臨近水庫、泄洪渠與住宅區(qū)的地鐵深基坑工程專項水文勘測研究及地下水處理技術(shù)分析

張清坤，商 浩

（1.中交一公局集團有限公司，北京 100024；2.大連彤陽市政工程集團有限公司，遼寧 大連 116021）

地鐵車站施工中，常見施工方法有明挖法、蓋挖法、暗挖法3 種施工方法，其中明挖法施工應(yīng)用較為廣泛，但同時受基坑周邊環(huán)境、設(shè)計方案、地下水等因素影響，存在較大施工安全風險。尤其針對地下水環(huán)境變換較大地區(qū)，如臨近水庫、河流、湖泊等，水文勘察時機選擇尤為關(guān)鍵，是設(shè)計方案選擇的重要依據(jù)。地下水處理方案選擇對防止基坑突涌管涌、周邊建筑物構(gòu)筑物沉降、基坑坍塌等安全事故發(fā)生至關(guān)重要。

1 依托工程概況

1.1 車站基本概況

前牧站為大連地鐵4 號線第三座車站，位于甘井子區(qū)牧川路與規(guī)劃路交叉路口西北側(cè)地塊內(nèi)，沿東西向布置。車站為地上一層、地下一層島式車站，站廳層位于地上一層。地上建筑長191.3 m，寬26.1 m，開挖深度11.7 m，采用明挖施工，施工現(xiàn)場北側(cè)為新建住宅小區(qū)，南側(cè)為現(xiàn)有道路。前牧站與水庫、泄洪渠的位置關(guān)系如圖1 所示，前牧站放坡開挖坡頂線與新建住宅小區(qū)位置關(guān)系如圖2 所示。

圖1 車站與水庫、泄洪渠的位置關(guān)系

圖2 車站與住宅小區(qū)的位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)水文情況

車站基坑穿越地層主要為填土、第四系上更新統(tǒng)坡洪積層角礫、碎石，下覆震旦系長嶺子組石灰?guī)r。

勘察場地地下水類型分為第四系松散層的孔隙水、巖溶水?？紫稘撍饕x存在雜填土、角礫、碎石層中，該土層滲透性強，貫通性較好，水量中等～豐富。巖溶水主要賦存于強～中風化石灰?guī)r層溶蝕裂隙及溶洞中，巖溶水受溶蝕裂隙及溶洞發(fā)育程度影響較大，巖溶水水量變化較大。巖體溶蝕不發(fā)育區(qū)域，儲水量及地下水連通性弱，水量較小～中等。巖體溶隙及溶洞發(fā)育區(qū)域，連通性較強，儲水性較強，為導水通道，水量中等～豐富。

按地下水埋藏條件分類，場地地下水類型為潛水?？碧狡陂g穩(wěn)定地下水位埋深2.4～8.3 m，水位高程14.2～18.8 m。本車站場地地勢較為低洼，四周為低丘陵地貌，南高北低。雨季存在地下水位升高、涌水等危險。本場地距離牧城驛水庫泄洪道僅百米左右，牧城驛水庫泄洪時基坑周邊水文環(huán)境會發(fā)生較大變化，水量劇增，會對基坑的止水和抗浮有較大的影響。

1.3 基坑支護形式

車站基坑采用兩級放坡+噴錨支護，一級放坡坡率為1∶1，土釘采用Φ25，L=6.0 m，@2.0×1.5 m；二級放坡坡率為1∶0.5，土釘采用Φ20，第四道土釘長度L=6.0 m，@2.0×2.5 m；坑底兩道土釘長度L=5.0 m，@2.0×1.5 m。坡頂采用3%的硬化散水坡進行排水。車站基坑開挖橫斷面設(shè)計如圖3 所示。

圖3 車站基坑開挖橫斷面設(shè)計

1.4 研究背景

2017 年6 月詳勘時受周邊臨近住宅小區(qū)基坑開挖施工降水影響，破壞了車站基坑開挖范圍內(nèi)的地下水平衡，此時地下水穩(wěn)定水位埋深為4.2～8.3 m，平均水位6.4 m。

2022 年4 月補勘時，周邊基坑施工完成，地下水補給恢復到初始狀態(tài)。補勘鉆孔勘探期間穩(wěn)定地下水位埋深2.4～4.8 m，平均水位4.2 m。補勘后對比2017年6 月詳勘地下水位變化較大。

2 專項水文勘測研究

2.1 抽水試驗及涌水計算

地下水處理方案的比選，首先要確定地下水含量及周邊環(huán)境。根據(jù)地形、地貌、地質(zhì)情況及地下水分布等綜合因素考慮，對地下水進行專項勘察。傳統(tǒng)地下水勘察采用單觀測孔形式，為了更加精準地計算地下水含量，項目于2022 年7 月對實地勘察采用雙觀測孔抽水試驗。沿車站兩側(cè)分別布置2 組水文鉆孔，每組水文鉆孔包括主抽水孔和2 個觀測孔。抽水井按設(shè)計要求施工成孔、孔徑為600 mm，施工完成后，下放300 mm 鋼制排水管，外圈纏繞2 圈60 目紗布濾網(wǎng)，井周邊投放濾料，進行抽水試驗。觀測孔布置距離10～20 m，采用108 mm 成孔，下放75 mm 塑料花管，井周邊投放濾料，在抽水試驗時觀測降深。采用雙觀測孔的抽水試驗法，可以較為精確地計算地層的水文地質(zhì)參數(shù)。抽水孔施工如圖4 所示。

圖4 抽水孔施工

原始水位標高約17.82～18.52 m，2 組抽水孔最大降深為2.49、3.25 m，水位標高16.03、14.57 m，降水量與地下水補給量達到平衡狀態(tài)，此時穩(wěn)定水位距基坑底約2.3～4 m。停泵后1 min 左右，地下水迅速補充至原始水位標高，地下水補給能力強?；訉嶋H開挖后地下水量豐富并且補給能力強。若發(fā)生強降雨、河道泄洪等特殊情況，基坑可能發(fā)生大面積涌水、突水等情況。抽水試驗測得的滲透系數(shù)為綜合值，鉆探揭露含水層富水性及滲透性極不均勻，隨著地層深度的加深滲透性整體呈增大趨勢，土巖交界處附近水量豐富，施工及設(shè)計單位應(yīng)注意。

試驗計算第四系孔隙水出水量及碎石層滲透系數(shù)，抽水試驗基本原理是通過現(xiàn)場測試水位降深S隨時間T 的變化以及穩(wěn)定流量Q，計算得出水井含水層的滲透系數(shù)K。具體工作方法是在提前準備好的水井中，選用合適泵量的水泵進行抽水，在抽水的瞬間開始計時，并且分別記錄0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、80、100、120、180、240 min 時的水位，以后每隔1 h 測一次，至少測量穩(wěn)定降深水位8 h。當水位下降到一定深度后穩(wěn)定或在一定范圍內(nèi)波動時，通過水箱量取此時的出水量。當水位維持在某一深度超過4 h，并且出水量無變化，可視此次抽水試驗成功。停止抽水瞬間重新計時，對水位恢復進行記錄。對于同一個抽水試驗井，至少要采用3 個不同泵量的水泵進行抽水，即3 次不同降深。

依據(jù)《供水水文地質(zhì)手冊》（第二冊）潛水完整井滲透系數(shù)計算公式

式中：K 為含水層的滲透系數(shù)，m/d；Q 為試驗涌水量，m3/d；H 為含水層厚度，m；r1、r2 為分別為觀測孔與抽水孔間距，m；s1、s2 分別為觀測孔水位降深，m；R 為抽水影響半徑，m。

車站開挖段地下水類型為第四系松散層的孔隙水。根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)計算得到的平均滲透系數(shù)，并按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》附錄E 估算基坑涌水量，車站坑道長度為192.3 m，寬度為26.7 m，降水至基坑底板以下0.5 m，涌水量計算公式

式中：Q 為基坑降水總涌水量，m3/d；k 為滲透系數(shù)，m/d，取各巖土層滲透系數(shù)的厚度加權(quán)平均值；H 為潛水含水層厚度，m；Sd為基坑地下水位的設(shè)計降深，m；R 為降水影響半徑，m，可按計算；r0為基坑等效半徑，m，可按計算，A 為基坑面積，m2。

基坑涌水量估算成果見表1。

表1 基坑涌水量估算成果表

2.2 歷史數(shù)據(jù)對比

通過專項水文勘測研究，證實了補勘的水文情況變化，水位埋深較詳勘階段升高2.2 m，基坑涌水量為原階段的2 倍有余。具體見表2。

表2 水文勘測對比

3 地下水處理技術(shù)

3.1 擬采取的方案選擇

3.1.1 方案1：降水方案

車站基坑施工期間采用坑外管井降水，降水井直徑600 mm（井管400 mm），井深為基底以下7 m，沿車站基坑呈四周布置、車站橫向中心線布置一排，井距6 m，降水深度為不小于基坑底1.0 m?；咏邓樗芄軓紻N200。

3.1.2 方案2：帷幕止水方案

車站基坑四周設(shè)置雙排咬合式旋噴止水帷幕Φ800@600 mm。樁長度為入強風化巖2 m，樁徑800 mm，咬合200 mm，沿基坑四周布置。

3.2 對比分析研究

3.2.1 方案安全性分析

通過專項水文勘察預計基坑涌水量5 603.7 m3/d，本車站計劃工期15 個月，總計抽水量約165.5 萬m3，周邊地下水位平均降深9.5 m。地下水長時間抽排，將對周邊建筑物構(gòu)筑物造成較大影響。并且基坑外降水無法保證將施工區(qū)域內(nèi)的地下水降低至基坑底標高以下，涌水、滑坡、坍塌等施工風險較大。同時周邊牧城驛水庫不定時泄洪、強降雨等不確定因素對地下水位影響較大。采用止水帷幕方法施工，對原始地下水無較大影響，可確保周邊建筑物構(gòu)筑物影響，基坑安全性可得到更大保證。

3.2.2 經(jīng)濟性分析

降水方案造價依據(jù)相關(guān)定額計算費用約780 萬元。止水方案造價依據(jù)相關(guān)定額計算費用約954 萬元。從經(jīng)濟性角度分析，造價費用相差較小。

4 結(jié)束語

本項目綜合考慮基坑臨近新建住宅小區(qū)的安全性，以安全性作為優(yōu)先保證，采取雙排咬合式旋噴止水帷幕。

針對類似項目，提出如下建議：

1）臨近水庫、泄洪渠或者河流等具備外部水資源補給的深基坑工程，在實施之前要制定專項補勘及水文勘測研究方案，不可直接運用歷史詳勘數(shù)據(jù)指導現(xiàn)場施做。

2）臨近住宅小區(qū)建設(shè)過程中，深基坑開挖會影響地鐵項目水文，要進行充分研判。

3）在富水地層中開挖，且臨近建筑物的深基坑工程，具備咬合式止水帷幕施工條件的項目，可從基坑開挖對臨近建筑物安全考慮，采用止水帷幕方案。