面范围按下述原则确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外，模拟区范围为1300m×1000m，如图2 所示。

图2 三维模型含、隔水层概化图

剖面上，根据勘察资料，将场区在垂向上概化为4 个模拟层，地层及渗透系数取值如表2、图2 所示。

表2 各模型概化层渗透系数取值表

3.1.3.2 地下水流模型

根据上述概念模型，在不考虑水的密度变化的前提下，相应的地下水流数学模型如公式（3）所示。

式中：Kxx、Kyy和Kzz为平行于主轴x、y和z方向的渗透系数（L/T）；W为单位体积流量，用以代表流进或流出的源汇项（m3/d）；h为点（x，y，z）在t时刻的水位（m）；Ss为储水率（L/m）；S为贮水系数；Sy为给水度；M为承压含水层厚度（m）；B为潜水含水层厚度（m）。

初始条件如公式（4）所示。

边界条件如公式（5）、公式（6）所示。

式中：Ω为立体时间域；H0（x，y，z，0）为研究区各层初始水头值；H1（x，y，z，t）为研究区各层第一类边界Γ1上的已知水头函数（L）；q（x，y，z，t）为第二类边界Γ2上的单位面积法向流量[L2T-1]，对隔水边界，q=0。

3.1.3.3 源汇项

单井出水能力按公式（7）进行计算。

式中：q'为单井出水能力（m3/d）；r为滤管半径，0.1365m；l'为过滤器进水部分长度，4m~8m。

单井出水量理论计算值为632m3/d~1265m3/d，考虑群井干扰等因素，实际抽水时单井出水量按600m3/d~1200m3/d 考虑。

3.1.4 模型计算结果及降压井布置

车站承压水位需要降至标高-0.8m~-6.0m，相应降深为4.4m~9.6m。

经模型运行分析共布置19 口降压井（含4 口观测井兼备用井），可以使水位整体降至安全水位标高以下。基坑总涌水量约为15000m3/d，单井水量600m3/d~1200m3/d，北侧管廊处水位标高降至约-2.2m，降深5.8m。坑内降水预测水位标高等值线如图3 所示，其中水平向为沿车站纵向，竖向为沿车站横向。

图3 坑内降水预测水位标高等值线图（m）

3.1.5 降水引起的周边地面沉降计算

降水引起的地层压缩变形量可采用公式（8）进行计算。

式中：S—降水引起的地层变形量（m）；ψw—沉降计算经验系数，根据南京地区经验取为0.2；Δσ′zi—降水引起的地面下第i层土中点处的附加有效应力（kPa）；对黏性土，应取降水结束时土的固结度下的附加有效应力；Δhi—第i层土的厚度（m）；Esi——第i层土的压缩模量（kPa），应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和的压力段的压缩模量，根据地勘资料取10.53MPa。

管廊处最大水位降深约为5.8m，则降水引起的管廊最大沉降量约为8mm。降水引起的沉降主要为均匀沉降，差异沉降很小，降水理论上不会对管廊造成不良影响。预测管廊处地面沉降等值线如图4 所示。

图4 预测管廊处地面沉降等值线图

3.1.6 观测兼回灌井布置

沿坑外管廊一侧按约20m~25m 间距布置12 口坑外观测井（兼回灌井），初期作为坑外水位观测井使用，当坑外水位明显下降（超过2m）且沉降报警时，进行回灌。如果出现围护结构地连墙渗漏且因坑外水头压力过大难以封堵时，也可开启备用井临时降低坑外水位，平衡坑内外水头差。

3.1.7 基坑降水井深度计算

疏干井的深度一般为基底以下6m~8m，根据类似工程经验取为25m。坑外观测井深度同疏干井。为防止承压水沿疏干井突涌，疏干井不可进入承压含水层。根据相关规范（GB50296—2014 管井技术规范）要求，降压井的深度应根据降水目标层的埋深、最下一段过滤器工作部分的长度和沉淀管的长度等综合确定。可按公式（9）计算。

式中：Hw—降压井深度（m）；Hw4—设计拟降低压力水头的目的含水层顶板的埋深（m），约34m；Hw5—最下部过滤器底端至拟降低压力水头的目的含水层顶板的距离，不小于8m；Hw6—沉淀管长度（m），取1.0m。

结合该工程地层和围护结构地连墙特点计算降压井深度，取为44m、46m。

3.2 降水井设计

3.2.1 降水井设计参数

根据计算，整个基坑内布置19 口疏干井，井深25m；12口降压井一，井深46m；7 口降压井二，井深44m；坑外布置12 口观测井（兼回灌井），井深25m，合计50 口井。具体详见表3。

表3 降水井设计参数表

3.2.2 降水井结构设计

疏干井及坑外观测井泥孔径为600mm；井管为管径273mm、壁厚3mm 钢管，滤管为同规格桥式滤水管，孔隙率不小于20%，外包80 目高强度尼龙滤网；滤料为中粗砂，回填至滤管顶部以上，上部回填场地黏土固井。

降压井泥孔径为600mm；井管为管径273mm、壁厚4mm钢管，滤管为同规格桥式滤水管，孔隙率不小于20%，外包80 目高强度尼龙滤网；滤料为中粗砂，回填至滤管顶部以上，其上回填5m 厚黏土球止水，再回填场地黏土固井。

4 降水运营与监测

4.1 降水运营

坑内疏干井至少在土方开挖前15d~20d 开始抽水，将水位降至基底以下1m。

减压降水做到“按需降水、随挖随降”，基坑施工第三道支撑后，开挖第四层土方前。开启降压井进行减压降水，并随开挖深度的逐步增加，逐渐增开降压井，始终保持承压水位位于安全水位标高以下。

在基坑开挖过程中，抽水开始后，承压水位未达到设计水位之前，每天观测2 次承压水位；到达设计深度且趋于稳定后，每天观测一次。

4.2 降水监测

在该车站施工过程中，对基坑及其四周地下水位变化、支护结构的水平和垂直位移、周围建构物的沉降等进行了动态监测。监测结果表明：在实际施工中，地下水位可降至基底标高以下1.0m~2.2m，墙顶最大水平位移为21.4mm，最大深层水平位移为48.6mm，最大沉降量为25.6mm，其变形量均在基坑监测预警值允许的范围内，降水工程取得圆满成功。