基于不同地質(zhì)單元地鐵基坑地下水控制方法分析

謝俊

摘要 基坑工程中，地下水控制是重中之重，其中，地貌單元決定了宏觀水文地質(zhì)特征的地域性，地層時代決定了含水層透水性和地層固結(jié)程度，地層組合決定了地下水類型、分布及相互關(guān)系。文章針對地鐵基坑工程中常見的地貌地質(zhì)單元，結(jié)合所遇工程問題，總結(jié)提出了地鐵基坑工程中不同類型地下水的控制措施，通過案例分析進(jìn)一步說明了地鐵基坑采取地下水控制時，應(yīng)先從地貌地質(zhì)單元入手，在區(qū)分地層（含水層與隔水層）時代和地層組合及其水文地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，按照地下水類型分別或統(tǒng)一采取地下水控制措施。該研究為地鐵基坑工程高效設(shè)計(jì)與安全施工提供了技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞 地鐵；基坑；地下水；地質(zhì)地貌；降水

中圖分類號 U213.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0035-04

0 引言

隨著國內(nèi)地鐵工程的快速建設(shè)，地鐵基坑的深度及規(guī)模不斷擴(kuò)大，呈現(xiàn)出“深、大、緊、近”的特點(diǎn)[1-3]。當(dāng)前基坑工程事故多與地下水處理措施存在不足有關(guān)，地下水已成為影響基坑穩(wěn)定的重要因素，地下水的控制措施也成為基坑設(shè)計(jì)的關(guān)鍵工作。地下水對基坑工程的危害，除了水壓力對支護(hù)結(jié)構(gòu)的作用、引起土的物理力學(xué)性能指標(biāo)降低外[4-5]，更重要的是基坑涌水、滲流破壞（流砂、管涌、坑底突涌）[6]引起的地面沉陷和抽（排）水引起地層固結(jié)沉降[7]等?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)高度重視地下水的控制方法，根據(jù)場地工程地質(zhì)、水文地質(zhì)的具體特點(diǎn)，進(jìn)行針對性基坑止水、坑內(nèi)降水方案設(shè)計(jì)，避免因地下水處理不當(dāng)引起基坑失穩(wěn)破壞[8-9]。地下水控制的成敗決定了基坑支護(hù)及其土方開挖的成敗。

1 不同地貌地質(zhì)單元地下水控制方法

巖土工程地下水控制存在較多的不確定性，降水方案需根據(jù)地質(zhì)條件、已建類似工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行針對設(shè)計(jì)。地鐵基坑工程地下水控制方法也需要結(jié)合已有工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，方可設(shè)計(jì)出可靠的地下水控制方案。為此，文章總結(jié)全國不同流域部分典型城市地質(zhì)、地貌單元的水文地質(zhì)條件和常見地下水控制的推薦方案，詳見表1[10-16]。

2 長江流域工程案例分析

2.1 長江上游沖積平原

2.1.1 工程地質(zhì)條件

以成都6號線建設(shè)北路站基坑工程為例，車站長度364.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度20.7 m，覆土厚度約3.4 m，底板埋深16.98～17.66 m?；又ёo(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐方案，支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面詳見圖1。

場地地貌單元為岷江水系沖積平原I，場地土層從上到下依次為填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、細(xì)砂、中砂及卵石，地層分布詳見表2。

2.1.2 水文地質(zhì)條件

上層滯水儲存于黏性土層之上的填土層中，水量變化大且不穩(wěn)定，呈透鏡體狀分布狀態(tài)；孔隙潛水在第四系沖洪積細(xì)砂、中砂及卵石層地層中連續(xù)分布，該層地質(zhì)結(jié)構(gòu)松散，含水量豐富。該地區(qū)雨量充沛，大氣降水為地下水的主要補(bǔ)給方式，最高地下水位埋深約2 m。

2.1.3 地下水控制方案

車站開挖揭露范圍內(nèi)砂土、卵石土地層之間無隔水層，地層相互之間存在水力聯(lián)系，可將這3層土作為一個共同含水層對待，地下水以孔隙潛水形式賦存該地層中，基坑開挖期間涌水量主要位于砂卵石地層中。根據(jù)車站詳勘報(bào)告，計(jì)算基坑涌水量地下水埋深取8.3 m，采用潛水完整井公式計(jì)算基坑涌水量。根據(jù)計(jì)算，車站主體基坑設(shè)置57口坑外降水井，井深28～34 m，井徑800 mm，管徑300 mm，降水井沿車站縱向間距12～17 m，沿基坑分兩排布置，降水井距離基坑邊緣5 m，深井與淺井間隔布置。

2.1.4 地下水控制效果

基坑開挖期間地下水位采用動態(tài)控制方法，確保地下水位始終低于開挖面以下1 m。當(dāng)基坑開挖深度為0～8.3 m，基坑地下水控制處于第一階段，主要采取坑內(nèi)集水明排。當(dāng)開挖深度超過8.3 m時，地下水控制處于第二階段，動態(tài)開啟降水井并根據(jù)觀測數(shù)據(jù)調(diào)整。降水期間實(shí)測基坑周邊地面的最大沉降量為18 mm，未引起周邊管線和建構(gòu)筑物變形超限。

2.2 長江中游沖積平原

2.2.1 工程地質(zhì)條件

以武漢地鐵金色雅園站基坑工程為例，所建車站為地下二層島式站臺車站，車站長581 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬20.7 m，頂板覆土約3 m，底板埋深約16.43 m，基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐設(shè)計(jì)方案，支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面詳見圖2。

場地貌屬于長江沖積一級階地，開挖范圍內(nèi)地層由第四紀(jì)全新統(tǒng)人工堆積層（Q4ml）組成，主要為黏土、粉質(zhì)黏土，基坑底主要位于粉質(zhì)黏土層，開挖面之下粉質(zhì)黏土夾砂、卵石地層透水強(qiáng)，且具有一定承壓性，場地范圍地層分布信息詳見表3。

2.2.2 水文地質(zhì)條件

站址范圍內(nèi)地下水類型主要為上層滯水、孔隙承壓水，上層滯水分布于雜填土、素填土地層，主要補(bǔ)給來源為大氣降水及生產(chǎn)、生活用水，分布不均。孔隙承壓水主要賦存于粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂、粉細(xì)砂地層，由于該地層為I級階地第四系全新統(tǒng)沖積而成，與周邊河流存在較強(qiáng)的水力聯(lián)系。地下水位埋深為1.2～4.3 m。

2.2.3 地下水控制方案

根據(jù)工程地下水文地質(zhì)特點(diǎn)，降水深度需保證坑底以下孔隙承壓水壓力小于上覆土重，故選用承壓降水井疏干降水?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)地連墻進(jìn)入13-1含碎石粉質(zhì)黏土地層中，形成落底式止水帷幕?；觾?nèi)共設(shè)置61口降水井，降水井縱向間距20 m，承壓降水井主要針對黏土層，使基坑施工期坑內(nèi)承壓水頭保持在基底以下1 m。

2.2.4 地下水控制效果

基坑開挖盾構(gòu)工作井時，由于降水措施未滿足設(shè)計(jì)要求，提前進(jìn)行基坑開挖，造成基坑發(fā)生突涌事故，采取注漿封底措施解決突涌；按原設(shè)計(jì)方案重新施工降水井，后續(xù)基坑地下水控制及開挖過程較為順利。

2.3 長江下游三角洲濱海平原

2.3.1 案例工程地質(zhì)條件

以上海地鐵政立路站基坑工程為例，所建車站為地下兩層三跨島式站臺車站，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬度22.6 m，底板埋深約19 m，基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用0.8 m厚度連續(xù)墻，內(nèi)部設(shè)5道內(nèi)支撐，支護(hù)結(jié)構(gòu)橫斷面詳見圖3。

建設(shè)場地屬于濱海平原地貌類型，位于長江三角洲入?？诘臇|南部。詳勘報(bào)告揭露場地70 m深度范圍內(nèi)為第四紀(jì)松散沉積物，該地層特點(diǎn)為成層性分布，主要由黏性土、粉性土以及砂土組成，場地范圍內(nèi)土層分布信息詳見表4。

2.3.2 水文地質(zhì)條件

場地范圍內(nèi)表層地下水為潛水，以大氣降水及地表徑流為主要補(bǔ)給來源，蒸發(fā)消耗為主要排泄方式；潛水位埋深隨季節(jié)波動，水位埋深0.3～1.5 m。下部承壓含水層主要為7-11砂質(zhì)粉土、7-12砂質(zhì)粉土、9砂土地層，地下承壓水水位標(biāo)高隨季節(jié)變化，承壓水頭埋深變幅為3～12 m。

2.3.3 地下水控制方案

（1）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)，隔斷基坑內(nèi)部潛水與外部潛水的水力聯(lián)系，基坑開挖過程中采用真空疏干降水方式，完成基坑表層潛水降水工作。

（2）對于砂質(zhì)粉土層的承壓水，采用地下連續(xù)穿越該地層，隔斷該層地下水的補(bǔ)給來源，通過設(shè)置承壓降水井，消除其承壓性；基坑地下連續(xù)墻嵌固深度根據(jù)基坑受力及穩(wěn)定性確定，當(dāng)所需地連墻長度未能進(jìn)入8-1粉質(zhì)黏土?xí)r，可在下部設(shè)置一段素混凝土墻，僅作為隔斷承壓水使用。

（3）由于基坑外部管線、建筑物密集，基坑內(nèi)部降水可能引起外部地表沉降，為此在基坑外側(cè)設(shè)置回灌井，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)回灌作業(yè)。

2.3.4 地下水控制效果

基坑開挖前進(jìn)行為期30 d的預(yù)抽水，對淺部地層進(jìn)行疏干工作，隨著基坑的開挖，開啟降壓井進(jìn)行抽水，逐步增加降壓井的開啟個數(shù)，降壓井開啟時間8個月，最終坑外地表沉降約40 mm。

3 結(jié)語

基坑工程施工中地下水控制思路主要分為三類：降水、隔水（堵水）和回灌，三種處理方法往往不是單一的，多為綜合措施?；佑绊懛秶鷥?nèi)地下水位的降低靠排水（集水明排）或抽水（井點(diǎn)降水），對富水地區(qū)的地鐵基坑工程，設(shè)置降水井抽水為主要措施；止水帷幕的作用是改變抽排水過程中“水漏斗”形狀，減小基坑降水對周邊環(huán)境的影響；基坑外部地下水位下降，將引起地層沉降，影響周邊建筑安全，此時需在坑外設(shè)置回灌井，避免坑內(nèi)降水引起坑外地下水位下降。

地鐵基坑采取地下水控制時，首先應(yīng)從地貌地質(zhì)單元入手，在區(qū)分地層（含水層與隔水層）時代和地層組合及其水文地質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，按照地下水類型分別或統(tǒng)一采取地下水控制措施。

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