天津地鐵4號(hào)線西于莊站深基坑降水分析

□文/馬 玲

1 工程概況

天津地鐵4號(hào)線西于莊車站線路平面為直線，為地下3層雙柱島式站臺(tái)，站臺(tái)寬14 m，車站全長190 m，結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段總寬度為23.1 m，基坑開挖深度29.5 m。車站共設(shè)2座風(fēng)道，4個(gè)出入口，2個(gè)預(yù)留出入口。

車站位于紅橋區(qū)西于莊地區(qū)，南側(cè)為增產(chǎn)大街，其余三側(cè)均為待拆遷的低矮樓房區(qū)，管線主要為增產(chǎn)大街范圍內(nèi)的雨水及污水管線，距離基坑邊約為5 m。

2 地質(zhì)情況

本區(qū)地層由上至下分為9層：人工堆積、全新統(tǒng)新近沉積層、全新統(tǒng)上組陸相沖積層、全新統(tǒng)中組陸相沖積層、全新統(tǒng)下組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第五組陸相沖積層、上更新統(tǒng)第二組濱海潮汐帶沉積層、上更新統(tǒng)第一組陸相沖積層。場區(qū)表層地下水類型為第四系孔隙潛水，主要儲(chǔ)存于粉土及砂類土中，以大氣降水補(bǔ)給為主，附近地表水系補(bǔ)給為輔，其排泄以大氣蒸發(fā)為主。附存于第Ⅱ陸相層及以下的砂層、粉土中的地下水具有微承壓性，為微承壓水，見圖1。

圖1 工程地質(zhì)與基坑開挖面、圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)關(guān)系

基坑采用地下連續(xù)墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，地下連續(xù)墻深度為48 m，基坑開挖深度26.6～28.5 m。地下連續(xù)墻均穿透影響基坑開挖施工的第二微承壓水層。

3 降水難點(diǎn)

1）工程地質(zhì)條件比較復(fù)雜，地層相互交替情況較多。由于原有建筑物較多，勘察孔基本上都是在坑外設(shè)置的，不能準(zhǔn)確反映出坑內(nèi)地層情況。

2）基坑開挖采用蓋挖逆做法，對(duì)地層沉降反應(yīng)明顯。因此對(duì)基坑開挖以及基坑降水操作要求較高。為減少降水對(duì)坑外環(huán)境的影響，降水運(yùn)行控制期間嚴(yán)格執(zhí)行“分層降水、按需降水、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的降水原則，盡量減少坑外水位下降導(dǎo)致的環(huán)境變化。

3）地下連續(xù)墻滲透水是本基坑最大的危險(xiǎn)源，需做好充分的應(yīng)急預(yù)案。

4 降水驗(yàn)算

4.1 基坑底板穩(wěn)定性分析與計(jì)算

基坑開挖深度較大，需考慮下部62、64、74和75層承壓水的頂托力對(duì)基坑底板造成的突涌破壞。因此，必須進(jìn)行基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)果采取有效減壓降水措施，防止高水頭的承壓水從最不利點(diǎn)處突涌。由于基坑開挖面已進(jìn)入第一微承壓水層，需對(duì)第6層進(jìn)行疏干考慮。因此需對(duì)7層進(jìn)行驗(yàn)算。

開挖過程中，基坑底面的突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算，可按式（1）進(jìn)行。

式中：hs——基坑底至承壓含水層頂板之間的距離，計(jì)算時(shí)，承壓含水層頂板埋深取最小值，m；

γs——基坑底至承壓含水層頂板之間土的層厚加權(quán)平均重度，取19 kN/m3；

hw——承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——基坑突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般為1.05～1.3，本工程取 1.2。

4.2 第二微承壓水層的基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算

整個(gè)基坑大底板區(qū)域內(nèi)，承壓水頂板最淺埋深按10-ZK-107孔資料考慮，頂板埋深取37.00 m，微承壓含水層的初始水頭埋深暫定為6.00 m，車站標(biāo)準(zhǔn)段開挖26.60 m，端頭井開挖最深度為28.50 m。

承壓含水層頂板以上的覆土壓力PZ=hs·γs=（37.00-28.5）×19=161.5（kPa）

承壓水的頂托壓力PW=γw·hw=10.0×(37.00-6.00)=310（kPa）

F=PZ/PW=161.5/310=0.52＜1.2

需要布置承壓井，降低承壓水位。如要滿足，則需降低承壓水的水頭值為17.5 m，即水位埋深在23.5 m。

4.3 降水計(jì)算與分析

根據(jù)前述基坑突涌穩(wěn)定性安全驗(yàn)算結(jié)果，必須對(duì)62粉土、64粉砂、74粉土、75粉砂含水層組采取有效減壓降水措施，才能防止產(chǎn)生基坑突涌破壞。根據(jù)擬建場地的地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及開挖深度等因素，本次設(shè)計(jì)采用了滲流數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，為減壓降水設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。

根據(jù)研究區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀，對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。根據(jù)研究區(qū)水文地質(zhì)特性、基坑圍護(hù)連續(xù)墻埋藏深度，水平方向?qū)⑵淦史譃?5行，135列，垂向?qū)⑵淦史譃?層，圖2。

圖2 研究區(qū)平面剖分

減壓降水設(shè)計(jì)計(jì)算以初始微承壓水水頭埋深5.0 m為前提條件。由于地下連續(xù)墻已將基坑下影響基坑安全的承壓含水層組基本上隔斷，因此為保證減壓降水效果及盡量減小減壓降水對(duì)環(huán)境的不利影響，采用坑內(nèi)降水。計(jì)算結(jié)果見圖3。

圖3 第二層微承壓水粉細(xì)砂⑦4⑦5層減壓水位分布等水位線

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，潛水及第一微承壓含水層作為疏干目的層，水位控制在-26.6～-28.5 m以下即可，需布置24口疏干井，井深為35 m。對(duì)于第二微承壓水層，需降低承壓水頭至-23.5 m，需布置6口減壓井，另設(shè)置2口備用觀測井，井深為43 m。因?yàn)榛又苓叡Ｗo(hù)建筑物較多，為能夠提前發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻滲透情況，適當(dāng)在建筑物附近設(shè)置部分坑外水位觀測井。

4.4 減壓降水引起的地面沉降預(yù)測

1）減壓降水引起的地面沉降計(jì)算。根據(jù)地下水滲流模型計(jì)算得出的水位降深值，采用經(jīng)典彈性地面沉降公式進(jìn)行降水引起的地面沉降預(yù)測計(jì)算。

式中：△b——地層壓縮量，m；

b0——地層初始厚度，m；

mv——體積壓縮系數(shù)，MPa-1；

s——承壓水位降深，m；

γw——地下水重度，取10.0 kN/m3；

F——沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其取值與土性及降水持續(xù)時(shí)間有關(guān)。

2）沉降預(yù)測計(jì)算結(jié)果。根據(jù)式（2）對(duì)基坑降水引起的地面沉降進(jìn)行了預(yù)測計(jì)算（不包括土體開挖引起的地面沉降），降水90d后的預(yù)測地面沉降等值線見圖4。

圖4 降水90 d后的預(yù)測地面沉降等值線

由圖4可以看出，滿足基坑底板穩(wěn)定性水位要求的前提下，若地下連續(xù)墻隔水效果很好（地下連續(xù)墻基本無滲漏），降水90 d后，由于減壓降水引起的地面最大沉降量約為10mm。

地下連續(xù)墻是否滲漏將直接影響坑外含水層水位降深的大小，從而對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響。地下連續(xù)墻的滲漏將導(dǎo)致滲漏點(diǎn)附近地面發(fā)生較大地沉降，若滲漏比較嚴(yán)重，則基坑內(nèi)可能發(fā)生涌土、流砂，坑外可能發(fā)生地面塌陷破壞。

5 降水監(jiān)測及沉降控制

1）降水運(yùn)行期間，疏干觀測井和減壓觀測井應(yīng)每天至少監(jiān)測一次，在水位異常情況下，水位觀測頻率按實(shí)際需要增加。及時(shí)統(tǒng)計(jì)降水報(bào)表，形成水位曲線，分析降水疏干運(yùn)行情況。

2）根據(jù)勘察報(bào)告、降水設(shè)計(jì)文件、降水方案和降水施工組織設(shè)計(jì)等有關(guān)監(jiān)測要求，制定監(jiān)測監(jiān)護(hù)方案，提出各項(xiàng)報(bào)警值界限。監(jiān)測記錄應(yīng)當(dāng)規(guī)范，監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確并及時(shí)計(jì)算整理。

3）臨近建筑物和地下管線的減壓井抽水時(shí)間應(yīng)盡量縮短，按需降水。

4）環(huán)境監(jiān)測資料應(yīng)及時(shí)報(bào)送降水項(xiàng)目部，以繪制相關(guān)的圖表、曲線，調(diào)控降水運(yùn)行程序，確?；娱_挖安全和環(huán)境安全。

5）在降水井群施工完成后，應(yīng)進(jìn)行試運(yùn)行，再詳細(xì)制定降壓降水的運(yùn)行方案。

6）在降水運(yùn)行過程中隨開挖深度逐步降低承壓水頭，根據(jù)試運(yùn)行得到的結(jié)果，按開挖深度確定井群的運(yùn)行。在控制承壓水頭足以滿足基坑穩(wěn)定性要求的前提下，盡量減小承壓水位降深，以減小和控制降水對(duì)環(huán)境的影響。

7）對(duì)各種管線、需要保護(hù)的建筑、已建成的隧道、地下連續(xù)墻等，必須由專業(yè)監(jiān)測單位進(jìn)行監(jiān)測。

8）基坑施工過程中，如地下連續(xù)墻發(fā)生滲漏或嚴(yán)重滲漏，應(yīng)及時(shí)采取封堵措施，以避免導(dǎo)致基坑外側(cè)淺層潛水位發(fā)生較大幅度下降以及由此加劇坑外的地面沉降。

9）當(dāng)坑外觀測井內(nèi)水位下降超過自然變化最大值時(shí)，應(yīng)加密監(jiān)測次數(shù)。當(dāng)?shù)孛娉两党^警戒值，必要時(shí)應(yīng)考慮進(jìn)行地下水回灌，回灌井另行根據(jù)沉降情況進(jìn)行布設(shè)。

6 結(jié)語

工程在降水運(yùn)行控制期間，嚴(yán)格執(zhí)行“分層降水、按需降水、動(dòng)態(tài)調(diào)整”的降水原則，降水效果良好，施工過程中基坑穩(wěn)定，周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線沒有明顯沉降或變形。

［1］段東明.復(fù)雜條件下地鐵車站深基坑降水設(shè)計(jì)及施工工藝研究［J］.鐵道建筑技術(shù)，2003，（4）：46-49.

［2］江 科.建筑深基坑降水方案研究［J］.山西建筑，2010，（15）：106-107.

［3］吳林高，李 國，方兆昌，等.基坑工程降水案例［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［4］吳林高.工程降水設(shè)計(jì)施工與基坑滲流理論［M］.北京：人民交通出版社，2003.