濟(jì)南某地鐵線路深基坑降水施工技術(shù)

李好懿，謝一鳴，張 平

(昆明理工大學(xué)國(guó)土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650032)

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展推動(dòng)著各城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的快速擴(kuò)建，地鐵線路不斷延伸，車站層數(shù)逐步增加，由此帶來(lái)的基坑深度增加也引發(fā)了一系列的工程問(wèn)題。濟(jì)南市因其泉城的地位而聲名遠(yuǎn)揚(yáng)，在城區(qū)內(nèi)分布著眾多泉水，地下水資源豐富。本項(xiàng)目區(qū)域作為城市核心功能區(qū)，不僅交通道路密集，還匯集了大量泉水涌出點(diǎn)，區(qū)域的地質(zhì)結(jié)構(gòu)變化復(fù)雜，是濟(jì)南地下軌道交通規(guī)劃的重要區(qū)域。

基坑降水勢(shì)必引起周邊地下水位的變化，從而引起地基變形[1]，甚至可能引發(fā)地面沉降。同時(shí)，在施工階段，也可能引發(fā)各類風(fēng)險(xiǎn)和問(wèn)題。此外，在地下軌道交通運(yùn)營(yíng)階段，由于地鐵隧道可能干擾或改變巖溶水的補(bǔ)給、徑流和排泄路徑，也將對(duì)地下水位產(chǎn)生不可忽視的影響[2]。

在這樣的背景下，如何有效應(yīng)對(duì)地鐵基坑降水所帶來(lái)的諸多挑戰(zhàn)成為亟待解決的重要問(wèn)題。本文將探討與基坑施工相關(guān)的關(guān)鍵工藝，包括針對(duì)復(fù)雜水文地質(zhì)條件的降水設(shè)計(jì)方案、基坑位移控制策略以及數(shù)值模擬的應(yīng)用。通過(guò)深入研究和實(shí)踐，為解決基坑施工降水所面臨的困境提供一定參考。

1 工程地質(zhì)概況

本工程劃分為2 個(gè)主要部分：地鐵車站基坑和地鐵隧道基坑。地鐵基坑區(qū)間概況：本區(qū)間起于臨沂路以東，臘山河西路以西。場(chǎng)地周邊地塊內(nèi)以施工場(chǎng)地及苗木林為主，施工場(chǎng)地多為施工板房，地勢(shì)較為平坦。采用明挖法施工，上部采用1∶0.7 土釘墻支護(hù)，下部采用地連墻+灌注樁支護(hù)，地坪整平標(biāo)高約28.000m，基底標(biāo)高約10.100～13.227m，溝槽深度約14.7～17.5m。地鐵車站：擬建文化中心站西端頭與地鐵基坑區(qū)間相連，基坑開(kāi)挖深度約17.5m，采用地連墻+支撐支護(hù)。

地鐵基坑降水深度范圍內(nèi)自上而下巖土層分布情況為：1-1 素填土、1-2 雜填土、3-1 粉質(zhì)黏土、3-4 細(xì)砂、7-1 粉質(zhì)黏土、9-1 粉質(zhì)黏土、9-5 卵石、10-1 粉質(zhì)黏土、10-3 碎石、10-5 圓礫、10-8 中粗砂、14-1 粉質(zhì)黏土。

根據(jù)勘察單位建議的降水設(shè)計(jì)參數(shù)和現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)成果，區(qū)間內(nèi)各段按照涉及地層的不同，綜合考慮選取土層滲透系數(shù)如表1 所示。

表1 土層滲透系數(shù)表

2 降水分析

2.1 重難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目的基坑開(kāi)挖深度介于15～18m 之間，坑底位于粉質(zhì)粘土層（3-1 層），這一土層含水率較高，坡頂容易發(fā)生縱向滑移，而坑底則存在突涌的風(fēng)險(xiǎn)。因此，地下水降水的效果在基坑主體結(jié)構(gòu)的順利施工中具有關(guān)鍵性作用。

2.2 基坑涌水量計(jì)算

采用JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中（E.0.2 公式）對(duì)開(kāi)挖段進(jìn)行估算，基坑降水總涌水量可按下式計(jì)算

其中，Q為基坑降水總涌水量（m3/d）；k為滲透系數(shù)（m/d）；H為潛水層厚度（m）；h為降水后基坑內(nèi)水位高度；l為過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（m）；R為降水影響半徑（m）；r0為基坑等效半徑（m）。

經(jīng)計(jì)算，各分段的涌水量如表2 所示。

表2 涌水量計(jì)算表

2.3 單井出水能力及井深計(jì)算

2.3.1 單井出水能力計(jì)算

考慮到成井質(zhì)量對(duì)實(shí)際出水量的影響、止水帷幕的擋水作用、群井抽水的影響，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，單井出水量取單井出水能力的25%～30%。

2.3.2 降水井深度計(jì)算

根據(jù)降水深度、含水層分布、降水井過(guò)濾器管材以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)等等因素綜合而定，井深按下式考慮。

其中，Hw為降水井深度（m）；Hw1為基坑開(kāi)挖深度（m）；Hw2為降水水位距離基坑底要求的深度（m）；Hw3為其值=i×r0（m）；i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/12；r0為降水井分布范圍的等效半徑或降水井排間距的為1/2；Hw4為降水期間的水位變幅（m）；Hw5為降水井過(guò)濾器工作長(zhǎng)度（m）；Hw6為沉砂管長(zhǎng)度（m）。

2.4 降水井?dāng)?shù)量計(jì)算

據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)面積法，井?dāng)?shù)量n=A/a。

其中，n為井?dāng)?shù)量（口）；A為基坑需疏干面積（m2）；a為單井有效疏干面，根據(jù)濟(jì)南地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，單井有效疏干面積按120m2考慮。

據(jù)基坑涌水量計(jì)算法，井?dāng)?shù)量n=Q/q0。

根據(jù)前文計(jì)算得到的基坑涌水量和單井出水能力計(jì)算得到基坑所需降水井?dāng)?shù)（表3）。

表3 基坑所需降水井?dāng)?shù)（單位：口）

2.5 降水布置

施工降水采用深井管井降水，井孔為鋼絲繩沖擊鉆成孔，在基坑內(nèi)部布置降水井（圖1）。地鐵段坡頂采用?850@600 三軸水泥攪拌樁止水帷幕，止水帷幕穿透粉質(zhì)粘土層進(jìn)行樁間止水，保證放坡開(kāi)挖的安全。坡頂設(shè)置1 口降水井，深15m 孔徑為1 000mm?；悠碌资褂? 口深18m孔徑為1 000mm 的降水井?；悠碌變蓚?cè)使用800mm 厚地連墻對(duì)基坑進(jìn)行支護(hù)，基坑內(nèi)部采用用井深25m 孔徑為1 500mm 的2 口降水井。其中基坑內(nèi)部抽水井井管為管徑650mm、壁厚10mm 的無(wú)縫鋼管，井管上部7 節(jié)井壁管，下部5 節(jié)濾水管和1 節(jié)沉砂管，管高出地面200mm；濾水段由?650mm 滿布濾水孔的鋼筋砼管，以及其外包的雙層60 目纏尼龍網(wǎng)透水層組成。

圖1 一期中段剖面圖

降水時(shí)應(yīng)采用分級(jí)降水，根據(jù)周邊及坑內(nèi)水位監(jiān)測(cè)情況確定降水泵下放深度。水位降深不得低于開(kāi)挖面以下0.5m，嚴(yán)禁超降。當(dāng)局部降水困難時(shí)可結(jié)合明排的方式降水。

擬建地鐵基坑明挖段總長(zhǎng)度約370m，共設(shè)置8 排降水井。兩側(cè)放坡位置邊坡坡頂各設(shè)置一排降水井，水平間距10m，井深15m，共計(jì)65眼；兩側(cè)放坡坡底各設(shè)置1 排降水井，水平間距10m，井深18m，共計(jì)60 口；兩側(cè)區(qū)間內(nèi)各設(shè)置一排降水井，水平間距15m，井深23.5～27m，共計(jì)53 口；兩區(qū)間之間設(shè)置兩排降水井，水平間距15m，井深25～27m，共計(jì)47 口。降水井排距5～12m，合計(jì)225 口。

選取以下列兩個(gè)較為特殊的平面舉例說(shuō)明。

1）一期中段平面 2 號(hào)平面為C-D 段（一期中段），共設(shè)置8 排降水井，兩側(cè)基坑坡頂、坡底分別設(shè)置1 排，水平間距均為10m，坡頂降水井深15m，坡底降水井深18m；兩側(cè)區(qū)間中心線附近分別設(shè)置1 排，兩側(cè)區(qū)間之間設(shè)置兩排，降水井水平間距均為15m，深度25m；排距約5～12m，擬建管井成孔直徑均為650mm（圖2）。

圖2 一期中段平面圖

2）二期西端平面 1 號(hào)平面為區(qū)間起點(diǎn)A 段（二期西端），共設(shè)置4 排降水井，兩側(cè)區(qū)間中心線附近分別設(shè)置1 排，兩側(cè)區(qū)間之間設(shè)置兩排，降水井水平間距均為15m，排距約5～8m，擬建管井成孔直徑650mm，深度均為25m（圖3）。

圖3 二期西端平面圖

3 施工工藝

施工流程如圖4 所示。

圖4 施工流程圖

施工前核實(shí)地下管線分布情況，為避免障礙物最大間距不得超過(guò)130%設(shè)計(jì)井間距。在基槽土方開(kāi)挖前，降水井的布設(shè)應(yīng)已形成封閉狀態(tài)，或超前2 倍基槽寬度。將沖擊鉆機(jī)安裝至井位附近，核對(duì)井位，確保井徑誤差在±20mm 范圍內(nèi)，垂直度誤差不超過(guò)1%。

在護(hù)壁管埋設(shè)后，開(kāi)始泥漿護(hù)壁鉆孔。保持孔內(nèi)泥漿高度，防止塌孔。驗(yàn)收清孔后，吊裝640mm 無(wú)縫鋼管。每井配備一泵，將吸水器吊至井底，水管自井下接至匯水總管。在降水井外側(cè)布設(shè)直徑不小于200mm 的焊管。地下水經(jīng)匯水總管引至沉淀池，經(jīng)沉淀后排入市政污水管道或水渠。將濾料均勻投放在內(nèi)管周圍，選用孔隙率不小于20%的中粗砂，回填至濾管頂部以上，上部回填黏土固井。采用空壓機(jī)和活塞聯(lián)合洗井，重復(fù)洗井過(guò)程，直至出水含砂率小于1/10 000，以保證抽水設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)且不引發(fā)地層下沉。在管井運(yùn)行前進(jìn)行試抽，檢查抽水是否正常，無(wú)淤塞現(xiàn)象。試抽正常后進(jìn)行正式抽降水。

超前抽水時(shí)間不少于14 天，每日觀測(cè)水位，確保抽水設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)。抽出水的含砂量需滿足規(guī)定要求，以防地層下沉。管井降水完畢后，孔洞填實(shí)，上部用粘性土填充夯實(shí)。

4 PLAXIS 3D有限元模擬對(duì)比

1）基坑位移云圖繪制 通過(guò)模擬基坑降水的能力，我們繪制了基坑位移云圖（圖5）。在模擬中，地下連續(xù)墻起到了明顯的保護(hù)作用。有效地減少了基坑外部地下水的影響，使得基坑外的土體基本不發(fā)生下降，確保了基坑的穩(wěn)定性。同時(shí)，地下連續(xù)墻還能迅速排干基坑內(nèi)部的地下水，確保開(kāi)挖過(guò)程不受地下水的干擾，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖5 基坑位移云圖

2）坡頂位移驗(yàn)證 根據(jù)模擬結(jié)果，我們得出坡頂處的最大位移為-16mm。這一數(shù)值小于GB50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》中對(duì)坡頂位移的要求，即不超過(guò)30mm，符合設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

3）基坑底部位移抬升 模擬結(jié)果顯示，基坑底部出現(xiàn)6mm 位移抬升現(xiàn)象。這是由于抽水導(dǎo)致地下水位下降，形成了降落漏斗，進(jìn)而降低了水壓力，導(dǎo)致周邊地下水向井口富集。這可能引起局部地下水位上升，進(jìn)而導(dǎo)致土體抬升。然而，模擬結(jié)果顯示，這一抬升數(shù)值在可控范圍內(nèi)，沒(méi)有造成不良影響。

4）降水方案效果驗(yàn)證 基于位移云圖的分析，降水方案被證明是合理且有效的。通過(guò)抽水，基坑周邊和內(nèi)部的地下水流向降水井，最終被抽出。這降低了地下水位，為施工創(chuàng)造了良好的條件。

5 結(jié)論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水實(shí)驗(yàn)、基坑涌水量計(jì)算和降水需求計(jì)算，制定了科學(xué)的降水方案，結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)法和基坑涌水量法，對(duì)降水井?dāng)?shù)量進(jìn)行了合理布置，并闡述施工流程和工藝，滿足工程需求。同時(shí)研究驗(yàn)證了PLAXIS 3D 軟件在深基坑降水設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用價(jià)值。止水帷幕和地下連續(xù)墻在維持基坑內(nèi)外地下水位平衡方面發(fā)揮了顯著作用，確保基坑的穩(wěn)定性，且基坑開(kāi)挖對(duì)周邊建筑物的影響得以有效控制，PLAXIS 3D 軟件在降水方案設(shè)計(jì)與施工中具備顯著的指導(dǎo)與應(yīng)用價(jià)值。