地鐵車站深基坑涌水量預(yù)測分析

王建軍

（上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海200125）

1 引言

在地鐵建設(shè)施工中，地鐵車站一般采用明挖法進行施工，施工過程中要進行基坑降水，需要進行基坑涌水量的計算，由于地下水的類型、埋藏條件、滲透系數(shù)、含水層厚度等水文條件各不相同，采取不同的模型計算出的涌水量具有較大的差異，因此，如何正確預(yù)測基坑涌水量成為地鐵車站基坑設(shè)計及施工的難點[1～6]。本文以某地鐵車站為例，采用多種計算模型進行車站基坑的涌水量計算，并將計算結(jié)果進行對比分析，探索各模型的優(yōu)缺點，以指導(dǎo)設(shè)計及施工。

2 工程實例

2.1 工程概況

某地軌道交通是一條東西向的市區(qū)級的軌道交通線路。線路由西向東橫貫城市中心地區(qū)。某站為該軌道交通線路的中間站。擬建車站為地下3 層島式雙柱3 跨車站，有效站臺寬度13m，車站規(guī)模195.0m×18.5m（內(nèi)部凈空），基坑開挖深度約20.00m。

2.2 區(qū)域氣象

工程區(qū)氣候溫和濕潤，雨量充沛，一般年均降雨量約1 200mm，歷史上以陰雨天氣多而著稱，大雨集中在每年六七月份。降雨量隨年份分布不均。冬季主導(dǎo)風(fēng)向北偏東，夏季主導(dǎo)風(fēng)向南偏東，晴天多南風(fēng)，雨天多北風(fēng)，年均風(fēng)速2.2m/s，瞬時最大風(fēng)速20m/s。年平均氣壓8 935MPa。冬季氣壓較高，夏季氣壓較低，主要氣候災(zāi)害有倒春寒、秋雨低溫、冰雹、暴雨、大風(fēng)和酸雨，歷史上凝凍也是災(zāi)害之一，現(xiàn)已常見。

2.3 水文地質(zhì)條件

地下水補給、徑流、排泄主要受降水、地形地貌、巖性、地質(zhì)構(gòu)造等因素控制，既有區(qū)域性的統(tǒng)一規(guī)律，又有隨地段變化的明顯差異。

地表水和大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源，降雨補給期集中在每年雨季。其補給方式為降水通過洼地、落水洞等巖溶形態(tài)及巖石中的溶蝕裂隙、構(gòu)造裂隙等形式滲入地下，補給地下水，在地下巖溶管道匯集、徑流；基巖裂隙水則通過風(fēng)化裂隙、構(gòu)造節(jié)理滲入地下。根據(jù)區(qū)域水文資料，地下水基本受降水控制為主，地下水的高水位期與降水豐水期基本吻合，一般地下水的高峰值滯后降水豐水期約15d，根據(jù)區(qū)域水文資料，場地地下水位年水位季節(jié)變化幅度為3.0～5.0m。本次野外勘探期間測得的潛水層的穩(wěn)定水位埋深約為2.5m。

2.4 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，本擬建車站的地層按其沉積時代、成因類型可分為3 層：

①層雜填土：雜色，土質(zhì)不均勻，松散，分布于場地表層，局部為磚塊、瓷片，夾雜粉質(zhì)黏土、建筑垃圾，局部夾素填土，分布無規(guī)律，平均層厚約2.0m。

②層紅黏土：紅褐色，可塑，偶見鐵錳質(zhì)結(jié)核，具有高液限、遇水軟化、失水強烈收縮的工程性質(zhì)，平均層厚約6.5m。

③1 層強風(fēng)化白云巖：灰白～肉紅色，主要由白云石構(gòu)成，局部相變?yōu)榘自瀑|(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈砂狀及少量塊狀，巖體破碎，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，平均層厚約6.0m。

③2 層中風(fēng)化白云巖：灰白～肉紅色，主要由白云石構(gòu)成，含少量的石英、方解石、黃鐵礦等礦物，充填少量方解石，局部相變?yōu)榘自瀑|(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖，巖體節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，局部節(jié)理面可見鐵質(zhì)侵染，巖芯呈碎塊、短柱狀，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，該層未鉆穿。

2.5 巖土層滲透系數(shù)

水文地質(zhì)試驗的目的是查明場地地下水類型、水位以及變化等水文地質(zhì)條件，確定含水層的滲透系數(shù)，估算基坑涌水量，并通過測定井孔涌水量及其與水位下降（降深）之間的關(guān)系，分析確定含水層的富水程度，評價井孔的出水能力。

根據(jù)擬建車站勘探成果，場地大部分上部覆蓋紅黏土較厚，地下水類型為承壓水。根據(jù)SL 320—2005《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》[7]，承壓水非完整井單孔的抽水（過濾器緊接含水層頂板）相關(guān)參數(shù)計算如下：

1）承壓水非完整井滲透系數(shù)K計算（巴布什金）：

式中，Q為涌水量，m3/d；sw為水位降深，m；l為有效進水段長度，m；rw為抽水孔半徑，m。

2）根據(jù)吉哈爾特公式計算潛水井抽水影響半徑：

3）根據(jù)《水文地質(zhì)手冊》[8]及GB 50027—2001《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》[9]中有關(guān)公式，利用恢復(fù)水位數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)：

式中，H為含水層厚度，m；sw1、sw2為觀測孔水位降深，m；t為水位恢復(fù)時間間隔，h。

根據(jù)本次水文地質(zhì)試驗成果，得到本次抽水試驗的含水層滲透系數(shù)如表1 所示。

表1 抽水試驗計算結(jié)果表

依據(jù)現(xiàn)場水文地質(zhì)試驗成果及區(qū)域經(jīng)驗綜合考慮，提供各巖土層滲透系數(shù)建議如表2 所示。

表2 巖土層滲透系數(shù)建議值表

3 基坑涌水量預(yù)測計算

3.1 水均衡法預(yù)測基坑涌水量

根據(jù)TB 10049—2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》附錄B，計算基坑單寬涌水量[10]。

3.1.1 枯期徑流模數(shù)法

枯期隧道基坑涌水量采用徑流模擬法，計算公式為：式中，Q為隧道基坑涌水量，m3/d；M為地下徑流模數(shù)，m3/（d·km2），該地區(qū)經(jīng)驗值為9.0L/（s·km2）=7.776×10-4m3/（d·m2）；A為單寬基坑通過含水體的地下集水面積，m2。

3.1.2 降雨入滲法

正常日平均涌水量采用降雨入滲法計算基坑涌水模量，計算公式為：

式中，Q日平均為隧道、基坑單日涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)，參照《鐵路工程地質(zhì)手冊》[11]，該地區(qū)α取值0.25；X為年降水量，該地區(qū)取1300mm。

3.1.3 暴雨工況降雨入滲法

暴雨工況下隧道、基坑涌水量為：

式中，Q暴雨為隧道、基坑暴雨涌水量，m3/d；Xmax為暴雨工況下日最大降水量，取200mm。

3.2 地下水動力學(xué)法預(yù)測基坑涌水量

按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》附錄E.0.4 節(jié)計算基坑涌水量，群井按大井簡化時，均質(zhì)含水層承壓水非完整井的基坑涌水量計算公式如下[12]：

式中，Q為基坑涌水量，m3/d；M為承壓水含水層厚度，m；s0為水位降深，假定水位降至結(jié)構(gòu)底板下0.5m 處；L、B分別為基坑長度和寬度；l為過濾器進水部分長度,取6.5m；R為影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

3.3 計算結(jié)果

3.3.1 水均衡法預(yù)測基坑涌水量

采用枯期徑流模數(shù)法計算基坑單寬涌水量：

采用降雨入滲法計算基坑單寬涌水量：

采用暴雨工況降雨入滲法計算基坑單寬涌水量：

3.3.2 地下水動力學(xué)法預(yù)測基坑涌水量

根據(jù)工程實際情況：M=100m、l=6.5m、s0=18.0m、R=127.28m、r0=33.90m，則：

Q=3.14×2×0.5×100×18/（ln(1+127.28/33.9）+（100-6.5）6.5×ln（1+0.2×100/33.9）=686.76m3/d

采用地下水動力學(xué)法計算單寬基坑涌水量：

水均衡法預(yù)測基坑單位寬度涌水量和地下水動力學(xué)法預(yù)測基坑單位寬度涌水量如表3 所示。

表3 基坑單位寬度涌水量表

3.4 計算結(jié)果對比分析

對計算結(jié)果進行對比分析：（1）利用水均衡法預(yù)測基坑涌水量時，使用參數(shù)少，在各參數(shù)不明確的情況下，可快速計算基坑的單寬涌水量，簡單快捷，因此，在地鐵隧道和地鐵車站基坑單寬涌水量預(yù)測中得到廣泛運用。（2）采用地下水動力學(xué)法預(yù)測基坑單寬涌水量時，要求各參數(shù)比較明確，運用此模型計算較為精確，但該模型將基坑假設(shè)為圓形井求得基坑等效半徑進行計算基坑涌水量，可能造成計算的涌水量與實際涌水量不符。（3）利用水均衡法預(yù)測枯期工況和正常工況的基坑單寬涌水量與水動力學(xué)單寬涌水量大致相當(dāng)，而預(yù)測暴雨工況下單寬涌水量明顯大于水動力學(xué)單位寬度涌水量，這是由于水均衡法預(yù)測基坑單位寬度涌水量沒有考慮基坑實際邊界情況，而只是利用經(jīng)驗系數(shù)大致求得基坑的涌水量。（4）實際涌水量計算時，可將二者結(jié)合綜合比較后運用，出于安全情況考慮，可取最不利情況。

4 結(jié)論

根據(jù)以上分析，得出以下結(jié)論：

1）本文采用水均衡法和地下水動力學(xué)法預(yù)測基坑單寬涌水量。2 種方法各有優(yōu)點，同時又各有局限性，要根據(jù)車站基坑實際情況選用。

2）在涌水量的預(yù)測過程中，巖土層滲透系數(shù)是根據(jù)勘察時有限的測試及試驗結(jié)果確定，所得的少數(shù)巖土層滲透系數(shù)值代表實際巖土體的滲透系數(shù)，難免存在誤差，也必將影響涌水量預(yù)測結(jié)果。

3）上述各種計算模型，都是建立在均質(zhì)土層和透水介質(zhì)的基礎(chǔ)上，而實際土層是不均勻的，會造成計算涌水量與實際涌水量存在一定的差異。

4）車站基坑的實際涌水量還會受到基坑施工的影響，也會造成實際涌水量的變化。