蘇州地鐵車站深基坑降水的設(shè)計(jì)與施工

張志強(qiáng)

(中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西太原 030024)

0 引言

如何解決深大基坑降水是基礎(chǔ)工程施工中最棘手的問題［1］。降水的設(shè)計(jì)施工以及降水所引起的其他巖土工程問題，對(duì)基坑工程和周邊環(huán)境的安全至關(guān)重要［2］，因此對(duì)深基坑降水設(shè)計(jì)與施工的研究具有很重要的意義。本文以蘇州火車站改造工程地鐵2號(hào)，4號(hào)線深基坑降水工程為背景，具體闡述了降水設(shè)計(jì)與施工。

1 工程概況

蘇州火車站綜合改造工程主要由新建滬寧城際鐵路蘇州站場(chǎng)、普速鐵路蘇州站、城市軌道交通2號(hào)，4號(hào)線工程組成。規(guī)劃火車站樞紐共5層，其中地上2層，地下3層，地上第2層為高架候車大廳，地面層為城際和普速鐵路站房，地下1層為出站層兼軌道2號(hào)線站廳層，地下第2層為軌道2號(hào)線站臺(tái)層和軌道4號(hào)線站廳層，地下第3層為軌道4號(hào)線站臺(tái)層和設(shè)備、管理用房，整體呈“工”字形布置。地鐵2號(hào)線車站及風(fēng)亭、4號(hào)線車站-1層及4號(hào)出入口采用明挖順作法，4號(hào)線-2層，-3層采用逆作法施工。-1層～-3層的開挖深度分別為9.6 m，17 m，23.4 m;2號(hào)，4號(hào)線最大開挖寬度分別為40 m，26 m。

2 場(chǎng)地土層與水文條件

2.1 場(chǎng)地土層條件

蘇州火車站綜合改造工程位于太湖沖積湖及瀉湖沉積平原，根據(jù)勘測(cè)報(bào)告可知，施工場(chǎng)地60 m土層范圍內(nèi)主要土層物理性質(zhì)如下:

①填土層:層厚0.70 m～2.5 m，壓縮性高，土質(zhì)不均;②粘土層:層厚0.90 m～4.50m，壓縮性中等;③粉質(zhì)粘土層:層厚5.0 m～15.5 m，壓縮性中等;④粉土層:層厚 1.30 m ～6.50 m，壓縮性中等;⑤粉質(zhì)粘土:暗綠色，硬塑，層厚0 m～6.0 m，壓縮性中等;⑥粉質(zhì)粘土:灰綠色，軟塑，厚0 m～7 m，壓縮性中等;⑦粉土夾粉質(zhì)粘土:灰黃 ～灰色，中密，濕，層厚3.90 m ～10.50 m，壓縮性中等偏低;⑧粉砂、粉土夾薄層粉質(zhì)粘土:灰色，中密，飽和，層厚0 m～13 m，壓縮性低。

2.2 水文條件

由地質(zhì)勘測(cè)報(bào)告知:本工程場(chǎng)地，地下水分為孔隙潛水、微承壓水及承壓水。

1)潛水。

潛水主要賦存于①填土層中，在勘察區(qū)分布均勻，透水性不均勻。主要接受大氣降水、沿線污水入滲補(bǔ)給?？辈炱陂g，潛水埋深為0.00 m ～1.36 m，相應(yīng)標(biāo)高0.48 m ～0.85 m。

2)微承壓水。

微承壓水主要賦存于④粉土層中，由于④層水平向差異性較大，其透水性及賦水性中等。該含水層補(bǔ)給來源主要為潛水和地表水，埋深為6.80 m ～12.20 m，厚度為 1.30 m ～6.50 m，對(duì)車站施工影響較大。根據(jù)抽水試驗(yàn)報(bào)告，④層滲透系數(shù)K=1.75E-3 cm/s，影響半徑為45 m，為透水土層。

3)承壓水。

承壓水主要賦存于⑦粉土夾粉質(zhì)粘土層中，該土層水平向差異性較大，該含水層的補(bǔ)給來源主要為承壓水越流補(bǔ)給及地下徑流補(bǔ)給。該含水層埋深為29.00 m～34.90 m，厚度為3.90 m～10.50 m，對(duì)車站施工影響較大。根據(jù)抽水試驗(yàn)報(bào)告，⑦層滲透系數(shù)K=7.59E-4 cm/s，影響半徑為45 m，為弱透水土層。

3 基坑降水、降壓設(shè)計(jì)

火車站地下①層基坑開挖深度9.6 m，開挖面積31 850 m2，坑底位于第④層粉土上。根據(jù)勘察報(bào)告，②層，③層滲透系數(shù)較小，均為不透水層，影響到地下①層基坑開挖的地下水為潛水，主要賦存于填土層。故地下①層基坑降水可采用如下方法:在開挖表層填土之前，采用集水明排方式疏干表層填土中的潛水。第①層填土開挖完畢，采取同樣的方法依次挖土至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

為了便于說明本工程基坑降水設(shè)計(jì)與施工，取2號(hào)，4號(hào)線地鐵車站基坑標(biāo)準(zhǔn)段、風(fēng)亭及4號(hào)線出入口基坑等部位降水為例，進(jìn)行具體闡述。

3.1 降水(疏干)井設(shè)計(jì)

1)2號(hào)，4號(hào)線基坑標(biāo)準(zhǔn)段降水井設(shè)計(jì)。

2號(hào)線基坑開挖深度17 m(標(biāo)高-14.960 m)，4號(hào)線基坑開挖深度23.4 m(標(biāo)高-22.16 m)。2號(hào)，4號(hào)線連續(xù)墻入土深度分別為49 m，43 m，連續(xù)墻墻底均進(jìn)入⑧層土中，完全隔斷了④層微承壓水與外部的水力聯(lián)系，故可按潛水考慮用降水井進(jìn)行疏干。

根據(jù)以往地鐵基坑降水施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本基坑特點(diǎn)，每口降水井有效降水面積可取200 m2。2號(hào)，4號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段基坑面積分別為2 812 m2，3 010 m2，故2號(hào)，4號(hào)線基坑可分別設(shè)14口、15口降水井，設(shè)計(jì)井深分別為23 m，28 m。

由于地鐵基坑呈狹長(zhǎng)形，降水井采用梅花形均勻布置，井點(diǎn)至圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離控制在5m左右，井與井之間距離控制在10m左右，降水深度控制在基坑底以下1.0 m，每個(gè)深井井點(diǎn)配深井泵1臺(tái)，3個(gè)井點(diǎn)配真空泵1臺(tái)。

2)風(fēng)亭及4號(hào)線出入口基坑降水井設(shè)計(jì)。

風(fēng)亭基坑、4號(hào)線2個(gè)出入口基坑分別開挖至-15.02 m～15.05 m，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)均完全隔斷④層微承壓水與外部的水力聯(lián)系，故可按潛水考慮用降水井進(jìn)行疏干，同樣降水深度控制在基坑底以下1.0 m。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，每口降水井有效降水面積為200 m2，由于兩個(gè)風(fēng)亭面積各為90 m2，故每個(gè)風(fēng)亭設(shè)置一口降水井即可，設(shè)計(jì)井深20 m;4號(hào)線2個(gè)出入口面積均為1 215 m2，故4號(hào)線每個(gè)出入口均需設(shè)置6口降水井即可滿足要求，設(shè)計(jì)井深20 m。

3.2 降壓井設(shè)計(jì)

3.2.1 基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算

1)2號(hào)，4號(hào)線標(biāo)準(zhǔn)段基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算。

由于連續(xù)墻進(jìn)入⑧層土，此層土為第⑦層承壓水含水層的隔水底板，故連續(xù)墻基本完全隔斷墻內(nèi)承壓水層與外界的水力聯(lián)系，可考慮不設(shè)置降壓井。

2)風(fēng)亭及4號(hào)線出入口基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算。

風(fēng)亭及4號(hào)線出入口基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)均未穿過第⑦層承壓含水層，承壓水層與外界有水力聯(lián)系，對(duì)于基坑開挖面穩(wěn)定性有極大影響，故需驗(yàn)算基坑底板穩(wěn)定性?；拥装宓姆€(wěn)定條件:基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力即:

其中，H為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m;γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土的平均重度，kN/m3;h為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;γw為水的重度，取10 kN/m3;Fs為安全系數(shù)，一般為1.0 ～1.2，本工程取1.2。

a.風(fēng)亭驗(yàn)算。

取風(fēng)亭處鉆孔Jz-IV07-D4資料進(jìn)行驗(yàn)算。鉆孔揭示第⑦層承壓含水層頂板標(biāo)高-31.51 m，承壓水頭標(biāo)高-1.32 m，故h=30.19 m。γs=19.6 kN/m3，H=16.5 m。按式(1)，計(jì)算得基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力H·γs=323.3 kN/m2，承壓水的頂托力 Fs·γw·h=362.28 kN/m2，需要降低⑦層承壓水水壓，故降深為:(362.28-323.3)/10=3.9 m。同時(shí)由計(jì)算可知，當(dāng)基坑開挖至標(biāo)高-13.03 m時(shí)就需要采取降壓措施，否則將產(chǎn)生突涌。

b.4號(hào)線出入口驗(yàn)算。

取出入口處鉆孔Jz-IV07-I4資料進(jìn)行驗(yàn)算。鉆孔揭示第⑦層承壓含水層頂板標(biāo)高-28.93 m，承壓水頭標(biāo)高-1.32 m，故h=27.61 m。γs=19.6 kN/m3，H=13.88 m。按式(1)，計(jì)算得基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力H·γs=271.98 kN/m2，承壓水的頂托力Fs·γw·h=331.32 kN/m2，需要降低⑦層承壓水水壓，故4號(hào)線出入口基坑需要的降深為:(331.32-271.98)/10=6 m。同時(shí)由計(jì)算可知，當(dāng)基坑開挖至標(biāo)高-12.04 m時(shí)就需要采取降壓措施，否則將產(chǎn)生突涌。

3.2.2 降壓井井?dāng)?shù)計(jì)算

1)風(fēng)亭降壓井井?dāng)?shù)計(jì)算。

由于風(fēng)亭基坑面積較小，同時(shí)周邊無重要建筑物，故在兩風(fēng)亭坑外設(shè)置一口降壓井即可滿足降壓要求，設(shè)計(jì)井深41.5 m，濾管長(zhǎng)度為8 m。

2)4號(hào)線出入口降壓井?dāng)?shù)量計(jì)算。

首先，估算涌水量即:

其中，K?、邔蛹耙陨贤翆訚B透系數(shù)加權(quán)平均值，K=0.637m/d;M為含水層厚度，取10.5m;S近似按6m考慮;R=10S=50.28m，r0=24.27 m，R′=R+r0=74.6 m;將各參數(shù)代入式(2)，得一個(gè)出入口涌水量Q=225 m3/d。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，在無隔水帷幕條件下，單井極限出水量q=63 m3/d。

3)計(jì)算井點(diǎn)數(shù)，將Q與q代入式n=1.1×Q/q可得n=1.1×225/63≈3.9，故n取4。由此可得，2個(gè)出入口需共設(shè)8口降壓井，降水井設(shè)計(jì)深度39 m，濾管長(zhǎng)度8 m。

4 基坑降水施工

基坑降水施工主要包括降水井成孔、降水運(yùn)行、降水井封孔施工等內(nèi)容。

4.1 降水井成孔施工工藝

成孔施工機(jī)械選用GPS-10型工程鉆機(jī)及其配套設(shè)備。采用正循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)泥漿護(hù)壁的成孔工藝，其主要工藝流程如下:

1)測(cè)放井位、埋設(shè)護(hù)口管:根據(jù)降水井點(diǎn)平面布置圖測(cè)放井位;護(hù)口管底口插入原狀土層中，管外用粘性土和草辮子封嚴(yán)，防止施工時(shí)管外返漿，護(hù)口管高出地面0.20 m左右;

2)安裝鉆機(jī):機(jī)臺(tái)安裝穩(wěn)固水平，大鉤對(duì)準(zhǔn)孔中心，大鉤、轉(zhuǎn)盤與孔的中心三點(diǎn)成一線;

3)鉆孔下井管:疏干井開孔，孔徑為500 mm，降壓井開孔，孔徑為600 mm。鉆進(jìn)開孔時(shí)吊緊大鉤鋼絲繩，輕壓慢轉(zhuǎn)，以保證開孔鉆進(jìn)的垂直度，成孔采用自然造漿，泥漿密度控制在1.10～1.15，孔內(nèi)必須注滿泥漿，以防孔壁坍塌;下管時(shí)在濾水管上下兩端各設(shè)一套直徑小于孔徑5 cm的扶正器(找正器)，以保證濾水管能居中;

4)填濾料(中粗砂):填濾料前在井管內(nèi)下鉆桿至孔底0.40 m位置，井管上口加悶頭密封，從鉆桿內(nèi)泵送泥漿，邊沖孔邊逐步稀釋泥漿，使孔內(nèi)的泥漿密度逐步稀釋到1.05，然后開小泵量按前述井的構(gòu)造設(shè)計(jì)要求填入濾料，并隨填隨測(cè)填濾料的高度，直至濾料下入預(yù)定位置為止;

5)井口填粘性土封閉:為防止泥漿及地表污水從管外流入井內(nèi)，在地表以下回填2.00 m厚粘性土封孔;

6)洗井:當(dāng)降水井出水后用活塞洗井，活塞必須從濾水管下部向上拉，將水拉出孔口。當(dāng)活塞拉出的水基本不含泥砂后，再用空壓機(jī)抽水洗井，吹出管底沉淤，直到水清不含泥砂為止;

7)安泵試抽:成井施工結(jié)束后，在疏干井內(nèi)及時(shí)下入潛水泵，并與真空管、排設(shè)排水管道、地面真空泵安裝、電纜等連接;抽水與排水系統(tǒng)安裝完畢，開始試抽水。先采用真空泵與潛水泵交替抽水，真空抽水時(shí)真空度不宜小于-0.06 MPa，以確保真空抽水效果;

8)排水:洗井及降水運(yùn)行時(shí)應(yīng)用管道將水排至場(chǎng)地四周的明渠內(nèi)，通過排水渠將水排入場(chǎng)外市政管道中。

4.2 降水運(yùn)行技術(shù)要求

1)降水運(yùn)行。

降水運(yùn)行時(shí)開動(dòng)抽水井個(gè)數(shù)和抽水量大小根據(jù)基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進(jìn)行控制。降壓降水運(yùn)行過程中每天將抽水量和承壓水位的動(dòng)態(tài)情況詳細(xì)記錄并報(bào)告監(jiān)理。底板施工完成后，由設(shè)計(jì)單位提供基礎(chǔ)及上部結(jié)構(gòu)的抗浮力，逐步減少承壓井的開啟數(shù)量，直至降水全部結(jié)束。

2)排水保證。

排水是否正常將直接影響降水運(yùn)行，要求在施工區(qū)域內(nèi)合理布置排水溝，排水溝斷面500 mm×500 mm以上，且有一定坡度，能夠迅速將大量地下水排入城市管道中，要求市政管道入口比排水溝低1 m以上。

3)井管保護(hù)。

降水井管直徑一般168 mm～273 mm，壁厚4 mm～6 mm，管材強(qiáng)度低，井周邊的土應(yīng)人工挖土，同時(shí)井周邊土體坡度不能太大，防止土方滑坡剪切井管造成破壞?？觾?nèi)井管根據(jù)基坑的支撐圖正確定位，盡量布置在立柱和支撐附近，并固定在支撐立柱上，增強(qiáng)井管的整體強(qiáng)度。

4)監(jiān)測(cè)措施。

因基坑開挖深度較深及降水深度較大，必須委托專業(yè)監(jiān)測(cè)單位對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，加強(qiáng)信息化施工。

5)回灌措施。

若降水施工過程中，周圍地表沉降偏大，分析原因，應(yīng)在基坑外布置回灌井，減少降水對(duì)周邊建筑物影響。

4.3 降水井封孔施工

封孔采取在井管內(nèi)先填瓜子片然后注漿再灌注混凝土的封堵方法，施工工藝如下:

1)降水運(yùn)行結(jié)束封孔前，先預(yù)攪拌2 m3左右的水泥漿，水灰比0.4 ～0.5;

2)井管內(nèi)填入瓜子片，瓜子片的回填高度應(yīng)在濾水管頂端以上2 m左右，且在管井內(nèi)下入注漿管，在井管內(nèi)設(shè)置一個(gè)壓板，壓板放置深度為瓜子片回填高度位置;

3)正式注漿前，在井管口用鋼筋固定注漿管，然后開始注漿;注漿完畢，水泥漿達(dá)到初凝后，抽出井管內(nèi)壓板以上殘留水，并及時(shí)觀測(cè)井管內(nèi)水位變化情況，當(dāng)井管內(nèi)水位無明顯升高時(shí)，說明注漿效果較好;

4)達(dá)到注漿效果后，即向井管內(nèi)灌入混凝土，灌入高度略低于地坪面50 cm，混凝土灌注后，及時(shí)觀測(cè)井管內(nèi)水位變化情況，以判斷封堵的實(shí)際效果;待井管內(nèi)混凝土初凝，并達(dá)到實(shí)際封堵效果后，即可割去外露井管;

5)井管割去后，在低于地面下50 cm左右的管口用鐵板焊封，之后用一般填土填入孔洞夯實(shí)，封井完畢。

5 結(jié)語

在基坑開挖與支護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中均未發(fā)現(xiàn)有滲水、漏水現(xiàn)象，基坑開挖面始終處于干燥狀態(tài);4號(hào)線出入口處的承壓水的水頭得到了有效地降低，很好地確保了基坑底板施工的穩(wěn)定性，為后續(xù)工程的順利施工提供了有利的條件;同時(shí)也證明了本工程采用的降水設(shè)計(jì)與施工有效可行，為類似工程的設(shè)計(jì)與施工提供了參考。

［1］張勝森.管井降水在深基坑開挖中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2010，36(10):103-104.

［2］李玉歧，謝康和.考慮滲流作用的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析［J］.科技通報(bào)，2005，21(4):440-444.