濟(jì)南某地鐵站點(diǎn)基坑降水措施分析

余德可，何 鵬，陳 偉

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院，成都 610065)

1工程概況

濟(jì)南某地鐵站為地下3層島式站臺(tái)車(chē)站，車(chē)站總長(zhǎng)306 m,主體結(jié)構(gòu)總寬19.5～23.0 m，平均寬度20.1 m,基坑主要開(kāi)挖深度24.4 m，最大基坑開(kāi)挖深度達(dá)26.31 m。圍護(hù)采用地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)，最大圍護(hù)深度達(dá)43 m。站點(diǎn)主體結(jié)構(gòu)基坑及站點(diǎn)附屬結(jié)構(gòu)基坑布置見(jiàn)圖1。

圖1 基坑示意圖(陰影部分為附屬結(jié)構(gòu))

2 站址區(qū)域主要工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

站址區(qū)域上位于南部山區(qū)碳酸鹽巖剝蝕丘陵區(qū)以北的山前洪積平原上部，地形南東高北西低，擬建場(chǎng)地位于沖積物堆積而形成的山前傾斜平原，當(dāng)前場(chǎng)地較為平整，地面絕對(duì)標(biāo)高為30.35～31.03 m，周?chē)写罅考扔薪ㄖ?/p>

2.2 地層巖性

場(chǎng)地表層為雜填土，該層分布連續(xù)，層厚0.82～2.74 m；其下為連續(xù)分布的粉質(zhì)黏土層，該站點(diǎn)基坑底部位于1粉質(zhì)黏土層中，圍護(hù)墻底位于1粉質(zhì)黏土層中。該地鐵基坑土體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1,基坑的地層巖性見(jiàn)表2。

2.3 地下水

地下水主要類(lèi)型為第四系松散孔隙潛水和承壓水。場(chǎng)地內(nèi)的地下水補(bǔ)給來(lái)源除了以大氣降水與南部裂隙巖溶水的徑流補(bǔ)給為主外，山前沖洪積層徑流和河川徑流的側(cè)滲也是其補(bǔ)給源之一 。其排泄方式以地表蒸發(fā)、人工抽取地下水為主。

表1 基坑土體物理力學(xué)參數(shù)表

表2 基坑地層巖性一覽表

3 工程重難點(diǎn)分析

基于該擬建場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)和本工程采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)可知，該工程安全順利地開(kāi)展主要依賴(lài)于基坑降水的效果，故本工程的基坑降水設(shè)計(jì)的可靠性十分重要。

3.1 內(nèi)外水頭差過(guò)大

根據(jù)勘察報(bào)告，本場(chǎng)地內(nèi)地下水類(lèi)型為第四系松散孔隙水，細(xì)砂層、卵石層、碎石層為含水層。標(biāo)準(zhǔn)段連續(xù)墻墻趾埋深40 m，位于1粉質(zhì)黏土層中，已完全隔斷第四系松散孔隙水，易引起基坑內(nèi)外水頭差過(guò)大，導(dǎo)致地下連續(xù)墻承受壓力過(guò)大，從而對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性造成嚴(yán)重影響。

3.2 地下水位高

針對(duì)粉質(zhì)黏土層埋深較深，止水結(jié)構(gòu)大部分進(jìn)入該層，進(jìn)行抗突涌驗(yàn)算。圖2為基坑抗突涌驗(yàn)算示意圖。

圖2 基坑底板抗突涌驗(yàn)算示意圖

(1)

式中：Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，計(jì)算時(shí)取1.1(Kh不應(yīng)小于1.1)；D為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m，D=Ha-Hb；γ為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度,kN/m3；hw為承壓含水層頂面的壓力水頭高度；γw為水的重度,10 kN/m3；Ha為基坑開(kāi)挖底板高程,m；Hb為含水層頂板高程,m。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，假設(shè)基坑底板處粉質(zhì)黏土為均質(zhì)土層的情況下，在6細(xì)砂層承壓水水頭下1粉質(zhì)黏土層無(wú)法滿足抗突涌要求，因此需對(duì)6細(xì)砂層采取地下水控制措施來(lái)防止基坑發(fā)生突涌。

4 降水方案分析

4.1 降水方案比選

基坑降水設(shè)計(jì)需要綜合考慮地下水位降幅、降水井布置方式、降水持續(xù)時(shí)間、排水方式以及對(duì)周?chē)h(huán)境的影響等因素[2]。本基坑采用明挖法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用地下連續(xù)墻。綜上，本工程有兩種不同的基坑降水方案可供選擇。

4.1.1 坑外降水方案

采用管井群井降水，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)外布置降水井。這類(lèi)降水方案十分適合作業(yè)面位于富水砂礫層的基坑工程，雖然對(duì)工程施工作業(yè)干擾較小但對(duì)周邊環(huán)境的影響較大。

4.1.2 坑內(nèi)降水方案

采用管井群井降水，在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)按梅花型均勻布置。這類(lèi)降水方案適用于作業(yè)面位于軟土、黏土或者富水砂層的基坑工程。缺點(diǎn)是對(duì)工程施工干擾較大，降水能力優(yōu)于坑外降水。

通過(guò)上述方案比較，根據(jù)本區(qū)段工程地質(zhì)以及水文地質(zhì)條件可知，擬建場(chǎng)地開(kāi)挖范圍內(nèi)多以透水性中等(含水量較大，滲透系數(shù)介于黏性土與砂性土之間，土體內(nèi)含水不易排出)的粉土為主，應(yīng)該選用基坑內(nèi)降水方案。需要延長(zhǎng)降水時(shí)間，采用大口徑降水井，特別是要加強(qiáng)在基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)降水井的保護(hù)。

4.2 降水設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

本文以該站點(diǎn)主體工程降水為例進(jìn)行分析計(jì)算，站點(diǎn)其余部分與主體結(jié)構(gòu)的分析計(jì)算類(lèi)似。地下水降至基坑底面以下1 m處，主站降水深度為23 m，附屬結(jié)構(gòu)降水深度為13 m。

4.2.1 單井出水量預(yù)測(cè)

本站圍護(hù)結(jié)構(gòu)理論上隔斷了含水層基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，但實(shí)際上止水結(jié)構(gòu)不可能完全封閉，坑內(nèi)外地下水存在水力聯(lián)系，同時(shí)由于上下含水層的越層補(bǔ)給，使得本工程降水分析較為復(fù)雜。單井出水能力可按式(2)進(jìn)行估算[3]：

(2)

式中：q為單井出水能力，m3/d；r為濾管半徑，取0.188 m；l為有效濾管長(zhǎng)度，取2.5 m；k為含水層滲透系數(shù)，最大滲透系數(shù)取7.04 m/d。

計(jì)算得到單井出水能力約為270.3 m3/d。由于單井出水能力估算公式有一定適應(yīng)條件，適應(yīng)條件與地墻、開(kāi)采布局、基坑形狀等因素有關(guān)。同時(shí)，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，基坑排水井間距較小，存在一定的干擾削減，單井實(shí)際出水量遠(yuǎn)小于理論計(jì)算最大值，設(shè)計(jì)取值約為200 m3/d。

4.2.2 基坑涌水量預(yù)測(cè)

在基坑涌水量計(jì)算時(shí)，對(duì)于降水過(guò)程中基坑內(nèi)明水、降雨等外來(lái)水源不在方案設(shè)計(jì)范圍內(nèi)?；佑克縌可按式(3)進(jìn)行估算[1]：

(3)

計(jì)算得:Q= 6 675.3 m3/d

4.2.3 計(jì)算降水井?dāng)?shù)量

公式如下：

考慮該基坑涌水量偏大，故按計(jì)算所得真空降水井?dāng)?shù)量的10%設(shè)置4眼備用井，其中備用井兼做觀測(cè)井。

4.2.4 計(jì)算減壓井?dāng)?shù)量

基坑涌水量Q可按式(3)進(jìn)行估算[1]：

(3)

式中：Q為基坑降水出水量，m3/d；k為滲透系數(shù)；m為含水層厚度，m=7 m；s為基坑中心水位降，按上述抗突涌驗(yàn)算取9.8 m；R為降水期間影響半徑，取R=674.7 m；r0為大井圓概化半徑,r0=0.29(a+b)=0.29×(298.644+20)=50.6 m

計(jì)算得:Q=4 474 m3/d。

且單井抽水量q取200 m3/d,則

按計(jì)算所得減壓井?dāng)?shù)量的10%設(shè)置3眼備用井，共需設(shè)置26眼減壓井。本基坑工程主體部分的降水井具體設(shè)置見(jiàn)表3。

表3 主體部分降水井

5 基坑降水質(zhì)量保證措施

5.1 基坑開(kāi)挖前預(yù)降水

為保證基坑的強(qiáng)度與穩(wěn)定性，應(yīng)在施工過(guò)程中使基底處于干燥狀態(tài)，即在基坑開(kāi)挖前將基坑內(nèi)的地下水降至基底以下1 m。做到“按需降水、隨挖隨降”，水位始終控制在開(kāi)挖面以下約1 m。

5.2 設(shè)置減壓井與真空降水井

該工程基坑開(kāi)挖施工范圍內(nèi)主要為潛水含水層和承壓含水層，為防止基坑范圍內(nèi)土體含水量過(guò)高導(dǎo)致施工無(wú)法繼續(xù)開(kāi)展而影響工程工期，或者未將地下水降至安全水位引起基坑突涌發(fā)生安全事故，故應(yīng)合理設(shè)置減壓井與真空降水井。

換乘段面積為1 004 m2，布置6眼真空降水井和4眼減壓井。西端頭井面積為2 067 m2，布置10眼真空降水井和5眼減壓井。標(biāo)準(zhǔn)段面積為3 412 m2，布置22眼真空降水井和12眼減壓井。東端頭井面積為1 535 m2，布置10眼真空降水井和5眼減壓井。

基坑及附屬結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。附屬結(jié)構(gòu)中降水井的參數(shù)見(jiàn)表4，其中附屬結(jié)構(gòu)的降水井均為內(nèi)徑377 mm、外徑600 mm的鋼管。

表4 附屬段降水井參數(shù)表

5.3 水泵的合理選用

在基坑降水的監(jiān)測(cè)過(guò)程中，真空降水井內(nèi)的水位較基坑水位低很多的情況非常常見(jiàn)。這一問(wèn)題有很大可能是抽水泵的抽水能力遠(yuǎn)大于真空降水井中地下水的滲入量，造成水井抽空而引起真空降水井中水位的下降[4]。針對(duì)這一問(wèn)題，降水過(guò)程中應(yīng)首先選取大功率水泵用于降水，當(dāng)真空降水井中地下水的入滲量與水泵抽水能力相接近時(shí)，換用功率較小的水泵進(jìn)行降水；當(dāng)真空降水井內(nèi)地下水的入滲量較水泵抽水能力大很多時(shí)再換用大功率水泵[5]。通過(guò)真空降水井中的入滲量與水泵的抽水能力相適應(yīng)的規(guī)則來(lái)循環(huán)選用大小功率的水泵用于抽水，對(duì)于提高降水的效果十分明顯。

5.4 降水施工技術(shù)要求

1) 在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，一定要注意對(duì)降水井的保護(hù)，嚴(yán)禁拆除或破壞降水井?；釉陂_(kāi)挖至基坑底部時(shí)，易出現(xiàn)因基坑內(nèi)外水頭差而造成基地土體含水率過(guò)高或呈“橡皮土”。對(duì)此，針對(duì)未封井的降水井，將濾管置于基坑底板處，用于基坑底板澆筑完成后的降水。

2) 在基坑降水過(guò)程中，抽取的地下水內(nèi)出現(xiàn)渾濁意味著抽水過(guò)程中將土層中的細(xì)顆粒帶走了。這一現(xiàn)象在降水過(guò)程中，較為常見(jiàn)，要注意規(guī)避。因?yàn)榛酉峦翆觾?nèi)細(xì)顆粒的流失不僅會(huì)造成降水井管的堵塞，而且會(huì)加劇基坑周?chē)乇淼某两?，?yán)重時(shí)可能引起附近建筑物的傾斜。所以，要根據(jù)工程場(chǎng)地土層的情況合理選用濾網(wǎng)，同時(shí)管井的成管質(zhì)量以及濾料回填的質(zhì)量也對(duì)此有影響。

3) 鉆機(jī)在施工場(chǎng)地達(dá)“三通一平”后進(jìn)場(chǎng)，當(dāng)鉆機(jī)安裝符合設(shè)計(jì)使用要求且管井與砂石均已安置在指定施工位置后方能進(jìn)行作業(yè)。在鉆機(jī)作業(yè)過(guò)程中，應(yīng)定時(shí)用水平尺對(duì)鉆機(jī)轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行量測(cè)，確保鉆機(jī)作業(yè)形成的鉆孔傾斜度不超過(guò)1%。同時(shí)，應(yīng)對(duì)鉆機(jī)使用的鉆桿進(jìn)行量測(cè)，確保未使用彎曲超過(guò)2%的鉆桿進(jìn)行作業(yè)。

4) 地下排水與地面排水相結(jié)合。使用水泵將管井中的地下水提升到管井外，通過(guò)鋼質(zhì)泵管排至排水盲溝中，最后經(jīng)排水盲溝匯流于總包單位已施工完成的排水井中。

5) 隨著基坑開(kāi)挖深度的不斷加深，井管出露長(zhǎng)度也隨之增加。為確保管井安全，基坑內(nèi)降水井管在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，沿縱向可適當(dāng)拆除井管出露長(zhǎng)度[6]。見(jiàn)圖3。

圖3 基坑內(nèi)降水井管拆除示意圖

6 結(jié)論及建議

6.1 結(jié) 論

濟(jì)南市軌道交通R2線臘山站基坑降水工程在施工過(guò)程中嚴(yán)格貫徹落實(shí)行業(yè)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)，遵循經(jīng)濟(jì)科學(xué)的原則，未發(fā)生降水不當(dāng)引起的工程安全事故，達(dá)到預(yù)期的降水效果，為該站點(diǎn)安全高質(zhì)量的竣工提供了保障，也為今后相關(guān)基坑降水施工提供了參考。

6.2 建 議

建議根據(jù)項(xiàng)目基坑工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，根據(jù)高壓擺噴止水帷幕、基坑管井降水、坑外回灌等降水設(shè)計(jì)方案，采用有限差分軟件對(duì)降水過(guò)程進(jìn)行模擬，根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果對(duì)止水帷幕深度及降水方法進(jìn)行優(yōu)化研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)來(lái)驗(yàn)證數(shù)值模擬的合理性。