成都某地鐵車站基坑降排水方案及監(jiān)測研究

李 姝，楊紹平，閆宗平，張子晗

(1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 611231；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

隨著城市的發(fā)展，城市居民對出行便利的需求正在不斷上升。根據(jù)成都市軌道交通規(guī)劃，截至2022年成都市地鐵開通運(yùn)營將達(dá)到600 km以上，成都市軌道交通遠(yuǎn)期規(guī)劃34條線路總長1 765 km。根據(jù)以往城市地鐵建造經(jīng)驗，車站深基坑工程為城市中地鐵施工的難點(diǎn)和重點(diǎn)。

開展地鐵車站施工作業(yè)時，對基坑自身變形及周圍環(huán)境的監(jiān)控量測，是施工過程安全控制的主要手段。成都地區(qū)主要為砂卵石地層，地下水位較豐富。在車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工及基坑開挖前，通常需將地下水位降至基坑底面以下0.5～1 m。本文詳細(xì)介紹了成都市某地鐵車站基坑降水及降水過程中的監(jiān)測方案，以對成都地區(qū)類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

1.1 車站概況

成都市某地鐵站為地下三層15.6 m島式站臺明挖車站，車站總長222.5 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度27.0 m，有效站臺長度186 m，頂板覆土約為3.2～5.2 m，底板埋深約31.5～33.0 m。車站采用雙柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，基坑深度32.2～34.5 m，基坑安全保護(hù)等級為一級。車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡土釘墻+鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐，車站放坡開挖高度11 m，圍護(hù)樁深度11～31 m，明挖法施工。

1.2 地質(zhì)與水文條件

該車站范圍內(nèi)自上而下地層分布為人工填土、第四系中更新統(tǒng)冰水沉積、沖積層黏土、粉細(xì)砂及卵石層，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組泥巖。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，工程場地內(nèi)按地下水賦存條件，沿線地下水主要有三種類型：一是賦存于填土里的上層滯水，二是第四系孔隙水，三是基巖裂隙水。其中，第四系孔隙水為車站開挖主要地下水類型，賦存于第四系中更新統(tǒng)的砂、卵礫石中，水量較豐富，為孔隙潛水，部分地段由于地形和上覆黏性土層控制，具微承壓性，車站地下水位埋深一般7.5～22.6 m，水位變化幅度較大，含水層有效厚度約為20～25 m。根據(jù)勘察資料顯示，該層砂、卵石綜合含水層滲透系數(shù)K約為18～25 m/d，為強(qiáng)透水層，水量豐富；下伏白堊系泥巖基巖的滲透系數(shù)K為0.025～2.01 m/d，平均為0.44 m/d，屬弱-中等透水層。

1.3 基坑支護(hù)方案

綜合考慮周邊環(huán)境條件、工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、基坑特點(diǎn)、施工工期、施工技術(shù)及工程造價等因素，根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)計算及類比既有工程經(jīng)驗，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用放坡土釘墻+鉆孔灌注樁支護(hù)。圍護(hù)樁采用Φ1 200旋挖樁，標(biāo)準(zhǔn)段間距按2 400 mm，小里程端頭井段間距按2 000 mm，大里程端頭井(換乘節(jié)點(diǎn)段)間距按1 800 mm，在盾構(gòu)井盾構(gòu)洞門處采用Φ1 500@1 800 mm玻璃纖維筋旋挖樁。

車站分兩級放坡至約地下一層標(biāo)高位置，放坡高度11.1 m，打設(shè)Φ48直徑注漿型鋼花管，豎向間距 1.5 m，水平間距2 m，坡頂5 m范圍內(nèi)采用100 mm厚C20素混凝土硬化，坡面噴射150 mm厚C20混凝土，設(shè)置Φ10@200 mm×200 mm鋼筋網(wǎng)片。圍護(hù)樁間采用掛網(wǎng)噴射混凝土，鋼筋網(wǎng)規(guī)格為Φ8@200 mm×200 mm(盾構(gòu)洞門位置采用玻璃纖維筋)，噴射C20混凝土厚150 mm。圍護(hù)樁和鋼筋網(wǎng)之間應(yīng)保證可靠連接。車站豎向設(shè)置三道支撐，第一道支撐除大里程端頭井段采用800 mm×1 000 mm鋼筋混凝土支撐外，其余第一、二道支撐采用Φ800(t=16 mm)鋼管支撐；第三道支撐采用Φ609(t=16 mm)的鋼管支撐?；又ёo(hù)標(biāo)準(zhǔn)斷面支護(hù)分別見圖1。

圖1 基坑開挖支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)斷面示意

2 基坑降水方案

2.1 降水方式

結(jié)合本車站基坑的特殊性以及周邊類似基坑施工經(jīng)驗，基坑降水工程擬采用坑外井管降水及排水溝+坑內(nèi)明排的方式。

(1)在基坑四周設(shè)置降水井進(jìn)行坑外降水；

(2)隨著基坑開挖在基坑內(nèi)處設(shè)置排水溝和集水坑進(jìn)行明溝排水。

2.2 井管降水計算

2.2.1 基本參數(shù)

根據(jù)勘察報告，車站開挖主要地下水類型，賦存于第四系中更新統(tǒng)的砂、卵礫石中，滲透系數(shù)K=25 m/d。由于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化泥巖的滲透系數(shù)K為0.44 m/d，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他地質(zhì)結(jié)構(gòu)層的滲透系數(shù)，故將該層可視為不透水層，含水層厚度25 m。

降水井影響半徑可按下列公式計算[1]：

式中，R為降水影響半徑，m；S為基坑水位降深，m；K為滲透系數(shù)，m/d，取值10 m/d；H為抽水前含水層厚度，m。

由于本工程基坑底位于含水層下的不透水層，因此水位降深等于含水層厚度。經(jīng)計算降水井影響半徑R為790.57 m。

2.2.2 降水井深度計算

降水井的深度可按下式計算[1]：

HW=HW1+HW2+HW3+HW4

式中，HW為降水井深度，m；HW1為自地面算起至設(shè)計要求的動水位間的深度，m，取9.5 m；HW2=ir0，i為水力坡度，取值1/10，r0為降水井分布范圍的等效半徑或降水管井排間距的1/2；HW3為從HW2以下算起至最下部過濾器底端的長度，m，取2.5 m；HW4為沉淀管長度，取2.5 m。

經(jīng)上述公式計算可知降水井計算深度為 20.4 m。由于現(xiàn)有規(guī)范中計算模型與本工程實際情況不一致，根據(jù)地質(zhì)詳勘資料及施工圖紙，部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)含水層較小，降水井過大埋深無法起到降水作用，結(jié)合現(xiàn)場情況將井底設(shè)置在含水層以下5 m的位置，最大限度降低基坑中部最不利位置的潛水，同時加強(qiáng)基坑內(nèi)明排。故取降水深度為25 m。

2.2.3 基坑涌水量計算

因本工程含水層厚度較小，基坑開挖深度大于含水層厚度，降水模型按照潛水完整井進(jìn)行計算[1]，模型如圖2所示。

圖2 降水井計算模型示意

從圖2中可以看出，位于降水漏斗線以下，不透水層以上部位含水層中的地下水無法利用降水井抽排，因此基坑開挖時，必須加強(qiáng)基坑內(nèi)明排措施。在雨季施工時，應(yīng)準(zhǔn)備一定量的抽水設(shè)備及時排水，確保工程的安全和設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，保證基坑開挖順利進(jìn)行。

基坑內(nèi)總涌水量可按下式計算：

式中，Q為基坑總涌水量，m3/d；K為含水層滲透系數(shù)，m/d；H為潛水含水層厚度，m；Sd為基坑地下水位的設(shè)計降深，m，取基坑底以下1 m；R為降水影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m。

2.2.4 管井出水量計算

降水井單井出水能力下式計算[2]：

式中，q為單井出水能力，m3/d；r為過濾器半徑取0.2 m；l為過濾器進(jìn)水部分長度，m，取2.5 m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d，取10 m/d。

由上式計算，本工程管井出水量取405.8 m3/d。根據(jù)周邊類似經(jīng)驗，實際單井出水量約為理論計算值的50%，故綜合考慮各方面因素單，井出水量為q=202.9 m3/d。

2.2.5 降水井?dāng)?shù)量計算

降水井?dāng)?shù)量按n=1.1×Q/q計算取整得n=34。根據(jù)計算結(jié)果，并結(jié)合工程經(jīng)驗，本次降水井沿車站兩側(cè)縱向呈梅花型布置兩排，井距為18 m，降水井布置在基坑一級馬道位置處，可根據(jù)現(xiàn)場實際情況進(jìn)行微調(diào)，并錯開管線、周邊建筑物等。

2.2.6 水泵選型

根據(jù)單井出水量、井深、及水泵每天運(yùn)行時間(按20 h計算)，進(jìn)行水泵選型：q=405.8/20=20.29 m3/h，選用 QS25-44型潛水泵，流量25 m3/h，揚(yáng)程44 m，電機(jī)功率5.5 kW。

2.3 井管結(jié)構(gòu)要求

(1)井口。井口高于周邊地面0.3 m，以防止周圍污水滲入井內(nèi)。

(2)井壁管。選用內(nèi)徑300 mm，外徑360 mm鋼筋混凝土井管，每節(jié)長度 2.5 m。

(3)濾水管。濾水管采用內(nèi)徑300 mm，外徑360 mm 的鋼筋混凝土濾水管，濾水管外包兩層60目尼龍濾網(wǎng)。

(4)沉砂管。沉砂管設(shè)在濾水管底部，直徑與濾水管相同，長度為2.5 m。

(5)填濾料。濾水管周圍填磨圓度較好的直徑8～10 mm的圓礫石。

(6)填素土封孔。為防止抽潛水引起的地面沉降，在濾料填至井口下1 m左右時用黏性土填實夯平，并做好井口管外的封閉工作。

3 基坑排水方案

3.1 地面排水

地面排水系統(tǒng)主要采用地面橫坡排水及擋水坎截水相結(jié)合的方案。排水溝用于承接基坑抽排水及攔截地面雨水，排入三級沉降池內(nèi)沉淀，經(jīng)過沉淀池后，排入就近市政雨污水管網(wǎng)。擋水坎及排水溝布置及尺寸如圖3所示。

圖3 地面排水系統(tǒng)示意(單位：mm)

3.2 支護(hù)面坡體內(nèi)排水

在放坡支護(hù)面用鉆機(jī)鉆出不小于Φ40的孔，插入長度為2 m的Φ40PVC排水管，間距3 000 mm×3 000 mm梅花形布置，PVC管采用土工布進(jìn)行包裹，并用碎石填充排水管和孔之間的縫隙。施工過程中需經(jīng)常檢查泄水孔是否堵塞，以保持泄水孔通暢。

3.3 坑內(nèi)明溝排水

考慮基坑開挖過程中大氣降雨，需在開挖面附近設(shè)置8個臨時集水井，將場內(nèi)降水抽排至圍擋內(nèi)的排水溝通過三級沉淀池排入市政管網(wǎng)。臨時集水井尺寸為0.8 m×0.8 m×0.8 m(長×寬×深)，根據(jù)現(xiàn)場具體開挖情況設(shè)置，間距為32 m。

4 降水期間監(jiān)測方案

4.1 監(jiān)測項目及測點(diǎn)布置

地鐵車站降排水施工期間需進(jìn)行監(jiān)測的主要項目有：地面沉降、地下水位變化、周邊建筑物位移、沉降、周邊管線位移及沉降等[3]。測點(diǎn)布置示意如圖4所示。

圖4 降排水施工期監(jiān)測點(diǎn)布置示意

4.2 監(jiān)測方法

本車站監(jiān)測所采用的儀器、頻率及相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 監(jiān)測項目及頻率

5 結(jié) 語

為確?；娱_挖中的穩(wěn)定性和作業(yè)要求，通常要求開挖前將地下水位下降至基坑底以下一定范圍?；铀坏淖兓?，將引起基坑周圍一定范圍內(nèi)的地下水位變化以及應(yīng)力場的改變，從而誘發(fā)周圍土體的變形和地表的附加沉降，對基坑及其周圍建筑物等造成不利影響，甚至出現(xiàn)基坑坍塌、周圍構(gòu)筑物倒塌、地下管線破裂等工程事故[4]。因此，想要防止基坑降排水施工中出現(xiàn)工程問題，就應(yīng)該高度重視對工地及周邊地區(qū)的勘探測量和資料收集的工作，以制定出真正切實可行的降排水方案，并進(jìn)行系統(tǒng)地比較分析，然后選擇最優(yōu)降水方案，同時加強(qiáng)基坑降水過程中對周圍環(huán)境的監(jiān)測，防止其對工程環(huán)境產(chǎn)生不良影響。