臨近河流地鐵車站深基坑降水施工技術(shù)

摘要： 本文主要介紹了利用井管降水實(shí)現(xiàn)臨河地段地鐵車站深基坑土體降水的分析與實(shí)施，根據(jù)寧波市軌道交通5號(hào)線雅渡站基坑降水施工的實(shí)例，詳細(xì)介紹了基坑抗突涌、基底穩(wěn)定驗(yàn)算以及降水井設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)對(duì)降水施工要點(diǎn)做了詳細(xì)地說(shuō)明，以期為相似臨水臨河段深基坑降水施工提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞： 臨河;深基坑降水;抗突涌;泄壓井;沉降

De-wateringConstruction Technology of Subway Station Deep Foundation Pitnear Rivers

Jin-Chang Li*

China Railway 14th Bureau Group 4th Engineering Co.， Ltd.， Jinan 250000， Shandong， China

Abstract： This paper introduces the analysis and implementation of using well pipe de-watering to realize the de-watering of the deep foundation pit soil of the subway station near the river. According to the example of the de-watering construction of the foundation pit of Yadu station of Ningbo Rail Transit Line 5， it introduces relevant contents of the anti inrush of the foundation pit， the checking calculation of the stability of the basement and the design of the de-watering well in detail. At the same time， it explains key points of de-watering construction in detail in order to provide a theoretical basis for the de-watering construction of similar deep foundation pit section near rivers and waters.

Keywords： Near rivers; de-watering of deep foundation pit; anti inrush; relief well; sedimentation

一、工程概況

寧波市軌道交通5號(hào)線一期土建工程雅渡站起止里程SDK7+100.056～SDK7+308.056，為地下兩層島式站臺(tái)車站，車站全長(zhǎng)約208 m。標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為19.7 m，基坑深度為16.342 m，西端盾構(gòu)井基坑深18.194 m，東端盾構(gòu)井基坑深17.778 m。車站北側(cè)有現(xiàn)狀河流一條，名為橫五河，與主體車站最近距離為26.2 m，距附屬基坑最近距離為2 m。車站與橫五河位置關(guān)系見(jiàn)圖1。

由于主體車站靠近橫五河，基坑開(kāi)挖時(shí)易發(fā)生突涌，對(duì)基坑降水要求較高，降水施工難度較大復(fù)雜性較高。根據(jù)地下水含水空間介質(zhì)和水理、水動(dòng)力特征及其賦存條件，雅渡站沿線地下水主要為第四系孔隙潛水類型、孔隙承壓水、基巖裂隙水。車站孔隙承壓水主要賦存于土層中部第⑤1T、⑥4a層承壓含水層和土層深部第⑦、⑧、⑨層承壓含水層中。雅渡站工程地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖2。由于基坑圍護(hù)已隔斷⑤1T層，層厚較薄并局部分布接近基坑底，基坑收底時(shí)易形成較嚴(yán)重的滯水現(xiàn)象，采用泄壓井在坑內(nèi)泄壓;由于基坑圍護(hù)未深入⑥4a層中，基本屬于敞開(kāi)式降水，對(duì)于⑥4a層，根據(jù)“按需減壓”原則用降水井進(jìn)行降水，保證基坑施工安全?；觾?nèi)布置降水井的同時(shí)在基坑外布置水位觀測(cè)兼?zhèn)溆镁靡詸z驗(yàn)坑內(nèi)降水效果及應(yīng)急備用。

二、基坑抗突涌和穩(wěn)定性驗(yàn)算

（一）抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

采用安全系數(shù)法對(duì)雅渡站基坑穩(wěn)定性分析[1]。

基坑底板的穩(wěn)定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力，即：

/=（·）/（·）≥式中：

：基坑底至承壓含水層頂板間土壓力（Pa）;

：承壓水頭高度至承壓含水層頂板間的水壓力（Pa）;

：基坑底至承壓含水層頂板間距離（m）;

：基坑底至承壓含水層頂板間土的加權(quán)平均重度（KN/m）;

：承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m）

：水的重度（KN/m），取10KN/m;

：安全系數(shù)，取1.10;

計(jì)算中使用地勘報(bào)告中給出的地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)建議表中的數(shù)據(jù)。

對(duì)本工程有影響的孔隙承壓含水層為⑤1T層黏質(zhì)粉土、⑥4a層粉砂。

1. 第⑤1T層頂距坑底最小處為0.7 m，該承壓水層最大厚度約1.5 m，且被地下連續(xù)墻隔斷，基坑收底時(shí)易形成較嚴(yán)重的滯水現(xiàn)象，采用泄壓井在坑內(nèi)泄壓。

2. 第⑥4a層在車站整體分布，取最不利位置進(jìn)行驗(yàn)算（靠近S5XZ2地質(zhì)鉆孔），小里程端頭井基坑底至承壓含水層頂板間土的層厚為16 m，⑤1a層4.983 m（重度1.96）、⑤1b層5.989 m（重度1.92）、⑤4a層5.019 m（重度1.91），經(jīng)計(jì)算土層加權(quán)平均重度為19.3，場(chǎng)地內(nèi)⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確?；影踩?，計(jì)算時(shí)采用+1.7 m進(jìn)行計(jì)算，地面標(biāo)高3.3 m，承壓含水層頂面標(biāo)高-31.15 m，則：

小里程端頭井開(kāi)挖深度約18.2 m，

Pcz =H·γs =16×19.3≈308.8 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+31.15）×10.0≈328.5 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=308.8/328.5 ≈0.94<1.10;

通過(guò)驗(yàn)算，在雅渡站小里程端頭井基坑開(kāi)挖過(guò)程可能存在突涌，為確保開(kāi)挖安全，需進(jìn)行降水。

3. 第⑥4a層在標(biāo)準(zhǔn)段基坑底至承壓含水層頂板間土的總層厚為13.9 m（參照S5XZ6地質(zhì)鉆孔），⑤1a層5.316 m（重度1.96）、⑤1b層7.201 m（重度1.92）、⑤4a層1.4 m（重度1.91），經(jīng)計(jì)算土層加權(quán)平均重度為19.3，場(chǎng)地內(nèi)⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確保基坑安全，計(jì)算時(shí)采用+1.7 m進(jìn)行計(jì)算，地面標(biāo)高3.3 m，承壓含水層頂面標(biāo)高-27.29 m，則：

小里程標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約16.3 m，

Pcz =H·γs=13.9×19.3≈268.27 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+27.29）×10.0≈289.9 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=268.27/289.9 ≈0.93<1.10;

通過(guò)驗(yàn)算，在雅渡站標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖過(guò)程可能存在突涌，為確保開(kāi)挖安全，需進(jìn)行降水。

4. 第⑥4a層在大里程端頭井基坑底至承壓含水層頂板間土的總層厚為16.3 m（靠近S5XZ17地質(zhì)鉆孔），⑤1a層7.883 m（重度1.96）、⑤1b層4.596 m（重度1.92）、⑤4a層3.78 m（重度1.91），經(jīng)計(jì)算土層加權(quán)平均重度為19.3，場(chǎng)地內(nèi)⑥4a層最淺水位在+1.7 m左右，為確?；影踩?，計(jì)算時(shí)采用+1.7 m進(jìn)行計(jì)算，地面標(biāo)高3.3 m，承壓含水層頂面標(biāo)高-31.1 m，則：

大里程標(biāo)準(zhǔn)段開(kāi)挖深度約17.7 m，

Pcz =H·γs =16.3×19.3≈314.59 KPa;

Pwy=γw·h=（1.7+31.1）×10.0≈328 KPa;

Fs =Pcz/Pwy=314.59/328 ≈0.96<1.10（有突涌可能性）;

通過(guò)驗(yàn)算，在雅渡站大里程端頭井基坑開(kāi)挖過(guò)程可能有突涌，為確保開(kāi)挖安全，需進(jìn)行降水。

（二）基坑安全穩(wěn)定性計(jì)算

1. 安全降深計(jì)算

取安全系數(shù)1.10進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算[2]。

主體基坑開(kāi)挖深度17.7 m時(shí)，

= / =1.10，

=×s//1.1 =（16.3×19.3）/10/1.1=28.6 m

S = - =32.8-28.6=4.2 m，

= - S =1.7-1.8=-2.5 m。

即車站開(kāi)挖到17.7m最大設(shè)計(jì)深度時(shí)，基坑水頭的最小降深為4.2 m（以承壓水水頭1.7 m計(jì)算），承壓水水位降至-2.5 m。

S—承壓水含水層水頭最小降深（m）

h—降水后承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離（m）

h—降水后承壓水水位（m）

H—承壓水最淺水位（m）

2. 安全開(kāi)挖臨界深度

取安全系數(shù)1.10，

Fs= Pcz/Pwy =1.10，

Pcz=360.8 Kpa;

（17.7-h）×19.3+314.59=360.8

h=15.3 m

h—開(kāi)挖臨界深度（m）

根據(jù)“按需降水”原則，當(dāng)基坑開(kāi)挖到15.3 m前20天開(kāi)始啟動(dòng)降水。為保證基坑施工安全，降水時(shí)間要結(jié)合情況減小到最小以對(duì)周邊環(huán)境的影響為最小，降水工程實(shí)際開(kāi)始時(shí)間需根據(jù)實(shí)際水位進(jìn)行計(jì)算，確定降水啟動(dòng)時(shí)間[3]。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

三、基坑降水設(shè)計(jì)

（一）泄壓性降水設(shè)計(jì)

為確保基坑順利開(kāi)挖，需泄壓⑤1T層中的地下水。布置泄壓井時(shí)，按單井有效降水面積的經(jīng)驗(yàn)值并結(jié)合基坑土層性質(zhì)、基坑尺寸、基坑平面形狀和位置確定，滿足基坑開(kāi)挖及施工要求，確?；邮┕ぐ踩?、順利進(jìn)行[4]。因⑤1T層承壓水呈局部分布，設(shè)置一口泄壓井，本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)已隔斷基坑內(nèi)外潛水的水力聯(lián)系，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)總涌水量可根據(jù)下式計(jì)算：

W：應(yīng)抽出的水體積（m3）

V：含水層體積（m3）

A：含水層面積（m2）

M：泄壓含水層厚度（m）

μ：含水層給水度（給水度經(jīng)驗(yàn)值為0.05～0.10）

根據(jù)此計(jì)算式對(duì)基坑進(jìn)行總泄壓水量計(jì)算如下：

⑤1T層含水層長(zhǎng)度為27 m、寬度為19.7 m，含水層最大厚度1.5 m，泄壓范圍內(nèi)均為給水度取0.05。

由此計(jì)算基坑需泄壓的總水量為：

=0.05×27×19.7×1.5≈40 m

根據(jù)長(zhǎng)期的降水經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本次降水井井結(jié)構(gòu)、地層情況，對(duì)于本工程基坑初始降水時(shí)最大單井涌水量為20.0～50 m/d，抽水量隨抽水天數(shù)增加逐漸減小，平均日單井涌水量約10.0 m/d。

則基坑單日總出水量分別為：

抽水天數(shù)=基坑總儲(chǔ)水量÷單日出水量，則基坑抽水天數(shù)計(jì)算如下：

=/=40/10≈4d

依據(jù)上面的井?dāng)?shù)計(jì)算，在本工程基坑內(nèi)共布置泄壓井1口。

（二）降壓性降水設(shè)計(jì)

第⑥4a層降壓設(shè)計(jì)，采用井點(diǎn)降低承壓水水頭能滿足基坑開(kāi)挖要求，保證基坑穩(wěn)定安全。承壓含水層平均厚度6 m左右。取滲透系數(shù)k=33，基坑總涌水量按地下連續(xù)墻未隔斷第⑥4a承壓含水層基坑內(nèi)外水力聯(lián)系進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算式如下：

式中：Q—基坑總涌水量;

k—含水層滲透系數(shù);

Sw—基坑水位最小安全降深（m）;

M—承壓含水層厚度（m）;

R—抽水影響半徑（m）;

r—基坑等效半徑（m）。

本工程降壓具體計(jì)算如下：

考慮到基坑開(kāi)挖安全，按最大水位降深=4.75 m，主體結(jié)構(gòu)基坑等效半徑r=1.10×（19.7+208）/4≈60 m，抽水影響半徑R=200 m，均質(zhì)含水層承壓水完整井基坑涌水量公式計(jì)算：

=2.73×33×6×4.75/lg（（200+60）/60）≈4031 m/d

單井涌水量計(jì)算

管井的單井出水能力可按下式進(jìn)行計(jì)算：

q=120πrlk（《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》7.3.11）

q——單井出水能力（m/d）

r——過(guò)濾器半徑（m）

l——過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（m）

k——含水層滲透系數(shù)（m/d）

可求得：q=120×3.14×0.1365×5×33≈800 m/d

降水井?dāng)?shù)量n=1.1Q/q≈5口

所以現(xiàn)場(chǎng)布置1口泄壓井5口降壓井，4口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?，降水井平面布置圖見(jiàn)圖3。

四、預(yù)估沉降計(jì)算

根據(jù)勘察報(bào)告提供的土層特質(zhì)（含水層埋深、厚度）建立⑥4a層基坑降水等值線模型，根據(jù)降水等值線模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，將計(jì)算區(qū)域邊界外擴(kuò)一定范圍，以消除邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響[5]。分局計(jì)算的平面范圍、地層特性、初始條件和邊界條件，同時(shí)考慮抽水井、觀測(cè)井在離散模型中的空間位置，對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行分析離散，建立三維計(jì)算數(shù)值模型。⑥4a層基坑降水等值線圖見(jiàn)圖4?；咏邓戎稻€圖見(jiàn)圖4。

圖4⑥4a層基坑降水等值線圖

通過(guò)理論計(jì)算分析，可以總結(jié)得到地面沉降因降水發(fā)生的變化規(guī)律。⑥4a層敞開(kāi)式減壓降水后，預(yù)估產(chǎn)生的地面沉降如圖5所示：

五、施工注意事項(xiàng)

（一）井位放樣

根據(jù)雅渡站降水井平面布置圖，使用全站儀或GPS確定井位位置，井位位置確定完畢后做好相應(yīng)標(biāo)記。當(dāng)?shù)孛嬗姓系K物影響降水井布設(shè)時(shí)，可做適當(dāng)調(diào)整降水井位置，確保降水井施工能安全有序進(jìn)行[6]。

（二）埋放護(hù)筒

為防止孔口坍塌，對(duì)空口應(yīng)采用護(hù)筒保護(hù)，同時(shí)對(duì)埋設(shè)護(hù)筒進(jìn)行外圍封堵護(hù)防止防止?jié){液外返，護(hù)筒的埋設(shè)高度不少于地面以上30 cm。

（三）鉆機(jī)就位

選用GPS-10型工程鉆機(jī)進(jìn)行成孔，鉆機(jī)安裝需平穩(wěn)牢固，鉆機(jī)大鉤對(duì)準(zhǔn)孔位中心，使轉(zhuǎn)盤、大鉤、井孔中心在一條直線上。

（四）鉆進(jìn)成孔

降水井直徑為?600 mm，開(kāi)孔時(shí)應(yīng)輕壓慢轉(zhuǎn)，以保證垂直度。鉆進(jìn)時(shí)一般采用自然造漿鉆進(jìn)，遇砂層較厚時(shí)，應(yīng)人工制備泥漿護(hù)壁，泥漿密度控制在1.10～1.15。當(dāng)提升鉆具和臨時(shí)鉆停時(shí)，孔內(nèi)應(yīng)壓滿泥漿，防止孔壁坍塌。鉆進(jìn)時(shí)按指定鉆孔、深度采取土樣，核對(duì)含水層深度、范圍及顆粒組成[7]。

（五）清孔換漿

清孔換漿是成井質(zhì)量的關(guān)鍵，直接影響成井質(zhì)量，首次清孔尤為重要。若清孔換漿沒(méi)有達(dá)到規(guī)定要求，則絕不能進(jìn)入下一工序。到達(dá)設(shè)計(jì)標(biāo)高后，提升鉆具至距孔底0.5 m處，采用泥漿泵清孔，直至孔內(nèi)沉淤小于0.2 m，清孔過(guò)程中將泥漿比重調(diào)至1.05左右。

（六）井管下放

濾水管外包2～3層尼龍網(wǎng)，下放井管使用直接提吊法?，F(xiàn)場(chǎng)使用管材應(yīng)進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)收，符合標(biāo)準(zhǔn)。下管時(shí)要保證井管居中，井管之間滿焊，且焊縫高度不小于8 mm，焊接完成后敲掉焊渣，焊接時(shí)應(yīng)保證焊縫均勻，飽滿，不對(duì)接口處鋼環(huán)造成破壞，應(yīng)安排專人進(jìn)行盯控，嚴(yán)格控制焊接質(zhì)量，焊接井管應(yīng)垂直且不透水。井管下放要一次性連續(xù)完成，避免中途孔內(nèi)坍塌、沉淀過(guò)厚等造成二次清孔。

（七）清孔及回填濾料

逐步稀釋井管內(nèi)泥漿，使泥漿密度稀釋到1.05～1.07。濾料沿井孔均勻填入，宜保持連續(xù)，將泥漿擠出井孔，填濾料時(shí)隨填隨測(cè)濾料填入高度，當(dāng)填入量與理論量不一致時(shí)，及時(shí)查找原因。不得用裝載機(jī)械直接灌入濾料，應(yīng)人工使用鐵鍬下料，以防下料不均勻和沖擊井壁，直至濾料下入指定位置。

（八）黏土封孔

濾料填至承壓含水層頂板上3 m～5 m后使用黏土球回填封孔，黏土球圍填長(zhǎng)度也不宜少于2 m。圍填前需將黏土搗碎，防止圍填出現(xiàn)“架橋”現(xiàn)象[8]。圍填以“少放慢下”為原則，嚴(yán)格控制下入數(shù)量及速度。

（九）洗井

洗井采用真空+活塞法。在井管內(nèi)鉆桿提出前，利用空壓機(jī)接鉆桿進(jìn)行抽水，至井管內(nèi)能出水后斷開(kāi)空壓機(jī)連接，提出鉆桿后用活塞進(jìn)行洗井?；钊笮∨c井管內(nèi)徑相差2～5 mm，洗井時(shí)把活塞從濾水管底部往上拉。若降水井出水量很少，可用活塞在井管過(guò)濾器處上下移動(dòng)，將孔壁泥皮沖出，直至活塞帶出水中泥砂含量很少后，再用空壓機(jī)抽水洗井，至水清澈且不含砂為止。

（十）管井試抽

將潛水泵下入井管內(nèi)，電纜鋪設(shè)、排水管道，排水和抽水系統(tǒng)安裝完后可進(jìn)行試抽水。抽排水系統(tǒng)及配套電纜在設(shè)置時(shí)要避免被挖機(jī)、吊車等碰撞、碾壓。

（十一）降水運(yùn)行

根據(jù)基坑分段開(kāi)挖和支撐的施工實(shí)際工況，提前開(kāi)啟降壓井的數(shù)量和井號(hào)。基坑外深井降水時(shí)，若承壓水頭降至設(shè)計(jì)水位要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)可適當(dāng)控制井點(diǎn)開(kāi)啟數(shù)從而控制承壓水頭的降幅，以減少由于基坑降水造成周邊沉降。

（十二）排水

洗井及降水運(yùn)行時(shí)排出的水，通過(guò)場(chǎng)地內(nèi)排水管道或明渠匯入沉淀池，達(dá)標(biāo)后排入市政管道中。

六、實(shí)施效果

在雅渡站基坑開(kāi)挖前20天，開(kāi)始運(yùn)行該站降水系統(tǒng)。當(dāng)基坑開(kāi)挖至地表以下4 m時(shí)，開(kāi)啟坑內(nèi)降水井進(jìn)行降水，待車站主體負(fù)一層側(cè)墻施工完成后，停止降水。降水過(guò)程中，土方開(kāi)挖和主體結(jié)構(gòu)施工順利，沒(méi)有發(fā)生險(xiǎn)情事故。

七、結(jié)語(yǔ)

臨近河流地段地鐵車站如果在承壓水埋深較淺的地段施工，降水施工的合理與否極為重要。此站正是通過(guò)抗突涌和基坑底穩(wěn)定性計(jì)算和預(yù)估沉降計(jì)算，才保證了施工中無(wú)降水原因而造成的事故。通過(guò)本工程的降水施工實(shí)例為后續(xù)臨河臨水地下工程降水施工提供有力的技術(shù)支持。

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通訊作者：李金昌，1987年3月，男，漢族，山東濟(jì)南人，就職于中鐵十四局集團(tuán)第四工程有限公司，工程師，本科。研究方向：土木工程。