地鐵站基坑降水方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化探索

【摘要】地鐵站基坑降水是地鐵工程建設(shè)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于地鐵站多位于城市繁華區(qū)域，施工空間有限且地下水文地質(zhì)條件復(fù)雜，基坑降水不僅關(guān)乎施工安全與效率，還直接影響周邊環(huán)境穩(wěn)定性?；诘罔F站基坑降水的重要性，文中對(duì)其方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化進(jìn)行了研究，闡述了基坑降水的基本原理，并結(jié)合工程案例探討了基坑降水方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化策略。通過(guò)優(yōu)化策略的實(shí)施，提高了降水效率，降低了施工成本，有效應(yīng)對(duì)了施工中的不確定性因素。

【關(guān)鍵詞】地鐵站；基坑降水；方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】TU463 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）09-0146-03

0 引言

隨著城市地鐵網(wǎng)絡(luò)的不斷拓展，地鐵站基坑施工對(duì)降水技術(shù)的要求日益提高。文中聚焦于地鐵站基坑降水方案的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，通過(guò)綜合考量工程地質(zhì)和水文條件，探討了基坑降水的核心原理與關(guān)鍵要素。

1 工程案例

徐州地鐵4號(hào)線某期工程是連接多個(gè)重要片區(qū)的軌道交通骨干線。其中，汽車(chē)南站站（S9）位于中心里程YK12+118.189處，設(shè)計(jì)為地下二層單柱雙跨車(chē)站。車(chē)站底板標(biāo)準(zhǔn)段埋深約16.78 m，端頭井處約19.24 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)使用φ1 000 mm@750 mm套管咬合樁，樁嵌固深度達(dá)到7 m，該工程采用明挖法施工，主體結(jié)構(gòu)采用套管咬合樁+內(nèi)支撐的圍護(hù)方式，基坑開(kāi)挖工程較大，現(xiàn)場(chǎng)在基坑開(kāi)挖時(shí)采用井點(diǎn)降水結(jié)合坑內(nèi)集水井明排降水，最終保證了項(xiàng)目的順利完工。本文以該工程為案例，詳細(xì)闡述地鐵基坑降水方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

案例工程的地質(zhì)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，淺部填土層厚度不一，多為1～3.7 m，下方為第四系全新世（Q4）沖積形成的軟質(zhì)可塑黏性土。這種土質(zhì)的工程性質(zhì)較差、強(qiáng)度較低。而更深的第四系更新世（Q3）沖洪積層則為硬塑黏性土，雖然強(qiáng)度較高，但具有一定的膨脹潛勢(shì)。該區(qū)域下伏基巖為奧陶系灰?guī)r，受構(gòu)造影響巖石裂隙發(fā)育不均，巖性和強(qiáng)度變化大，局部巖體存在破碎現(xiàn)象。該區(qū)域地下潛水水位埋深較淺，為0.4～3.3 m，水位標(biāo)高介于35.12～38.7 m，年變幅大約為3 m。在基巖裂隙中的水位埋深為21.60～23.30 m，水位標(biāo)高為5.10～5.36 m?；鶐r裂隙水的水位受降水影響大，年度變化呈季節(jié)性波動(dòng)。雨季后的數(shù)月內(nèi)，水位攀升至頂峰，隨后漸降。至旱季尾聲，水位觸及年度最低點(diǎn)。整體年變化幅度在5～10 m，鮮明反映了該區(qū)域基巖裂隙水位的顯著季節(jié)性變化，降水風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。在雨季降水高峰期水位迅速上升，可能導(dǎo)致地表水滲入，影響地鐵站工程穩(wěn)定性和安全性。因此，在設(shè)計(jì)和施工過(guò)程中，應(yīng)充分考慮降水因素，采取必要的防水和排水措施，確保工程質(zhì)量和安全。

2 地鐵站基坑降水方案設(shè)計(jì)優(yōu)化

2.1 基坑降水基本原理

基坑降水的基本原理是通過(guò)在基坑周?chē)騼?nèi)部設(shè)置降水井，利用水泵等設(shè)備將地下水抽出，從而降低基坑內(nèi)的地下水位。降水井的設(shè)置位置和數(shù)量需根據(jù)基坑的尺寸、形狀、地質(zhì)條件以及地下水的分布和流向等因素綜合考慮[1]。

在降水過(guò)程中，水在土壤中的滲流起著關(guān)鍵作用，其受到土壤滲透性能的影響，而滲透系數(shù)是表征土壤滲透性能的主要參數(shù)。滲透系數(shù)越大表示土壤透水性能越好，水在土壤中的滲流速度越快，從而有利于基坑降水的進(jìn)行。基坑降水還需要考慮地下水的水位和流向。通過(guò)合理的降水井布置和抽水設(shè)備選擇，可以控制地下水的流向和流量，使基坑內(nèi)的地下水得到有效排出[2]。同時(shí)，基坑降水過(guò)程中還需要注意對(duì)周邊環(huán)境的保護(hù)，避免對(duì)周邊建筑和設(shè)施造成不良影響。

2.2 降水方案設(shè)計(jì)

1）降水設(shè)計(jì)參數(shù)。在地鐵工程的基坑降水設(shè)計(jì)中，參數(shù)選擇至關(guān)重要。為確?；油练巾樌_(kāi)挖，需維持地下水位在基坑底以下1～1.5 m，以保障施工安全。針對(duì)基坑外水位變動(dòng)，宜選用平緩降水的方案，減少降水導(dǎo)致的沉降和差異沉降，確保周邊建筑及地下管線不受影響，保持正常使用。在選擇降水方法時(shí)，需考慮滲透系數(shù)、降水深度及適應(yīng)地層。例如案例工程中現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)勘察滲透系數(shù)表結(jié)果，如表1所示，決定采取井點(diǎn)降水結(jié)合坑內(nèi)集水井明排降水的綜合降水方案。這種方案特別適用于降深需求超過(guò)10 m且地層滲透系數(shù)較大的情況，比如粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)黏土等地層。此外，井點(diǎn)間距、沖孔深度和回填材料等參數(shù)也應(yīng)根據(jù)地下水位、基坑深度和地質(zhì)條件合理選擇，以確保降水效果和經(jīng)濟(jì)性。

2）管井單井出水量。管井單井出水量的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要確定幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：井的滲透系數(shù)K，反映了地下水對(duì)井的滲透性能；管道的截面積A，取決于管道的直徑；飽和壓力水位與井底水位之差H，即井底水位與地面之間的垂直距離。具體設(shè)計(jì)方法見(jiàn)式（1）。

" " " " Q = K.A.H （1）

式中：Q為單井出水量。

根據(jù)式（1）可以通過(guò)調(diào)整管道直徑和井深等參數(shù)以及考慮當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，來(lái)合理設(shè)計(jì)單井出水量。實(shí)際操作中，需考量井壁和過(guò)濾管的進(jìn)水流速限制，保證管井出水能力達(dá)標(biāo)[3]。為確保系統(tǒng)可靠性還應(yīng)設(shè)計(jì)備用管井，數(shù)量約占總出水量的10%～20%，以應(yīng)對(duì)突發(fā)情況保障整體系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。

3）降水井?dāng)?shù)量、間距及井深設(shè)計(jì)。降水井的設(shè)計(jì)中，降水井的數(shù)量、間距及井深是需要仔細(xì)考慮的因素[4]。降水井的數(shù)量n計(jì)算基于基坑總涌水量Q與單井出水量q的關(guān)系見(jiàn)式（2）。

" " "

（2）

確定q時(shí)，需考慮水泵的實(shí)際性能，通常以水泵的出水量為基準(zhǔn)，確保降水井?dāng)?shù)量與涌水量相匹配。井點(diǎn)間距D的確定需要考慮基坑井點(diǎn)布置周長(zhǎng)或長(zhǎng)度L和降水井?dāng)?shù)量n，計(jì)算見(jiàn)式（3）。

（3）

但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，井點(diǎn)間距還應(yīng)滿足一定的模數(shù)要求，如案例工程中井點(diǎn)管間距應(yīng)符合0.4 m的模數(shù)并大于15倍濾管直徑。井深的設(shè)計(jì)需要根據(jù)降水量或地表徑流來(lái)計(jì)算。降水量計(jì)算井深H見(jiàn)式（4）。

"

（4）

式中：A為井的有效面積。

地表徑流計(jì)算井深見(jiàn)式（5）。

"

（5）

式中：為地表徑流量。

在設(shè)計(jì)中還需要考慮地下水位、土壤類型等因素，以確定合適的井深。

4）降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。降水井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是確保降水系統(tǒng)有效運(yùn)行的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先進(jìn)行需求分析，明確降水井的功能和要求。例如，確定降水井的收集容量、承受荷載等參數(shù)，以便為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。再根據(jù)需求分析的結(jié)果，進(jìn)行降水井的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。包括確定井筒的尺寸和深度，以及井蓋的材質(zhì)和尺寸。在井筒設(shè)計(jì)中需要考慮井筒的承載能力、防滲能力和排水能力等因素，確保井筒的穩(wěn)定性和耐久性。井蓋的設(shè)計(jì)應(yīng)具備防滑、透氣、易清理等功能，并具有良好的耐久性。還需要注意降水井的末端排泄系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以防止堵塞和異味的產(chǎn)生?？梢栽O(shè)置防蟲(chóng)、防臭等管道設(shè)施，確保排水系統(tǒng)的順暢運(yùn)行。

5）基坑涌水量設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)基坑涌水量時(shí)，需深入調(diào)查工作區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，如含水層分布、厚度、埋藏和滲透性?；谡{(diào)查結(jié)果，分析地層類型（如孔隙、裂隙或溶蝕巖層），并準(zhǔn)確評(píng)估其透水性能，以確保設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。根據(jù)地層類型和地下水補(bǔ)給條件，選擇合適的涌水量預(yù)測(cè)方法，如類比數(shù)值法、外推法、水均衡法或解析法等。根據(jù)所選的預(yù)測(cè)方法，利用相應(yīng)的公式計(jì)算基坑涌水量。這通常涉及滲透系數(shù)、含水層厚度、基坑深度等參數(shù)的輸入。如案例工程中，設(shè)計(jì)師采用式（6）和式（7）計(jì)算得出基坑涌水量估算數(shù)據(jù)，如表2所示。

（6）

"

（7）

式中：為基坑降水的總涌水量，m3/d ；K為滲透系數(shù)，m/d ；SO為基坑水位降深，m；r0為計(jì)算影響半徑，m；R為基坑等效半徑，m；為過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度m ；H為潛水含水層厚度，m。

6）降水井施工工藝流程。降水井施工過(guò)程始于精確的井點(diǎn)測(cè)量定位，確保每個(gè)降水井的位置準(zhǔn)確無(wú)誤。隨后進(jìn)行井口挖掘和護(hù)筒的埋設(shè)，這一步驟可為后續(xù)的鉆進(jìn)工作提供穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境。鉆機(jī)就位后開(kāi)始鉆進(jìn)成孔，此階段需要嚴(yán)格控制鉆孔的垂直度和直徑。完成鉆進(jìn)后進(jìn)入回填砂層階段，確保砂層回填均勻、緊密。然后將吊裝井管下放至孔內(nèi)，這是確保降水效果的關(guān)鍵步驟之一。在下放井管的同時(shí)，還需回填礫石過(guò)濾層，這一步驟有助于形成有效的過(guò)濾系統(tǒng)，防止泥沙進(jìn)入井內(nèi)。井管安裝完畢后，進(jìn)行水泵的下放和抽水控制電路的安裝。隨后進(jìn)行試運(yùn)行，檢查整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行情況，確保一切正常后，再進(jìn)入正式降水階段[5]。在降水過(guò)程中需密切關(guān)注降水效果，并根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整降水策略。降水結(jié)束后進(jìn)行井管的拔出和封井工作，確保環(huán)境恢復(fù)良好。

在案例工程中由于施工現(xiàn)場(chǎng)空間有限，合理規(guī)劃了作業(yè)區(qū)域，以確保作業(yè)順利進(jìn)行。對(duì)于降水井過(guò)濾管的質(zhì)量和使用效果，進(jìn)行定期檢查確保其在施工過(guò)程中保持最佳狀態(tài)，同時(shí)根據(jù)地質(zhì)條件和施工需要，靈活調(diào)整了止水帷幕的深度。在開(kāi)挖過(guò)程中，特別加強(qiáng)對(duì)井管的保護(hù)，防止其受損影響泵的順利提升。對(duì)于井管暴露長(zhǎng)度較大的情況，還需采取有效措施進(jìn)行支護(hù)，確保施工安全。此外，可避免使用泥漿鉆進(jìn)成孔，以減少降水涌砂的風(fēng)險(xiǎn)。

3 案例工程基坑降水方案優(yōu)化策略

項(xiàng)目基坑挖掘深度大，地質(zhì)條件復(fù)雜，為更準(zhǔn)確地評(píng)估地基的承載力、變形特性、滲透性及其他關(guān)鍵參數(shù)，將該場(chǎng)地的土層劃分為1雜填土、3b-2粉質(zhì)黏土和4-2層砂質(zhì)粉土夾粉砂層。其中，1雜填土，結(jié)構(gòu)松散、穩(wěn)定性差，透水性強(qiáng)，因此在開(kāi)挖過(guò)程中極易發(fā)生涌水和坍塌現(xiàn)象。為了應(yīng)對(duì)這些風(fēng)險(xiǎn)，在方案設(shè)計(jì)時(shí)嚴(yán)格按照“分層、分步、對(duì)稱、平衡”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，以確保減少土體中有效應(yīng)力的變化。在遇到松散填土和軟土?xí)r，可采取土體加固處理措施（注漿加固），以提高土體的抗剪強(qiáng)度和剛度。還可設(shè)置有效的圍護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕確保隔水效果，防止流砂突涌的發(fā)生。通過(guò)這些措施可成功降低基坑失穩(wěn)坍塌和流沙突涌的風(fēng)險(xiǎn)。另外，案例工程中潛水富水性差異較大。其中4-2層砂質(zhì)粉土夾粉砂為飽水地層，水量一般但局部較豐富，對(duì)基坑開(kāi)挖和車(chē)站建設(shè)構(gòu)成了較大威脅。為有效應(yīng)對(duì)這一風(fēng)險(xiǎn)，設(shè)計(jì)了嚴(yán)格的地下水控制措施，通過(guò)降水井和排水系統(tǒng)可及時(shí)將地下水降至安全水位以下，防止基坑涌水和坍塌。設(shè)計(jì)師還進(jìn)行了抗浮設(shè)計(jì)，以確保結(jié)構(gòu)在地下水浮力作用下保持穩(wěn)定。在施工階段可采取降低地下水位的臨時(shí)抗浮措施，進(jìn)一步減小浮力對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。此外，為了確保地下結(jié)構(gòu)物的抗浮穩(wěn)定性，還可在底板下設(shè)置抗浮樁，并增加覆土層的厚度。

4 結(jié)語(yǔ)

文章經(jīng)過(guò)對(duì)地鐵站基坑降水方案的設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究，進(jìn)一步強(qiáng)化了降水工程在地鐵建設(shè)中不可或缺的地位。隨著技術(shù)的不斷革新，基坑降水方案將更加科學(xué)化、高效化，不僅能有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)條件，還能顯著降低施工風(fēng)險(xiǎn)，提升工程質(zhì)量。展望未來(lái)，須繼續(xù)深化研究，持續(xù)創(chuàng)新，致力于基坑降水技術(shù)的優(yōu)化升級(jí)，為城市地鐵建設(shè)提供更加堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支撐，確保地鐵建設(shè)的安全、高效推進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡(jiǎn)介]張璞（1985—），男，山東成武人，碩士研究生，工程師，研究方向：軌道交通結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。