基于透水性地層地鐵基坑地下水處理工法研究
——以福州地鐵建設(shè)工程為例

劉干典

(福州軌道交通設(shè)計(jì)院有限公司 福建福州 350009)

0 引言

截至2020年，福州地鐵已建或在建的地鐵車(chē)站近120座，其中大范圍遇到富水砂層、卵石層的明挖車(chē)站基坑項(xiàng)目達(dá)20多座。福州城區(qū)地形地貌變化大，內(nèi)河縱橫交錯(cuò)，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，靠近沿江河一帶的含水層富水性大、透水性強(qiáng)，水頭壓力大，基坑開(kāi)挖過(guò)程中易產(chǎn)生突涌、基坑地下水無(wú)法抽干等問(wèn)題。因此，受到行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的普遍關(guān)注。透水性地層的基坑工程出現(xiàn)的機(jī)率大、風(fēng)險(xiǎn)高。

受復(fù)雜的周邊環(huán)境及當(dāng)?shù)鼗咏邓┕に健⑹┕すに嚨纫蛩氐南拗?，基坑降水?wèn)題日益成為福州地鐵建設(shè)亟待解決的一個(gè)突出問(wèn)題。探索研究一種新型、科學(xué)、合理，適合于當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，符合地方施工水平和施工技術(shù)的地下水處理工法十分必要。

基此，本文結(jié)合福州地鐵工程實(shí)踐，通過(guò)試驗(yàn)分析透水性基坑地下水量，探析工法實(shí)施效果及其存在問(wèn)題，并基此提出透水性地層地鐵基坑地下水處理工法的優(yōu)化措施。

1 基坑地下水穩(wěn)定原理概述

地鐵基坑的地下水控制方法主要有截水和降水，具體應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文條件、基坑周邊環(huán)境要求及支護(hù)結(jié)構(gòu)形式等綜合確定。當(dāng)降水不會(huì)對(duì)基坑周邊環(huán)境造成損害，可優(yōu)先考慮采用基坑內(nèi)直接降水，否則采用截水。但無(wú)論采用何種處理方式，在方案研究階段，都應(yīng)深入分析地下水的穩(wěn)定問(wèn)題。

關(guān)于基坑地下水穩(wěn)定性問(wèn)題，主要有以下兩個(gè)：

(1)抗突涌穩(wěn)定，即坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層，未用截水帷幕隔斷其基坑內(nèi)外的水利聯(lián)系時(shí)，在承壓水作用下可能出現(xiàn)坑底突涌的現(xiàn)象。

抗突涌穩(wěn)定性分析原理可參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩(wěn)定性驗(yàn)算C.0.1。

(2)滲流穩(wěn)定，即懸掛式止水帷幕底端位于碎石層、卵石層、砂土或粉土等透水性地層時(shí)，由于基坑內(nèi)外水頭壓力差作用，坑底的涌水力使得砂土顆粒處于懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。

滲流穩(wěn)定性分析原理可參照《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩(wěn)定性驗(yàn)算C.0.2。

2 福州基坑地下水量分析

為可靠分析福州地鐵典型透水性地層的基坑開(kāi)挖出水量，從而為選擇直接降水或截水的方案提供基本依據(jù)，以福州地鐵4號(hào)線某一靠近烏龍江邊地鐵站基坑為例，給出降水試驗(yàn)及數(shù)值模擬的相關(guān)主要數(shù)據(jù)。

(1)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)抽水試驗(yàn)，驗(yàn)證在不進(jìn)行地下水處理的工況下，直接降水能否滿足基坑開(kāi)挖要求。

(2)單井抽水試驗(yàn)結(jié)果

抽水試驗(yàn)從2020年4月30日至5月20日，經(jīng)歷20d，共完成5組試驗(yàn)，抽取其中兩組典型試驗(yàn)結(jié)果。

①單井抽水，抽水時(shí)間從2020年4月30日下午13:15開(kāi)始，截止到5月1日下午，約22h。

該試驗(yàn)全過(guò)程配備了3口井，其中1口井抽水，其他兩口觀測(cè)，配備1臺(tái)QJ50-65-15深井潛水泵，揚(yáng)程65m，額定功率15kW，安裝水表1只。

經(jīng)試驗(yàn)得知，觀測(cè)井的水位埋深-時(shí)間變化曲線如圖1所示。

經(jīng)歷24h后，坑內(nèi)水位趨于穩(wěn)定，水位從初始5.60m下降到6.40m(降幅0.80m)，單井流量60～68m3/h。

②單井停抽恢復(fù)試驗(yàn)

降水井關(guān)閉抽水泵停抽后，通過(guò)觀測(cè)水位恢復(fù)情況，取得數(shù)據(jù)繪制曲線如圖2所示。

根據(jù)恢復(fù)試驗(yàn)，降水井停抽后，各觀測(cè)井水位快速回升，40min內(nèi)各井水位恢復(fù)100%。

(3)群井抽水試驗(yàn)結(jié)果

抽水時(shí)間從2020年5月15日13:35開(kāi)始，截止到5月17日15:35，約50h，其他施工參數(shù)類同單井試驗(yàn)。

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，群井抽水試驗(yàn)及群井停抽恢復(fù)試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 群井抽水時(shí)各觀測(cè)井水位埋深-時(shí)間變化曲線

群井抽水1h后水位趨于穩(wěn)定，抽水50h后，最終坑外水位從初始值5.60m下降到6.65m，降幅1.05m，單井平均流量67～80m3/h。

根據(jù)恢復(fù)試驗(yàn)，降水井停抽后，各觀測(cè)井水位快速回升，120min內(nèi)各井水位恢復(fù)100%，如圖4所示。

圖4 群井停抽時(shí)各觀測(cè)井水位埋深-時(shí)間變化曲線

(4)數(shù)值模擬分析

假設(shè)基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)，已揭穿坑底的<2-4-6>(含泥)粗中砂層，其下部的<3-8>層卵石層直接對(duì)其進(jìn)行水力補(bǔ)給，水位必須降至坑底以下1m。根據(jù)以上假設(shè)，坑內(nèi)地下水位需要降深為：安全水頭深-初始水位=18.31-5.60=12.71m。本試驗(yàn)運(yùn)用Visual MODFLOW 軟件，采用滲流數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，以整個(gè)基坑的東西南北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，模型尺寸400×1000m，四周均按定水頭邊界處理。

經(jīng)過(guò)模擬計(jì)算，基坑內(nèi)需布置32口降壓井，基坑外布置62口降壓井，坑外設(shè)置觀測(cè)兼應(yīng)急井，不間斷抽水10d后達(dá)降水深度，基坑的涌水量達(dá)96 248m3/d。模擬流場(chǎng)圖如圖5～圖6所示。

圖5 群井抽水10d后基坑水位埋深模擬流場(chǎng)圖

圖6 群井抽水10d后基坑水位降深模擬流場(chǎng)圖

(5)抽水試驗(yàn)及數(shù)值分析總體結(jié)論

①單井涌水量大、水位恢復(fù)極快。通過(guò)抽水試驗(yàn)，單井涌水量達(dá)1440m3/d(60m3/h)以上，屬極強(qiáng)富水性含水層；

②基坑總涌水量極大，直接降水風(fēng)險(xiǎn)極大，各井停抽后，水位在40～120min左右均恢復(fù)100%，水位恢復(fù)迅速；

③反演求得試驗(yàn)場(chǎng)地<2-4-6>粗中砂滲透系數(shù)kh=63.3m/d、kv=34.3m/d，<3-8>卵石滲透系數(shù)kh=117.4m/d、kv=45.5m/d，地層滲透系數(shù)極大；

④現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)配置絕對(duì)可靠的電源自動(dòng)切換系統(tǒng)。否則一旦停電，水位將在1～2h內(nèi)迅速回升，基坑即處于十分危險(xiǎn)狀態(tài)，工程風(fēng)險(xiǎn)極高。

綜上試驗(yàn)可知，同類地質(zhì)條件下的基坑地下水采用直接抽排降水的實(shí)施難度很大，地下水預(yù)先處理是必要的。

3 工法實(shí)施效果

針對(duì)上述基坑施工遇到的地下水問(wèn)題，經(jīng)過(guò)反復(fù)研究探索，多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和專家論證，總結(jié)出了以下具備較強(qiáng)操作性的地下連續(xù)墻落底和坑底水平封底加固的處理方案。其工法原理簡(jiǎn)述如下：

地下連續(xù)墻落底，即在滿足支護(hù)結(jié)構(gòu)變型和承載力、基坑整體穩(wěn)定性的前提下，通過(guò)延長(zhǎng)地下連續(xù)墻長(zhǎng)度，隔斷坑底以下砂層、卵石層等透水性強(qiáng)地層，是解決基坑截水問(wèn)題的一種施工工法。

坑底水平封底加固，即為解決基坑抗突涌隔水層深度或厚度不足，或減緩地下水滲流速度而在基底以下某一深度人為設(shè)置一隔水層，是可以使得坑底滿足承壓水抗突涌穩(wěn)定性要求的一種地基加固工法。

不過(guò)，工法實(shí)施過(guò)程仍存在一些亟待優(yōu)化的問(wèn)題。

(1)地下墻落底

截至目前，福州地鐵采用地下連續(xù)墻落底的基坑有4～5座。從實(shí)施的止水效果來(lái)說(shuō)，基本達(dá)到預(yù)期效果，但多座車(chē)站基坑在施工過(guò)程中仍然發(fā)生坑底涌水涌砂、地下墻縫墻縫漏水等工程問(wèn)題。

以5號(hào)線倉(cāng)山片區(qū)某站為例，根據(jù)勘察報(bào)告，基坑開(kāi)挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中砂<2-5>、中砂<3-3>及卵石<4-8>，滲透系數(shù)達(dá)30～50m/d。為解決基坑開(kāi)挖降水問(wèn)題，采用了地下連續(xù)墻落底隔斷卵石層的方案，地下連續(xù)墻長(zhǎng)度達(dá)65m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖如圖7所示。

圖7 5號(hào)線倉(cāng)山片區(qū)某站圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖

該基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)小里程端圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用了地下連續(xù)墻落底的方案，在小里程第二段底板開(kāi)挖到底時(shí)，坑內(nèi)減壓井外壁發(fā)生坑底涌水涌砂，大量粉細(xì)砂流失，地下連續(xù)墻底被掏空，導(dǎo)致基坑中部分隔墻附近的冠梁局部45°剪切破壞開(kāi)裂。

根據(jù)調(diào)查分析可知，該基坑產(chǎn)生涌水涌砂的原因有以下有幾種：

①基坑底以下地下墻接縫和墻腳開(kāi)叉嚴(yán)重，內(nèi)外水力聯(lián)系未有效隔斷；

②地下連續(xù)墻工字鋼接頭施工質(zhì)量不合格，接縫處可能存在夾泥，在承壓水作用下成為滲漏水通道；

③在坑內(nèi)的(含疏干井、承壓井)降水井質(zhì)量不合格，井內(nèi)濾層或井壁未做好導(dǎo)致泥土、砂流失，抽水失效。

(2)坑底水平封底加固

截至目前，福州地鐵采用坑底水平封底加固的基坑有6～7座。從基坑抗突涌穩(wěn)定性的角度來(lái)說(shuō)，基本達(dá)到預(yù)期效果，但個(gè)別基坑出現(xiàn)了坑底管涌、降水井壁外側(cè)涌水涌砂等工程問(wèn)題。

以4號(hào)線臺(tái)江片區(qū)某站為例，根據(jù)勘察報(bào)告，基坑開(kāi)挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中細(xì)砂<2-4-6>、粉細(xì)砂<3-2>及卵石<3-8>，滲透系數(shù)達(dá)28～30m/d。為解決基坑開(kāi)挖降水問(wèn)題，采用了坑底以下14m深處超高壓旋噴樁水平封底滿堂加固的處理方案，加固厚度4m，布置規(guī)格為φ1100@750×750。圍護(hù)結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖如圖8所示。

圖8 4號(hào)線臺(tái)江片區(qū)某站圍護(hù)結(jié)構(gòu)剖面圖

在大里程端頭井基坑開(kāi)挖到坑底時(shí)，個(gè)別部位發(fā)生涌水涌砂，坑內(nèi)減壓井外壁發(fā)生坑底涌水涌砂等工程問(wèn)題。根據(jù)調(diào)查分析可知，該基坑發(fā)生涌水涌砂的可能原因有以下兩種：

① 坑內(nèi)的降水井質(zhì)量不合格，井內(nèi)濾層或井壁遭到破壞，導(dǎo)致泥土、砂流失，抽水失效。

② 超高壓旋噴樁加固質(zhì)量未達(dá)預(yù)期效果，局部存在“天窗”，在承壓水的作用下產(chǎn)生涌水涌砂。

4 優(yōu)化措施

實(shí)踐可知，無(wú)論是采用地下連續(xù)墻落底，還是坑底水平封底的地下水處理方案，從理論上來(lái)說(shuō)都是科學(xué)合理的，但受限于施工機(jī)械、施工工藝、施工水平及施工管理等具體操作層面的限制，往往在某些環(huán)節(jié)還存在不足?；?，針對(duì)以上工法存在的問(wèn)題，提出以下建議：

(1)對(duì)于地下連續(xù)墻落底方案，因地下連續(xù)墻長(zhǎng)度一般較長(zhǎng)，受限于與施工工藝及水平的限制，深層的地下墻接縫夾泥和墻腳開(kāi)叉現(xiàn)象十分嚴(yán)重。因此，建議通過(guò)地下連續(xù)墻垂直度限制、基坑開(kāi)挖前檢測(cè)地下連續(xù)墻接縫是否夾泥等控制手段，提前采取補(bǔ)救措施，以避免墻縫滲漏的風(fēng)險(xiǎn)。這種檢測(cè)方法準(zhǔn)確有效、操作方便，且成本不高。

(2)坑底水平封底加固的設(shè)計(jì)，意圖是采用高質(zhì)量的超高壓旋噴樁滿堂加固封底，以形成完整的隔水層，隔斷上下層的水力聯(lián)系，但若加固體樁間搭接長(zhǎng)度不夠，或搭接方式不對(duì)，容易導(dǎo)致局部未能等到有效加固即已進(jìn)水。隔水效果將大打折扣。因此，建議封底加固規(guī)定采用梅花型布置，增大樁間搭接長(zhǎng)度，并制定嚴(yán)格的試樁試驗(yàn)，確定可靠的施工參數(shù)后再正式實(shí)施。

(3)對(duì)于水平封底加固方案，即使加固體本身質(zhì)量合格，但在施工降水井過(guò)程，因降水井井壁穿透加固層導(dǎo)致原加固體遭到破壞，從而導(dǎo)致水平封底加固體的抗承壓能力減弱引起涌水涌砂。因此，建議在明確坑內(nèi)的疏干井不超過(guò)加固體頂面前提下，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在基坑外設(shè)置承壓井。

(4)無(wú)論是對(duì)地下連續(xù)墻落底或基坑封底加固方案，均應(yīng)在坑內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的疏干井，以作為墻縫漏水、封底失效的第二道防線。另外，建議在基坑開(kāi)挖之前，提前進(jìn)行預(yù)抽水試驗(yàn)，以便驗(yàn)證圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果，若效果不佳，可提前采取補(bǔ)救措施。

5 結(jié)語(yǔ)

本文全面分析了基坑地下水穩(wěn)定性原理，以及基坑抽水遇到的現(xiàn)實(shí)難題，論證了地下水處理的必要性，提出地下連續(xù)墻落底和坑底水平封底的地下水處理工法，解決了福州地鐵基坑降水遇到的棘手難題。但工法確定依據(jù)不足、論證不充分、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、施工工藝和水平差異大等問(wèn)題依然較為突出，其高昂的工程造價(jià)也是建設(shè)方頭疼的難題。以上問(wèn)題還需在日后的實(shí)踐中逐步解決。