福州地區(qū)高承壓富水砂層地鐵車站深基坑工程降水技術(shù)

孫明祥

(中鐵南方投資集團有限公司，518054，深圳 ∥ 工程師)

目前,大多數(shù)深基坑工程開挖施工均建立在降水的基礎(chǔ)上，以保證基坑在干燥、安全的環(huán)境中施工[1-2]。通過降水，可降低開挖土體含水量，提高土體抗剪切強度，為深基坑開挖提供便利。但在深基坑施工中，基坑底部常受到承壓水影響，必要時需進行基坑承壓水降水設(shè)計。由于各區(qū)域的地質(zhì)及水文條件不同，承壓水降水設(shè)計理念存在差異，不同的方案在實際使用時也有一定差異。

本文以福州地鐵5號線金山路站和金華路站基坑工程為例，分析了不同工程地質(zhì)、水文條件及圍護結(jié)構(gòu)形式下的高承壓富水砂層降水方案、基坑圍護結(jié)構(gòu)水平、豎向位移及周邊環(huán)境沉降變形。根據(jù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)分析得出，在高承壓富水砂層條件下，不同圍護結(jié)構(gòu)形式的降水方案對深基坑開挖及周邊環(huán)境都能起到良好的管控效果。

1 工程概況

福州地鐵5號線起于閩侯縣，止于福州南站，其線路主要位于福州市倉山區(qū)內(nèi)。本文重點介紹5號線1標(biāo)金山區(qū)域地層條件下的降水方案設(shè)計。該段線路途經(jīng)荊溪新城站、農(nóng)林大學(xué)站、洪塘路站、金林路站、金華路站、金山站等，長度約8.7 km。

1.1 工程地質(zhì)情況

金山區(qū)域地層依次為素填土、粗中砂、淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂、粉細(xì)砂、卵石、強風(fēng)化花崗巖層(砂土狀)等，其圍護結(jié)構(gòu)通常采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐形式，墻趾通常位于強風(fēng)化花崗巖層，不同車站其圍護結(jié)構(gòu)也有所不同。本文選擇金山站及金華路站進行分析，兩站的地質(zhì)詳情分別如圖1和圖2所示。

圖1 福州地鐵5號線金山站地質(zhì)詳情圖

圖2 福州地鐵5號線金華路站地質(zhì)詳情圖

1.2 工程水文條件

根據(jù)勘察結(jié)果，在金山區(qū)域內(nèi)主要有潛水、承壓水及基巖裂隙水三類地下水。潛水埋深較淺，水位埋深為1.5～4.5 m，水位標(biāo)高為3.5～6.3 m，主要包含在粉細(xì)砂層、粗中砂層中，以淤泥質(zhì)土作為隔水層；承壓水埋深為7.8 m，水位標(biāo)高為0，承壓水頭約為29.5～42.9 m，主要包含在粉細(xì)砂、中粗砂及卵石層中，以淤泥夾砂層及粉質(zhì)黏土層作為隔水層；基巖裂隙水主要在深部花崗巖的碎塊狀強風(fēng)化及中等風(fēng)化帶中分布，受巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制及裂隙分布影響，其埋藏、分布及水動力特征非常不均勻，透水性及富水性較弱，具有弱承壓性。

1.3 明挖車站設(shè)計

1) 主體圍護結(jié)構(gòu)設(shè)計：金山站主體圍護結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，工字鋼接頭。地連墻深度依次打穿粗中砂、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、卵石層并進入砂土狀強風(fēng)化花崗巖層1.5 m。

2) 地下連續(xù)墻平均深度約為66.5 m。金華路站主體圍護結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，工字鋼接頭。地連墻深度按依次打穿雜填土、(含泥)粗中砂、淤泥質(zhì)土、(含泥)粗中砂、淤泥質(zhì)土層并進入(含泥)中砂0.8～1.9 m進行設(shè)計，地下連續(xù)墻平均深度約為37.4 m。

3) 圍護支撐體系：金山站標(biāo)準(zhǔn)段采用二道混凝土支撐(一道、三道)、三道φ800mm鋼支撐(二道、四道、五道)加一道換撐φ609 mm。金華路站標(biāo)準(zhǔn)段采用四道內(nèi)支撐，第一道支撐位鋼筋混凝土支撐，間距為9 m；第二道支撐為φ800 mm鋼支撐，第三、第四道支撐為φ609 mm鋼支撐，間距均為3 m。

2 基坑降水重點、難點對比分析

2.1 降水隔斷性質(zhì)

金山站地下連續(xù)墻深度達(dá)66.5 m，已經(jīng)直達(dá)強風(fēng)化花崗巖層。根據(jù)圍護資料查看，理論上已經(jīng)將承壓水完全隔斷，只需保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量及墻縫處施工質(zhì)量即可。但圍護止水效果存在不確定性，若出現(xiàn)滲漏，易在坑內(nèi)外巨大水頭差下，造成管涌、坑外沉降、基坑失穩(wěn)等，為保障安全性，需要對基坑內(nèi)進行減壓降水。

金華路站地下連續(xù)墻深入淤泥質(zhì)土層并部分進入(含泥)中砂層。隧道淤泥質(zhì)土層滲透性差，可作為相對隔水層，但是由于其厚度過薄，僅2.1～3.5 m厚，在高承壓水條件下，極易出現(xiàn)擊穿薄隔水層的險情；且由于地下連續(xù)墻未深入(含泥)中砂層，坑內(nèi)降水基本屬于敞開式帷幕降水。

在金華路站基坑開挖過程中，開挖面已經(jīng)揭穿上層(含泥)中粗砂承壓含水層，需考慮其同潛水一同處理；且由于下部的敞開式帷幕降水形式，其后期的降壓井降水運行過程中的風(fēng)險較大。

2.2 承壓水降水

對于金山區(qū)域內(nèi)的基坑，都是在高承壓水條件下的降水設(shè)計。兩站的不同之處在于：對于金山站，施工中投入了較大人力物力進行了大深度的地下連續(xù)墻施工，由于地下連續(xù)墻深入隔水層，因此僅需保證地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量及墻縫間施工質(zhì)量即可；對于后續(xù)的承壓水降水，主要是針對工程施工層面，是在難以完全保證地下連續(xù)墻下部施工質(zhì)量的完整性情況下而設(shè)計的降水井，同時為了減少基坑開挖時基底隆起突涌風(fēng)險。而對于金華路站，通過減少地下連續(xù)墻的深度(僅為金山站地下連續(xù)墻深度的一半)，大大減小了施工成本；但由于降水形式采用敞開式帷幕降水，因此大大提升了對降水井質(zhì)量要求及后續(xù)降水井管控要求。

3 基坑降水設(shè)計技術(shù)思路對比分析

1) 金山站的主體圍護結(jié)構(gòu)相對深且厚，達(dá)66.5 m深、1.0 m厚，且墻趾位于強風(fēng)化花崗巖層，持力層穩(wěn)定；而金華路站的主體圍護結(jié)構(gòu)相對淺且薄，僅37.4 m深、0.8 m厚，墻趾主要位于(含泥)中砂層中，底部持力層不穩(wěn)定。

2) 地下連續(xù)墻設(shè)計形式不一致直接導(dǎo)致了降水形式的差別。金山站的主體圍護結(jié)構(gòu)完全隔斷了外部水來源，進行降水時，可直接采用封閉式降水；金華路站的主體圍護結(jié)構(gòu)墻趾位于承壓水層中，且相對隔水層厚度較薄，為敞開式降水。

3) 不同深度的降水井，采用的降水思路不同，現(xiàn)場管控形式也不同。

4 基坑降水設(shè)計

4.1 疏干井設(shè)計

對于圍護結(jié)構(gòu)的明挖施工，需要及時疏干開挖范圍內(nèi)的重力水含量，保證基坑開挖過程中土體的干燥，因此均需布設(shè)若干疏干井。在淺層疏干降水時，按照有效抽水面積進行計算。由于疏干井具有普遍性與形式一致性，對于數(shù)量及形式在此就不進行對比，僅對高承壓水降壓井進行對比說明。

4.2 降壓井設(shè)計

4.2.1 降水滲流模型及依據(jù)

根據(jù)止水帷幕與含水層之間的空間關(guān)系，可將基坑降水滲流的形式分為封閉式、敞開式及懸掛式等三種降水。封閉式降水為止水帷幕深入含水層并直達(dá)隔水層，將含水層完全隔絕；敞開式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，但底板在(半)隔水層之上；懸掛式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，且底板揭穿隔水層[4]。

對于金山站，由于止水帷幕將基坑完整包圍，基本屬于封閉式降水，降水時的難度主要體現(xiàn)在基坑抗突涌穩(wěn)定性上；對于金華路站，減壓降水形式基本屬第二類敞開式降水滲流模型，其難度在于整個基坑開挖過程中對于降水井的保護及管控。

4.2.2 基坑抗突涌穩(wěn)定性驗算

基坑開挖過程中，由于承壓水上覆土層不斷減小，當(dāng)上覆土壓力小于承壓水層頂托力后，基坑底將產(chǎn)生隆起，嚴(yán)重時發(fā)生基坑突涌[5-6]。通常采用式(1)進行穩(wěn)定性驗算。

(1)

式中：

Ps——承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；

Pw——初始狀態(tài)下(未減壓降水時)承壓水的頂托力，kPa；

hi——承壓含水層頂面至基底面間各土層的厚度，m；

γsi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m3；

H——高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；

γw——水的重度，工程上一般取10 kN/m3；

Fs——安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范本工程取1.10。

對于金山站而言，基坑開挖深度約為23 m，承壓水頂面埋深約為38 m，根據(jù)式(1)計算結(jié)果，其基坑穩(wěn)定性明顯不滿足抗突涌驗算要求；若取安全系數(shù)為1.1，則車站內(nèi)減壓降水臨界開挖深度約為18 m，通過減壓降水涌水量計算的減壓井?dāng)?shù)目約為23口。金山站減壓降水臨界深度、降壓井信息分別如下表1、表2所示。

表1 福州地鐵5號線金山站降壓降水臨界深度 單位：m

表2 福州地鐵5號線金山站降壓井信息統(tǒng)計表

4.2.3 地下水滲流模型計算

通過滲流模型求解地下水在多孔介質(zhì)中的流動，采用滲流連續(xù)性方程及其定解對三維非穩(wěn)定滲流規(guī)律進行模擬計算。根據(jù)勘察報告中的地質(zhì)水文條件建立的模型，其計算結(jié)果為：在敞開式降水條件下，取1.10的安全系數(shù)，坑內(nèi)(含泥)中砂承壓含水層水位需滿足降深3.88～4.25 m的需求。

根據(jù)計算結(jié)果，設(shè)置降壓井時，其深度一方面需要考慮降壓井的水頭損失(即井損)，另一方面需考慮到抽水至觀測井之間的水力梯度漏斗可達(dá)到的安全水位。考慮到地層性質(zhì)、圍護深度特點及降壓幅度要求，金華路站降壓井主要布置于坑外，主體基坑需要布設(shè)10口降水井；按照觀測兼?zhèn)溆镁當(dāng)?shù)量不小于降水井總數(shù)的20%(且不少于1口)要求，坑內(nèi)共布設(shè)3口觀測兼?zhèn)溆镁桓黝惤祲壕傆?3口，井深均為43 m。降壓井信息如表3所示。

表3 福州地鐵5號線金華路站降壓井信息統(tǒng)計表

5 基坑降水的主要技術(shù)管控措施

5.1 主體圍護結(jié)構(gòu)處的墻縫注漿止水

金山站和金華路站地下存在高承壓含水層，在其基坑內(nèi)部施工過程中降水，對于圍護結(jié)構(gòu)的密閉性要求較高。在基坑開挖過程中，為防止主體圍護結(jié)構(gòu)的滲漏及涌水涌沙，需提高主體圍護結(jié)構(gòu)的墻縫止水效果。

在基坑開挖前，對金山站主體圍護結(jié)構(gòu)存在滲漏風(fēng)險的墻縫，采用WSS(無收縮后退式注漿)注漿進行注漿止水，注漿深度為27 m，注漿范圍自基底下10 m到地面下5 m。在金華路站，采用2根φ800 mm@600 mm三重管高壓旋噴樁對墻縫處進行止水，并在基坑開挖過程中通過探縫等強制措施防止出現(xiàn)涌水涌砂等現(xiàn)象，對于高壓旋噴樁效果不足位置進行WSS注漿補強。圖3為金華路站高壓旋噴樁平面圖。

圖3 福州地鐵5號線金華路站高壓旋噴樁平面圖

5.2 現(xiàn)場管控

1) 土方開挖：土方開挖過程中，嚴(yán)格執(zhí)行“開槽支撐、先撐后挖、分層開挖、嚴(yán)禁超挖”的要求。

2) 墻縫處探挖：通過現(xiàn)場嚴(yán)格管控土方開挖過程中墻縫處的探挖，在每層土方開挖前先對地下連續(xù)墻接縫處進行探挖，查看墻縫處土體含水率是否正常，保證墻縫處未出現(xiàn)滲漏。

3) 強化降水井管理：基坑施工過程中，對降水井進行全天候倒班制監(jiān)測管理，強化管理人員對于降水井重要性意識觀念，確保降水過程中降水井的正常使用。在現(xiàn)場設(shè)置備用庫房，保證降水設(shè)施出現(xiàn)問題后能夠及時進行更換。

4) 降水技術(shù)管控：金山站地下連續(xù)墻深入強風(fēng)化花崗巖層，已隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，理論上坑內(nèi)的抽水降壓對坑外影響可忽略不計。但實際降水過程中，仍要對管線、建筑物、地下連續(xù)墻等進行監(jiān)控量測，嚴(yán)格控制沉降速率及累計沉降量。降水過程中應(yīng)嚴(yán)格參照下列原則進行管控：按照降水范圍宜小不宜大、時間宜短不宜長、深度宜淺不宜深的原則進行降水；盡量減少開挖時長，縮短降水周期，減少對周圍環(huán)境的影響；隨挖隨降，按需降水，逐步降低承壓水頭，避免過早降壓；設(shè)置智能監(jiān)測系統(tǒng)，實時跟蹤管控；在周邊敏感建筑物附近進行場地協(xié)調(diào)，布設(shè)應(yīng)急回灌井，防止出現(xiàn)地面沉降等不良影響；基坑開挖過程中，若發(fā)生突涌，及時采取封堵措施，同時應(yīng)避免降水加劇坑外路面及周邊建筑物沉降。

6 施工效果分析

6.1 沉降變形情況

深部降壓引起的地面沉降包括瞬時沉降、固結(jié)沉降、土體流變引起的次固結(jié)沉降三部分。由于次固結(jié)沉降作用時間較長，在計算中主要考慮主固結(jié)沉降，并按照分層總和法進行計算管控。相關(guān)計算公式參閱文獻(xiàn)[7-8]。

根據(jù)測算，金山站和金華路站不同施工階段減壓降水引起的坑外地面沉降最大預(yù)估值約為5.7 mm和13.5 mm。

根據(jù)監(jiān)測項目控制值要求，各監(jiān)測項目控制值如表4所示。

表4 地鐵車站基坑施工監(jiān)測項目控制值

根據(jù)實際檢測情況來看，自2018年10月金山站基坑開挖以來，至2019年7月結(jié)構(gòu)封頂，基坑外側(cè)最大總沉降為38 mm，主體圍護結(jié)構(gòu)墻頂豎向位移為4.2 mm，地表沉降為25.5 mm；金華路站自2018年12月基坑開挖以來，至2019年8月結(jié)構(gòu)封頂，基坑外側(cè)最大總沉降為24.4 mm，主體圍護結(jié)構(gòu)墻頂豎向位移為17.1 mm，建筑物沉降為16.4 mm。

根據(jù)表4和實際檢測情況，福州地鐵5號線金山站和金華路站的基坑工程，由于設(shè)計的合理和管控到位，兩站的整體圍護結(jié)構(gòu)變形情況及降壓引起的外部周邊環(huán)境影響較小，基本符合預(yù)測。

6.2 基坑滲漏情況

在福州地鐵5號線金山站和金華路站的圍護結(jié)構(gòu)施工過程中，采取了以下措施：對工程質(zhì)量合理管控;通過三重管高壓旋噴樁及WSS注漿對主體圍護結(jié)構(gòu)墻縫進行合理止水；開挖過程中嚴(yán)格執(zhí)行墻縫探挖制度，及時架設(shè)支撐體系；設(shè)計合理的降水方案，降水井施工及管控到位。因此，在這兩座車站深基坑施工過程中，未出現(xiàn)明顯滲漏。

7 結(jié)論

1) 對于高承壓富水砂層中的車站基坑工程，通過主體圍護結(jié)構(gòu)、降水、降水井的合理設(shè)計、施工管控，以及本文所述的一系列措施，可大大減少主體圍護結(jié)構(gòu)、降水井的深度。如：金山站主體圍護結(jié)構(gòu)深達(dá)66.5 m，降水井深度約為60 m，而同樣處于高承壓富水砂層中的金華路站主體圍護結(jié)構(gòu)僅需37.4 m，降水井深度僅43 m。若在保證安全質(zhì)量的前提下，使用敞開式降水，可大大減少圍護結(jié)構(gòu)及降水井的造價成本。

2) 車站基坑施工中，對于降水井的管控至關(guān)重要，直接影響到基坑開挖的成敗。

3) 對于車站基坑降水施工而言，只要采取合理的設(shè)計及嚴(yán)格的管控措施，采用敞開式降水甚至懸掛式降水是可行的，可大幅減少地下連續(xù)墻及降水井的成本。