張穆童

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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地鐵基坑降水設(shè)計思路及方法探討

張穆童

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

Discussion on the Design Idea and Method of the Foundation Pit Dewatering of the Subway Station

ZHANG Mutong

摘要對地鐵基坑內(nèi)降水的施工技術(shù)進(jìn)行研究，分析地鐵基坑降水施工過程中可能出現(xiàn)的問題及改善方法。降水施工期間要加強對基坑內(nèi)、外地下水的監(jiān)測，避免“內(nèi)抽外補”的水力聯(lián)系。應(yīng)加強基坑全過程的降水控制，可以避免基坑“落底”后基底的“橡皮土”現(xiàn)象，提高土體承載力，確?；邮┕ぐ踩?。

關(guān)鍵詞地鐵基坑降水土體強度工程工期

1概述

地鐵明挖基坑多為深基坑結(jié)構(gòu)，在深基坑設(shè)計、施工過程中，除要對基坑內(nèi)力、變形、穩(wěn)定性等進(jìn)行控制外，地下水的降、排及水位監(jiān)測也成為制約項目正常開展的主要因素，也是影響施工安全的重要隱患。在地鐵修建過程中，由于基坑降水處理不當(dāng)而引發(fā)的施工安全事故數(shù)量非常多，不僅給社會經(jīng)濟(jì)帶來了不利的影響，也延長了項目的施工周期。如何能夠有效地避免地鐵基坑降水問題成為地鐵施工項目中的重點研究內(nèi)容。

目前為止，我國地鐵基坑降水多指基坑內(nèi)降水，大面積區(qū)域性的坑外降水雖然能降低水頭壓力，但對地下水位及周邊環(huán)境影響較大，適用范圍受限。結(jié)合基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)形式，止水型基坑多采用樁+旋噴樁、地下連續(xù)墻、咬合樁、SMW等支護(hù)形式[3]，將基坑圍合成封閉結(jié)構(gòu)。在基坑開挖前對基坑圍合范圍內(nèi)的地下水進(jìn)行排除，降低坑內(nèi)土體含水量，提高坑內(nèi)土體強度，方便挖掘機和工人在坑內(nèi)施工作業(yè)；同時，將地下水位降至安全水位以下，增加基坑底板穩(wěn)定性，確保基坑施工安全。地鐵深基坑施工過程中如果能夠合理、有效地控制地下水的降排，可為施工質(zhì)量、工程周期、安全風(fēng)險防范提供可靠的保障。

2基坑降水技術(shù)的要點分析

2.1不同地質(zhì)條件下降排水方案的選擇

降水設(shè)計前，需結(jié)合地質(zhì)勘察報告，根據(jù)地層信息及地下水情況對降、排水方案進(jìn)行選擇。對于基坑開挖范圍內(nèi)多以透水性差的黏性土或完整性較好的巖石為主的情況，雖然地下水位較高，但水量一般不會很大，多為淺層填土范圍內(nèi)的一些上層滯水，在基坑開挖過程中采用明溝排除的方式即可。對于基坑開挖范圍內(nèi)多以透水性好的砂性土或碎裂風(fēng)化巖破碎帶為主，且地下水位較高，涌水量較大的情況，要采用基坑內(nèi)井點降水，且增加降水井?dāng)?shù)量；同時，對于透水性較強，內(nèi)、外水力聯(lián)系明顯的基坑，需做好有效的止水措施，隔斷基坑內(nèi)地下水補給。對于基坑開挖范圍內(nèi)多以透水性中等(含水量較大，滲透系數(shù)介于黏性土與砂性土之間，土體內(nèi)含水不易排出)的粉土、粉砂為主的情況，應(yīng)該延長降水時間，采用大口徑降水井，特別是要加強在基坑開挖過程中對降水井的保護(hù)，確保降水工作能夠伴隨基坑開挖的整個過程。

2.2典型含水基坑特征分析及處理對策

地下水主要存在于透水性中—強的土層中，國內(nèi)地鐵基坑中第四系土層中主要的含水層包括粉土、砂性土、淤泥質(zhì)土等飽水地層，往往透水層間還局部夾雜黏性土隔水層。隔水層的密閉性，使層間透水層含水具有一定承壓性，或砂性土與黏性土互成透鏡體，基底以下砂性土夾層，易產(chǎn)生坑底突涌現(xiàn)象[6]。如果基坑止水效果不佳，局部或多點產(chǎn)生滲漏，造成坑外地下水土流失，引起坑外地表過大沉降，會對周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

根據(jù)以上基坑工程地下水情況特征，為方便基坑開挖，提高坑底及臨時邊坡的穩(wěn)定性，在基坑內(nèi)設(shè)置降水井，對開挖范圍內(nèi)土體進(jìn)行有效疏干。對不同地層的滲透系數(shù)與涌水量進(jìn)行分析，加密或加深降水井，提高降水效率。對圍護(hù)結(jié)構(gòu)未能隔斷基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系的情況，按懸掛式止水帷幕處理，設(shè)計時采用數(shù)值法進(jìn)行分析，計算出該類工況下的地下水滲流特征，并對側(cè)壁、基底滲漏或涌水嚴(yán)重地段進(jìn)行封堵。將降水施工作為一項動態(tài)施工過程，實時監(jiān)測，實時反饋，對基坑內(nèi)、外地下水進(jìn)行有效控制。

2.3施工要點

地鐵施工過程中，基坑降水成孔時首先要充分考慮地鐵基坑降水施工的環(huán)境特點，提前分析在施工過程中可能會出現(xiàn)的一些問題。為了能夠保障基坑降水的正常進(jìn)行，要選擇合適的挖鉆機，同時要考慮基坑降水井的鉆孔施工過程會受到沉淀物沉積的影響，所以要保證實際建設(shè)的基坑降水井的深度要略大于設(shè)計深度。清孔時，首先要對基坑降水管道做清孔操作，然后再將降水井管放入到基坑中。在完成整個操作過程后，一般使用清水進(jìn)行置換，然后再使用相關(guān)的泵將泥漿等物質(zhì)抽出，最后進(jìn)行下井管的操作。下井管操作完成后，就要進(jìn)行基坑降水施工的填濾料操作，一般將濾料填至大約到地鐵基坑降水井井口下方1 m左右的位置，然后在濾料的上部用黏土進(jìn)行夯實[4]，最后進(jìn)行洗井處理。

3基坑降水方案的設(shè)計

3.1降水方法

為了保障基坑降水的施工質(zhì)量，在進(jìn)行降水方法設(shè)定時一定要結(jié)合施工現(xiàn)場的地質(zhì)條件，同時將電滲、輕型和管井等降水方式進(jìn)行對比分析[5]，選擇最為合理的降水方法。在選擇降水方法時，一定要把握好降水方式對圍護(hù)結(jié)構(gòu)以及基坑開挖的影響。本文主要分析管井工法，因為這種方法適用范圍廣、降深范圍大[1]。

通常地鐵基坑采用封閉式管井降水，以確保降水效果。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)施工后，結(jié)構(gòu)荷載滿足基坑抗?jié)B流穩(wěn)定驗算時可停止抽降；降水井隨主體結(jié)構(gòu)底板的施工逐漸廢除，并進(jìn)行封堵處理。若主體結(jié)構(gòu)兩端設(shè)注漿加固區(qū)，應(yīng)先進(jìn)行注漿加固，后施工加固區(qū)降水井。為了及時了解地下水情況及降水實施效果，在基坑外側(cè)布置水位觀測孔，根據(jù)觀測孔的地下水位，及時調(diào)整泵型泵量，以確保良好的降水效果。同時，施工期間應(yīng)對管線滲漏水及時疏導(dǎo)，加強監(jiān)測。

3.2降水設(shè)計參數(shù)的確定

根據(jù)地質(zhì)資料、圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型以及基坑開挖深度等資料，對于基坑開挖范圍內(nèi)主要為黏性土，土體中含水主要為上層滯水的情況，采用明溝排水的降水方式。對可能引起突涌的下部承壓水或含水砂性土情況，采用管井降壓疏干的方式治理。

在設(shè)計過程中首先根據(jù)基坑內(nèi)土層性質(zhì)及土體體積，計算出總體涌水量。根據(jù)降水井成井工藝、濾管及濾料等因素影響，確定設(shè)計單井出水能力，然后推算出降水井眼數(shù)，并均勻布置于基坑長度范圍。降水井的深度應(yīng)根據(jù)降水深度、含水層的埋藏分布、地下水類型，降水井的設(shè)備條件以及降水期間的地下水位動態(tài)等因素確定。

3.3施工注意事項

首先，降水井位施放時必須詳細(xì)調(diào)查核實場區(qū)地下管線分布情況，當(dāng)無法確定時可采用人工開孔的方法，當(dāng)確認(rèn)地下無各種管線后方可施工。為避開各種障礙物，降水井間距可作局部調(diào)整，且降水井總量不得減少。對于明挖基坑施工，應(yīng)先施工支護(hù)結(jié)構(gòu)后施工降水井，建議采用反循環(huán)成井，當(dāng)采用其它成井方式時，必須保證洗井效果。施工時要確保濾層填料的粒徑與級配，同時井管外還要用尼龍網(wǎng)包裹好，避免泥沙進(jìn)入井管形成堵塞。

原則上在基坑開挖前需將坑內(nèi)的積水及時排除或降至基底以下0.5～1.0 m，確保施工過程中基坑底部的干燥，保證基坑底部的強度和穩(wěn)定性不受積水的破壞。為了達(dá)到這個目的，除在基坑開挖前應(yīng)該做好降、排水系統(tǒng)外，并且要保證降、排水施工伴隨整個基坑開挖乃至土建全過程；這就要求在基坑開挖過程中做好對降水井的保護(hù)。坑內(nèi)降水井可采用兩類降水井，一類降水井為全孔濾管的疏干井，管材采用無砂混凝土管，隨開挖深度的增加逐步拆除，不影響開挖作業(yè)，基坑開挖至設(shè)計高程后即可封井；另一類降水井需要在基坑底板施工完后繼續(xù)抽水，開挖過程中需要保留，管材采用鋼管，在基坑底板附近設(shè)置實管，便于后期封井。

4常見基坑降水施工問題及預(yù)防措施

4.1降水不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求

在基坑降水的施工過程中，很容易出現(xiàn)降水后的水位仍然不能滿足基底下1 m要求的情況。之所以出現(xiàn)這種情況，主要原因有兩點，一點是降水井的濾料質(zhì)量不過關(guān)，洗井質(zhì)量沒有達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，導(dǎo)致降水工作出現(xiàn)問題；另外一點是降水井的深度沒有達(dá)到要求。

為了避免這種問題的發(fā)生，在選擇濾料時，一定要進(jìn)行篩選，濾料粒徑不能大于50 mm。在進(jìn)行濾料填充前，要對所篩選的濾料碎石進(jìn)行清洗，嚴(yán)格按照設(shè)計方案對濾料回填的時間以及高度進(jìn)行控制。為了保障洗井的質(zhì)量，可以采取活塞往復(fù)洗井的方式，這種方法可以有效的將孔內(nèi)沉渣清理出來。最后再利用水泵進(jìn)行抽水工作，同時觀察井管的出水量及排水情況。降水井的施工工作完成后，一定要有專人進(jìn)行測量，保證井深滿足相關(guān)設(shè)計要求。

4.2坑外側(cè)壁水頭壓力大

在基坑開挖范圍內(nèi)多為透水性好的砂性土?xí)r，往往會遇到圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壁水頭壓力大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏水嚴(yán)重的情況。這種情況發(fā)生時，應(yīng)對滲漏區(qū)采用雙漿液、旋噴樁等方式進(jìn)行封堵[12]。由于土層透水性好，滲漏水嚴(yán)重，給封堵施工造成一定難度。同時，封堵后會加大側(cè)壁水頭壓力，若圍護(hù)結(jié)構(gòu)強度、剛度儲備不夠時，在側(cè)壁壓力作用下會增大圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力，給基坑的穩(wěn)定性造成隱患[8-9]。

對于這種情況，建議在基坑外圍布置一圈備用井，以備封堵滲漏時，適當(dāng)使用坑外降水井泄壓[7]；但要注意環(huán)境條件是否允許，同時加強對周邊地表沉降及建(構(gòu))筑物變形的監(jiān)測，因為坑外水土流失會改變土體物理力學(xué)性質(zhì)，特別是帶有濕陷性或膨脹性的土體，失水后孔隙水壓力減小，土體重新固結(jié)，有效應(yīng)力增加，易造成基坑周邊土體的變形或沉降[2]、[11]。待滲漏處封堵后即停止坑外抽水，若外部地表沉降較大，必要時對坑外備用井進(jìn)行回灌。

4.3基底浸水

有些地鐵基坑在開挖至基底時，由于基底土層含水量大或滲透性好，止水措施未能完全隔斷水源補給，在基坑內(nèi)外水頭差作用下，基底“回水”速度快，造成土體含水后泥濘或呈“橡皮土”狀，影響機械開挖和底板施做。這種現(xiàn)象的產(chǎn)生往往是因為初期降水完成后，在基坑開挖時，未對降水井進(jìn)行保護(hù)，直接將降水井挖除或破壞，造成降水總時效不夠。

對于這種基底“回水”情況，除了后期增設(shè)降水井外，建議參考上述“3.3施工注意事項”中提及的方法。前期方案時考慮采用兩類降水井，為基坑后期澆筑底板乃至整個主體結(jié)構(gòu)時預(yù)留降水條件。同時對于部分未封井的降水井，可在基坑底板以下設(shè)置濾管，基坑底板附近設(shè)置實管，在基坑底板施工完后繼續(xù)抽水運行，可同時解決結(jié)構(gòu)澆筑過程中的抗浮問題。

4.4水位相差過大

在對基坑降水施工過程進(jìn)行測量時，常常會出現(xiàn)降水井的水位很低，但是基坑水位卻很高的情況，經(jīng)過詳細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，引起這個問題的原因也可以總結(jié)為兩點，一點是降水井的水滲入量不能滿足抽水泵的需求，導(dǎo)致水井抽空，水井的水位因此而下降；另外一點是基坑附近的管道有被破壞的部位，其它地方的水流通過這些部位進(jìn)入基坑。

為了避免這種問題發(fā)生，在進(jìn)行抽水時一定要首先選擇大功率的水泵進(jìn)行工作，當(dāng)抽水接近滿足需求時，再選擇小功率的水泵進(jìn)行工作，這樣循環(huán)使用大小功率水泵的方式可以有效提高降水效果。在基坑降水施工前，還要對施工附近的管道進(jìn)行詳細(xì)的檢查，如果發(fā)現(xiàn)受到損害的部位，要及時修復(fù)，防止其它地方的水流進(jìn)基坑，影響施工。

5結(jié)論

(1)良好的基坑降水技術(shù)可以充分減少土壤中的水分，使土體更加固結(jié)，提高坑內(nèi)土體強度，增加被動區(qū)土抗力[10]。

(2)加強基坑開挖全過程的降水控制，可以避免基坑“落底”后，基底“橡皮土”現(xiàn)象，提高土體承載力，確保基坑施工安全。

(3)降水施工一定要加強對基坑內(nèi)、外地下水位的監(jiān)測，避免內(nèi)抽外補的水力聯(lián)系；在基坑外啟用備用井降水施工時，更要加強對周邊環(huán)境的監(jiān)測，做到抽、補平衡。

參考文獻(xiàn)

[1]劉樹群.井點降水法在工程中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2013，39(4)：63-66

[2]王文峰.對基坑降水引起周圍建筑物沉降的預(yù)測及其防治措施[J].鐵道勘察，2013，39(4)：48-50

[3]楊光華.廣東深基坑支護(hù)工程的發(fā)展及新挑戰(zhàn)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，31(11)：2276-2284

[4]張露云.大型地鐵站深基坑降水施工技術(shù)研究[J].中國科技博覽，2011(7)：195

[5]王繼剛.地鐵深基坑降水施工技術(shù)[J].中國水運，2012(4)：215-216

[6]章昕.深基坑降水技術(shù)淺析[J].巖土工程學(xué)報，2010，32(s2)：443-446

[7]王建秀，吳林高，胡力繩，等.復(fù)雜越流條件下超深基坑抽水試驗及工程應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010(S1)：3082-3087

中圖分類號：U231； TU46+3

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-7479(2016)01-0049-03

作者簡介：張穆童(1983—)，男，2006年畢業(yè)于北方工業(yè)大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-11-19