蘇州地區(qū)深基坑承壓水降水風(fēng)險分析與控制
——以蘇州地鐵5號線竹園路站為例

毛則飛，李曉利

(1．安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000；2．安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局三一二地質(zhì)隊，蚌埠 233000)

蘇州地區(qū)深基坑承壓水降水風(fēng)險分析與控制
——以蘇州地鐵5號線竹園路站為例

毛則飛1，李曉利2

(1．安徽省地勘局第一水文工程地質(zhì)勘查院，蚌埠 233000；2．安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局三一二地質(zhì)隊，蚌埠 233000)

隨著蘇州地鐵網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，地鐵車站開始往26～30 m以下的超深基坑進行發(fā)展。隨著未來地鐵6號線的開建，超深基坑將成為蘇州地鐵建設(shè)的主要施工方向。隨著基坑深度的增加，承壓水對基坑的安全影響越來越大，為了保證基坑安全，避免承壓水常見危害流砂、管涌、突涌的發(fā)生，對于超深基坑承壓水應(yīng)將水位降至開挖面以下。在采用數(shù)值模擬進行降水設(shè)計的基礎(chǔ)上，采取相應(yīng)的技術(shù)措施來控制和減少承壓水降水對基坑安全造成的風(fēng)險。

深基坑降水；承壓水；基坑安全

1 工程概況

蘇州地鐵5號線竹園路站位于竹園路與濱河路交匯處，車站北側(cè)為創(chuàng)業(yè)大廈，南側(cè)為香緹國際城市綜合體，東北側(cè)為紫興紙業(yè)廠區(qū)，東南側(cè)為賽格電子市場，場地周邊環(huán)境較為復(fù)雜。車站周邊環(huán)境平面示意圖見圖1。

竹園路車站設(shè)計為3、5號線地下?lián)Q乘車站，先期施工5號線部分。5號線車站為為地下3層車站，車站標(biāo)準段開挖深度約24.6 m，端頭井開挖約26.4 m，基坑深度較深。車站圍護結(jié)構(gòu)采用1 m厚地下連續(xù)墻，深度為50 m，進入了⑦3層粉質(zhì)粘土夾粉土層。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)情況

場地范圍內(nèi)自上而下主要土層為：①1雜填土層、①3素填土層、③1粘土、③2粉質(zhì)粘土、④2粉砂夾粉土、⑤1粉質(zhì)粘土、⑦2粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦3粉質(zhì)粘土、⑦4粉土夾粉質(zhì)粘土。車站地質(zhì)剖面圖見圖2。

圖1 車站周邊環(huán)境平面示意圖

圖2 車站地質(zhì)剖面圖

2.2 水文地質(zhì)條件

本文主要討論承壓水對基坑安全的影響。根據(jù)本次勘察揭露地層情況，本車站承壓水含水層主要為⑦2粉土夾粉質(zhì)粘土及⑦4粉土夾粉質(zhì)粘土中，因⑦3粉質(zhì)粘土夾薄層粉土，具備儲水條件，故⑦2和⑦4兩含水層能夠相互連通，形成深厚含水層。賦水性中等，其補給來源為其上部松散層滲入補給、微承壓水層與之聯(lián)通補給、越流補給及地下逕流補給，其排泄方式主要是人工開采，其次是對下部含水層的越流補給及側(cè)向逕流排泄。穩(wěn)定水頭標(biāo)高為-3.11 m。

3 承壓水降水設(shè)計

3.1 抗突涌穩(wěn)定性驗算

基坑底板抗涌穩(wěn)定性條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力(圖3)。

Σh·γs≥Fs·γw·H

式中,H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離，m；γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土的重度，kN/m3；h為基坑底至承壓含水層頂板間距離；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；Fs為安全系數(shù)，一般為1.0～1.2，本工程取1.1。

對于⑦2粉土夾粉質(zhì)粘土及⑦4粉土夾粉質(zhì)粘土組成的⑦層承壓水，由于基坑開挖較深，因此需要對其進行抗突涌穩(wěn)定性驗算。計算結(jié)果見表1。

圖3 基坑底板抗突涌驗算示意圖

結(jié)論：根據(jù)安全水位計算表格可以得出該層承壓水在基坑各位置均需進行減壓降水。

3.2 降水模型計算

經(jīng)基坑底板的抗突涌穩(wěn)定性分析，⑦層承壓水需要進行減壓降水，由于基坑圍護結(jié)構(gòu)未完全隔斷含水層，為半插入式地下連續(xù)墻，對地下水的滲流具有繞流阻水作用，因此采用三維數(shù)值模擬方法對基坑涌水量進行預(yù)測。

(1) 條件概化

為了便于滲流軟件計算，對基坑及水文地質(zhì)條件進行概化：為了克服邊界的不確定性給計算結(jié)果帶來隨意性，取基坑各邊均向外延伸500 m的范圍作為本次模擬計算區(qū)域，四周均按定水頭邊界處理。根據(jù)土層性質(zhì)，垂直方向上將地層概化為兩層，再在地連墻墻趾處進行剖分。第一層：由①1層雜填土、③1層黏土層、③2層粉質(zhì)黏土層、③3黏質(zhì)粉土層、④2b粉砂層、⑤1粉質(zhì)黏土層、⑤1a黏質(zhì)粉土層組成的隔水頂板；第二層：由⑦2粉土夾粉質(zhì)黏土層、⑦4粉土夾粉質(zhì)黏土層組成的含水層。模型網(wǎng)格剖分圖見圖4。

圖4 模型網(wǎng)格剖分圖

(2) 地下水滲流控制方程

(x,y,z)∈Ω

(x,y,z)∈Γ2

(x,y,z)∈Ω

H(x,y,z,t)|Γ1=H(x,y,z,t)

(x,y,z)∈Γ1

式中，Kxx，Kyy，Kzz為沿著x，y，z坐標(biāo)軸方向的滲透系數(shù)(cm/s)；W為源匯項(含井)(m3/d)；h為點(x，y，z)在t時刻的水頭值(m)；Sy為給水度；Ω為立體時間域；B為潛水含水層層厚；Γ2為第二類邊界條件；Γ1為第一類邊界條件；h0(x,y,z)為點(x，y，z)處的初始水位(m)；nx,ny,nz為邊界Γ2的外法線沿x，y，z軸方向單位矢量；q為Γ2的上單位面積的側(cè)向補給量(m3/d)。

(3) 計算結(jié)果

考慮到地層的各向異性，模型中滲透系數(shù)取值為KH=1.5 m/d，KV=0.5 m/d，初始水位取-3.11 m。計算結(jié)果表明，當(dāng)基坑內(nèi)水位降至設(shè)計要求時(端頭井水位降至標(biāo)高-23.4 m，設(shè)計水位標(biāo)高-22.79 m；標(biāo)準段水位降至-20.6 m，設(shè)計水位標(biāo)高-20.32 m，如圖5所示)，基坑總涌水量為1 254 m3/d，如圖5所示。

(4) 降水井?dāng)?shù)量

降水井單井出水能力：

式中，l為有效過濾器長度，m；r為井半徑，0.136 5 m；K為滲透系數(shù)，1.5 m/d。

計算所得單井出水量是最大單井出水量，在群井抽水干擾情況下，單井涌水量要遠小于理論出水能力，而且地下連續(xù)墻對地下水的滲流具有阻礙作用。因此，借鑒于類似工程經(jīng)驗及帶入地層參數(shù)后的模型計算預(yù)測，單井出水量取120 m3/d。

圖5 基坑水位標(biāo)高等值線圖(初始水位標(biāo)高-3.11 m)

根據(jù)計算，竹園路站5號線基坑共布置坑內(nèi)降壓井12口，坑內(nèi)觀測井2口。

4 承壓水風(fēng)險控制

2016年6月，在降水工程正式開始施工前，項目部邀請了包括上海同繼水資源技術(shù)有限公司總經(jīng)理張國強、安徽水文地質(zhì)工程地質(zhì)公司副總工程師邱雨在內(nèi)的數(shù)名專家對承壓水安全進行了專家會診。通過會議研究，專家們提出了以下技術(shù)措施對基坑承壓水降水過程進行分析和控制：

(1) 由于基坑開挖深度較深，為保證斷電等突發(fā)情況地下水位不會快速突破臨界點，開挖到底時應(yīng)將地下水位降低至底板下3 m。

(2) 增加坑內(nèi)降壓備用井?dāng)?shù)量，增設(shè)坑外承壓觀測井，坑內(nèi)降水時及時對坑外水位進行觀測。

(3) 正式降水前進行單井和群井抽水試驗，驗證降水效果。

(4) 安裝水泵故障報警系統(tǒng)和備用電源自動切換系統(tǒng)。

(5) 在開挖前計算土方開挖與減壓降水運行工況。

4.1 降水井布置數(shù)量

項目部根據(jù)會議意見，決定在5號線坑內(nèi)布置降壓井15口，坑內(nèi)觀測井2口，坑外觀測井2口。詳見降水井平面布置圖(圖6)和降壓井井管結(jié)構(gòu)圖(圖7)。

圖6 降水井平面布置圖

圖7 降水井井管結(jié)構(gòu)圖

4.2 單井與群井抽水試驗

在降水井開始施工和全部施工完成后，項目部分別組織了單井和群井抽水試驗。

根據(jù)單井抽水試驗，我們得出以下結(jié)論：

(1) 本基坑圍護結(jié)構(gòu)的繞流效果比較明顯，坑外承壓水繞過地墻墻趾對坑內(nèi)的補給路徑較長，速度較慢。在停止抽水24 h后，仍未完全恢復(fù)到承壓水初始水位。

(2) 基坑端頭位置單井最大出水量抽水時，距離抽水井9.5 m的觀測井穩(wěn)定水位為20.8 m，已經(jīng)滿足基坑底板的抗突涌穩(wěn)定性要求。即單井抽水基本可滿足直徑20 m范圍的基坑底板抗突涌要求。

根據(jù)群井抽水試驗，我們得出以下結(jié)論：

(1) 本基坑布置的15口坑內(nèi)承壓井能滿足坑內(nèi)減壓降水要求，群井試驗觀測井最大降深被降低至開挖底板下4 m，降水井?dāng)?shù)量能夠保證基坑安全。

(2) 當(dāng)坑內(nèi)水位降到設(shè)計要求時，坑外最大水位降深為1.1 m，由于繞流的作用，坑內(nèi)降水對坑外水位的影響較小。

4.3 水泵故障報警系統(tǒng)和備用電源自動切換系統(tǒng)

為了避免抽水水泵損壞導(dǎo)致承壓水水位上升將造成的基坑安全風(fēng)險，在本工程中，我們安裝水泵故障報警系統(tǒng)。同時為了保證承壓井抽水的連續(xù)性，本工程采用備用電源自動切換系統(tǒng)，現(xiàn)場一旦停電后，備用發(fā)電機通過轉(zhuǎn)換器可以自動啟動，對抽水水泵進行供電，使抽水過程不至于因停電而中斷。

4.4 土方開挖與減壓降水運行工程圖

本工程土方采用分段開挖的方式，其中標(biāo)準段分8層進行開挖，端頭井分9層進行開挖。在開挖過程中，為了盡量減少承壓水降水對周邊環(huán)境的影響，在減壓降水時要做到“分段降壓”。降壓時按照 “分層降壓”，“按需抽水”的原則。根據(jù)實際的開挖位置，實時控制坑內(nèi)各位置的承壓水水位。詳見開挖標(biāo)高與承壓水水頭標(biāo)高示意圖(圖8)。

圖8 開挖標(biāo)高與承壓水水位控制示意圖

5 結(jié)語

本工程從開始降水至底板施工完畢，進行了詳細的承壓水減壓降水分析、論證和控制，降水過程未發(fā)生任何管涌、流砂或突涌風(fēng)險。在降水過程中，坑內(nèi)水位始終在開挖面以下3 m，坑外觀測井最大水位降深為1.8 m，坑外水位下降較小。

通過本工程的實踐，可以得出以下體會：

(1) 承壓水對基坑安全危害大，開挖前應(yīng)確保水位能降至安全水位，并留有足夠的水位富余量。

(2) 蘇州地區(qū)承壓水的水平滲透系數(shù)較小，地墻對地下水的繞流效果較好，坑內(nèi)降水對坑外水位的影響較小。

(3) 對于深基坑，為了確保基坑承壓水安全，除了加強人工巡視外，還應(yīng)借助其他的自動化措施如水泵故障報警系統(tǒng)來降低安全風(fēng)險。

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[2] 吳林高.工程降水施工與基坑滲流理論[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 張永波，孫新忠.基坑降水工程[M].北京：地震出版社，2000.

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[5] 駱祖江,李朗.復(fù)合含水層地區(qū)深基坑降水三維滲流場數(shù)值模擬[J].工程地質(zhì)學(xué)報,2006,14(1)：72-77.

RISKANALYSISANDCONTROLOFCONFINEDWATERDEWATERINGINDEEPFOUNDATIONPITINSUZHOU——TAKETHEZHUYUANROADSTATIONONSUZHOUMETROLINE5ASANEXAMPLE

MAO Ze-fei1,LI Xiao-li2

(1.The First Institute of Hydrology and Engineering Geological Prospecing Anhui Geological Prospecting Bureau，Bengbu 233000，China； 2.312 Geological Team of Geology and Mineral Resources Exploration Bureau in Anhui Province，Bengbu 233000，China)

With the development of Suzhou subway network, subway station began to be constructed in the super deep foundation pit that 26～30 meters below the surface. As the metro line 6 is about to open, super deep foundation pit will become the main building direction of Suzhou subway construction. With the increase of the depth of the foundation pit, the impact of confined water on the safety of the foundation pit is getting bigger and bigger, in order to ensure the safety of the foundation pit and avoid the occurrence of common hazards such as quicksand, piping and sudden welling,the level of underground water in the super deep foundation pit should be dewatered below the excavation surfac. Based on the design of foundation pit dewatering which used visual modflow, the corresponding technical measures are taken to control and reduce the safety risk of the confined water dewatering in the foundation pit.

super deep foundation pit dewatering；confined water；the safety of foundation pit

1006-4362(2017)03-0067-05

2017-03-12改回日期2017-05-24

P642；P641；U459.3

A

毛則飛(1986- )，男，助理工程師，現(xiàn)從事水文地質(zhì)工程地質(zhì)工作。E-mail:389636625@qq.com