蘇州地鐵盤蠡路車站深基坑降水設(shè)計

韓宜康

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210031）

蘇州地鐵盤蠡路車站深基坑降水設(shè)計

韓宜康

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇南京 210031）

基坑降水是地鐵車站深基坑工程的重要組成部分，文章以蘇州地鐵盤蠡路車站深基坑降水工程為例，結(jié)合工程的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件和周圍建筑物情況，設(shè)計了基坑降水方案，并通過建立模型預(yù)估了基坑降水效果，而后通過基坑周邊地基沉降計算進(jìn)一步證實了降水方案的可行性。

地鐵車站；深基坑；降水設(shè)計

蘇州地區(qū)地處長江三角洲平面，該地區(qū)地下水埋深較淺，是我國典型的軟土地區(qū)。在蘇州地區(qū)修建地鐵車站必須采取降水措施以保證基坑施工安全，基坑降水效果的好壞在很大程度上決定了車站基坑工程能否順利實施。本文以蘇州地鐵盤蠡路車站為案例，對地鐵車站深基坑降水設(shè)計方案進(jìn)行深入研究。

1 工程概況

盤蠡路站是蘇州地鐵 2 號線、3 號線換乘車站，其中，2 號線車站為地下 2 層島式結(jié)構(gòu)，順盤蠡路南北向布設(shè)，3 號線車站為地下 3 層島式結(jié)構(gòu)，順寶帶西路東西向布設(shè)，2 線換乘方式為島-島換乘。盤蠡路車站位于交通流量極大的寶帶西路和盤蠡路相交路口，車站周邊為集中辦公區(qū)和居民區(qū)，東南側(cè)為住宅小區(qū)、東北側(cè)為蘇州吳城供電分局、西南側(cè)為住宅小區(qū)、西北側(cè)為盤蠡村，車站東側(cè)有一條小河，2 條市政道路均敷設(shè)有大量市政管線。車站采用明挖順作法 +局部蓋挖順作法施工。車站基坑主體結(jié)構(gòu)開挖及圍護(hù)深度見表1。

盤蠡路車站基坑施工場地范圍內(nèi)的主要地層分布情況為，場地地面標(biāo)高 3.4 m，地表面分布有厚度約 0.4～2 m 的雜填土，雜填土下方為厚度范圍為 0.5～6 m 的素填土，素填土下方分布有厚度為層厚 2.1～2.6 m 的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，基坑開挖范圍內(nèi)土質(zhì)主要為粉質(zhì)黏土，基坑底位于④5粉質(zhì)黏土層內(nèi)。

地質(zhì)勘察結(jié)果表明，施工場地內(nèi)地下水豐富，潛水和承壓水廣泛分布，潛水均勻分布在整個施工區(qū)域內(nèi)，為保證基坑安全施工，基坑開挖時必須采取措施把施工區(qū)域內(nèi)的潛水疏干至開挖面以下，施工區(qū)域內(nèi)的承壓水含水層較厚，埋深位于 25～27 m，主要分布在④6粉砂夾粉土層內(nèi)。

2 基坑降水方案設(shè)計

2.1 地下水現(xiàn)狀分析

表1 基坑主體結(jié)構(gòu)工程性質(zhì)表 m

根據(jù)本工程場地條件、工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件分析，在基坑工程施工過程中，地下水風(fēng)險源主要有基坑開挖范圍內(nèi)的潛水和基坑底板下部的承壓水層，基坑內(nèi)潛水主要賦存于①1、①3層填土層和①4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層中，含水量極大，其中①4土層含水量高達(dá) 53℅，基坑底部承壓含水層厚度很大、水位埋深較淺，主要分布在底板下方的④6粉砂夾粉土層內(nèi)。所以，在基坑開挖過程中如未事前降水，極易造成開挖過程中基坑坍塌，而當(dāng)基坑開挖深度超出臨界值時，承壓水降深未滿足設(shè)計要求，則可能會引發(fā)基坑底板隆起、突涌等工程風(fēng)險，影響施工安全。

2.2 基坑降水思路

經(jīng)過對基坑地下水現(xiàn)狀分析，確定了本工程的主要危險源為基坑范圍內(nèi)潛水和基坑底部承壓水，故本基坑的降水思路就是降低潛水和承壓水的水位。為確保基坑開挖順利進(jìn)行，保證基坑開挖范圍內(nèi)土體的干燥，該土層范圍內(nèi)的潛水疏干需提前進(jìn)行，潛水水位應(yīng)降至開挖面以下 1 m。由于換乘段開挖較深，開挖面距承壓水層頂僅 3 m 左右，且坑底加固樁已深入承壓水層，承壓水可能通過土層薄弱區(qū)或加固薄弱區(qū)向上滲進(jìn)基坑，為保證基坑底的抗突涌穩(wěn)定性，實際降水時需將承壓水位降至坑底以下 1 m，考慮實際控制水位埋深 24.17 m，水位降深應(yīng)達(dá)到 18.23 m。由于本基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部位于承壓含水層隔水頂板中，基坑內(nèi)、外地下水相互連通，為了能夠有效地控制長期抽水對基坑周邊的影響，基坑降水采用減壓降水和疏干降水獨立設(shè)計的原則。

2.3 基坑抗突涌穩(wěn)定性計算

為保證基坑開挖過程中基坑底板的安全穩(wěn)定，必須保證承壓含水層頂板上土層重力大于承壓水產(chǎn)生的向上的頂托力，即要求滿足：

式（1）中，h 為承壓水層頂板至基坑底板間距，m；γs為承壓水層頂至基坑底間土層加權(quán)重度，kN/m3；γw為地下水重度，kN/m3；Fs為基坑底板抗突涌穩(wěn)定系數(shù)；H 為承壓水頭高，m。

車站基坑抗突涌計算，以鉆孔 JZ-Ⅲ09-M2-BD-8 作為參考孔，其④6層頂標(biāo)高為-21.55 m。水位標(biāo)高根據(jù)地質(zhì)勘察報告取-2.54 m（埋深 5.94 m）?？雇挥坑嬎憬Y(jié)果如表2 所示，由表2 抗突涌計算結(jié)果可見，整個基坑主體結(jié)構(gòu)均需要對④6承壓含水層組降壓，附屬結(jié)構(gòu)則不需要對承壓含水層降壓。

表2 盤蠡路站承壓水層抗突涌計算結(jié)果

換乘段開挖較深，開挖面距承壓水層頂僅 3 m 左右，且由于坑底加固樁已深入至承壓水層，承壓水可能通過土層薄弱區(qū)或加固薄弱區(qū)向上滲進(jìn)基坑。為確?；影踩瑢嶋H降壓運行時考慮將承壓水位降至坑底以下0.5～1 m，考慮實際控制水位埋深 24.17 m，水位降深18.23 m。

2.4 降水井設(shè)計

2.4.1 降水井?dāng)?shù)量及深度設(shè)計

依據(jù)本工程地質(zhì)勘察報告，并參考蘇州地區(qū)類似基坑降水經(jīng)驗，本基坑疏干降水井單井有效抽水面積可取200 m2，對于主體結(jié)構(gòu)疏干降水井的數(shù)量 n 可根據(jù)公式（2）計算確定。

式（2）中，A 為基坑面積；a井為單井有效降水面積。

根據(jù)計算公式（2），并結(jié)合基坑形狀、加固及支撐位置等因素，盤蠡路站降壓兼疏干井設(shè)計數(shù)量見表3。

表3 降壓兼疏干井設(shè)計數(shù)量

基坑開挖范圍內(nèi)土層的水位應(yīng)控制在基坑開挖面以下 1 m，考慮井損及水力梯度等因素的影響，降壓兼疏干井的深度一般為開挖面以下約 5 m。根據(jù)基坑開挖深度，主體結(jié)構(gòu)降水井的設(shè)計深度為 22～23 m；因換乘段基坑下部承壓含水層層頂與開挖面距離較小，為了防止承壓水通過疏干降水井涌入基坑，給工程帶來不必要的風(fēng)險，結(jié)合承壓含水層的埋藏深度，換乘段降水井的設(shè)計深度均為 23 m；根據(jù)附屬結(jié)構(gòu)各基坑的不同開挖深度，附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計深度為 14～16 m。

2.4.2 降水井布設(shè)

本基坑主要疏干土層為①層填土層及粉質(zhì)黏土、③1層黏土、③2層粉質(zhì)黏土及④2層粉質(zhì)黏土，主要為黏性土，根據(jù)工程地質(zhì)手冊和潛水分布特征，本工程給水度綜合值取 0.2，基坑潛水埋深 0.5 m，水層厚度大約16 m，可計算單井有效抽水范圍內(nèi)水重 64 t。結(jié)合類似工程經(jīng)驗，按照單井抽水 15 天預(yù)估，降水井單井平均出水量隨抽水時間增加逐漸減少，變化趨勢基本呈圖1所示。根據(jù)單井平均抽水量變化趨勢可預(yù)估車站基坑疏干降水效果，基坑疏干度隨抽水時間增加也不斷增大，抽水 15 天后，基坑預(yù)估疏干度接近 0.9，滿足基坑開挖要求，具體變化趨勢如圖2 所示。

圖1 單井出水量與抽水時間關(guān)系圖

圖2 疏干度和抽水時間關(guān)系圖

考慮到本基坑主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)入土較深，可基本攔截坑外地表水和潛水的補(bǔ)給，同時又考慮到基坑周邊建筑物對地基沉降變化敏感，所以決定在基坑內(nèi)布設(shè)降水井。降水井?dāng)?shù)量除根據(jù)計算確定，還需考慮一定的儲備量?；又黧w部分共布設(shè) 52 口降壓兼疏干井，井號為 J1～J52，井深 22 m，另根據(jù)承壓水最大降深并結(jié)合類似工程經(jīng)驗布設(shè) 24 口（含備用）降壓井，井號為Y1～Y24，井深 34 m。換乘段布設(shè) 3 口降壓兼疏干井，井號為 J53～J55、井深 23 m，布設(shè) 4 口降壓井（含備用），井號為Y25～Y28，降壓井深度為 35 m。本工程疏干井按間隔 15 m、降壓井間隔30 m 布設(shè)，降水井平面布設(shè)如圖3 所示。

3 降水方案三維數(shù)值分析

為有效降低地下水位，確保基坑開挖順利進(jìn)行，須進(jìn)行地下水流三維滲流計算與分析，為降水設(shè)計提供理論支持。

3.1 降水?dāng)?shù)學(xué)模型

根據(jù)本工程承壓含水層的特性、圍護(hù)情況、邊界條件以及地下水流場特征，降水?dāng)?shù)值分析可采用如下三維滲流數(shù)學(xué)模型：

圖3 蘇州地鐵盤蠡路車站基坑降水井平面示意圖

式（3）中，S 為儲水系數(shù)；Sy為給水度；M 為承壓水層厚度，m；B 為潛水層厚度，m；Ss為儲水率，1/m；kxx、kyy、kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)，m/天；W 為源匯項，1/天；h 為點（x，y，z）在 t 時刻的水頭值，m；h0為計算域初始水頭值，m；h1為第一類邊界的水頭值，m；t 為時間，天；Ω 為計算域；Γ1為第一類邊界；Γ2為第二類邊界；q 為 Γ2上單位面積的側(cè)向補(bǔ)給量，m3/天； nx、ny、nz分別為邊界 Γ2的外法線沿 x、y、z 軸方向單位矢量。

3.2 降水模擬結(jié)果

根據(jù)降水?dāng)?shù)學(xué)模型以及基坑圍護(hù)的布設(shè)情況進(jìn)行數(shù)值模擬后，基坑不同部位的降深效果如下：

（1）車站基坑北端頭最小降深約 7.5 m，南端頭井最小水位降深為 7.5 m，滿足設(shè)計要求降深 7.11 m 的要求；

（2）基坑標(biāo)準(zhǔn)段最小降深約 5 m，滿足設(shè)計要求降深 4.04～4.90 m 的要求；

（3）換乘段最小降深約 18.5 m，滿足設(shè)計要求降深 18.23 m 的降深要求。

根據(jù)以上模擬分析結(jié)果，開啟除備用井外的降壓井，可以滿足設(shè)計要求，擬定的降壓設(shè)計合理有效。

需指出的是，以上模擬計算參數(shù)采用了經(jīng)驗值，實際施工前還應(yīng)先進(jìn)行專項抽水試驗，進(jìn)一步確定降水方案的可行性，并依據(jù)試驗結(jié)果完善降水方案。

4 基坑周邊地基沉降量計算

基坑周邊地基最終沉降量 L 可根據(jù)公式（4）預(yù)估，計算時間按降壓抽水運行時間 3 個月進(jìn)行考慮。

式（4）中，Hi為受降深影響的各層土的厚度，m；ΔPi為各土層附加荷載，kPa；Ei為各層土的壓縮模量，MPa；F 為經(jīng)驗系數(shù)。

將各土層參數(shù)帶入式（4）計算可得，車站基坑端頭井周邊地基最大沉降值為 5.3 mm，換乘段周邊地基最大沉降值為 3.4 mm，標(biāo)準(zhǔn)段周邊地基最大沉降值也僅為 6.8 mm，沉降預(yù)測值都在地基允許沉降值范圍內(nèi)。這說明基坑降水方案是合理有效的，降水方案設(shè)計完成后還需進(jìn)行單井和群井抽水試驗，以進(jìn)一步確定降水方案的合理性。

5 結(jié)束語

蘇州地鐵盤蠡路車站基坑工程屬典型軟土地區(qū)超深基坑工程，為確?；邮┕ぐ踩椭車h(huán)境安全，基坑開挖前和開挖過程中必須采取合理的降水方案進(jìn)行降水。本基坑范圍內(nèi)不僅賦存豐富潛水，且基坑底板下方存在較厚承壓水層，基坑底板存在突涌的危險，基坑開挖前需要進(jìn)行抗突涌穩(wěn)定性計算。基坑工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)并未完全截斷承壓含水層，基坑內(nèi)外有一定的水力聯(lián)系，為保證基坑開挖順利和基坑安全，本基坑采用疏干降水和減壓降水獨立設(shè)計的原則。同時，在基坑降水過程中加強(qiáng)地層和周邊建筑物沉降觀測，如有沉降數(shù)據(jù)異常行為，應(yīng)立即采取措施以保證基坑安全和周圍建筑物的安全。

［1］ 姚天強(qiáng)，石振華.基坑降水手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［2］ 吳林高，李國，方兆昌.基坑工程降水案例［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］ 何世秀，胡其志，莊心善.滲流對基坑周邊沉降的影響［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2003（9）.

［4］ 鄭劍升，張克平，章立峰.承壓水地層基坑底部突涌及解決措施［J］.隧道建設(shè)，2003（5）.

［5］ 王先智，董玉林，張樹林.大型地鐵站深基坑降水施工技術(shù)研究［J］.吉林地質(zhì)，2008（3）.

［6］ 劉均紅，張保圓，馮超.地鐵車站深基坑坑內(nèi)降水方案設(shè)計［J］.鐵道勘察，2009（1）.

［7］ 許錫金，李東霞.基坑降水引起地面沉降計算方法研究［J］.巖土工程技術(shù)，2004（4）.

責(zé)任編輯 朱開明

Station Deep Foundation Pit Dewatering Design of Panli Road Station of Suzhou Metro

Han Yikang

Foundation pit dewatering is an important measure of metro station deep excavation engineering.Taking the dewatering engineering work of deep foundation pit in Suzhou metro Panlilu station as an example， based on the engineering geological and hydrogeological conditions and the surrounding buildings， the paper discuses the design of the foundation pit dewatering scheme， and the establishment of a model to estimate the effect of foundation pit dewatering measures.It further confi rms the feasibility of the scheme after having the calculation of foundation settlement of excavation pit surrounding.

metro station， deep foundation pit，dewatering design

TU463

韓宜康（1981—），男，講師

2015-12-17