王住剛

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安　710018）

臨近既有線地鐵車站深基坑降水施工分析

王住剛

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

針對復(fù)雜地質(zhì)情況下臨近既有線的深基坑降水施工，通過建立基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型進(jìn)行降水設(shè)計和計算，并對既有線采取自動化監(jiān)測技術(shù)，確定合理的降水方案，提出了減少降水對周圍環(huán)境影響的防治措施。采取坑外管井降水和自動化監(jiān)測技術(shù)在臨近既有線降水施工中獲得了良好的效果，可為今后類似工程提供參考和借鑒。

滲透系數(shù)降水井自動化監(jiān)測既有線

工程降水是基坑工程的一個難點，在地下水位較高的地區(qū)開挖地鐵深基坑時，由于含水層被切斷，在壓力差的作用下，地下水會不斷地滲流入基坑，將會造成基坑涌水、涌砂、坍塌等事故發(fā)生。降水使原有地下水位降落，使臨近基礎(chǔ)下水的浮托力減少，亦使地基土的荷載增加，在大多數(shù)情況下，由于附加荷載增加而使土固結(jié)，從而造成建筑物的下沉。在臨近既有線地鐵車站深基坑降水施工中，通過建立基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型確定了管井井點降水方案，對既有線采取自動化監(jiān)測技術(shù)，使得降水對周圍環(huán)境的影響達(dá)到最小。

1　工程概況

1.1工程簡介

西安市地鐵四號線行政中心站位于張家堡廣場內(nèi)，沿鳳城八路方向東西向布置，為二號線與四號線換乘車站，二號線已于2011年投入運營，張家堡廣場南北長約326米，東西長約328米，廣場內(nèi)除二號線既有車站及主變電站外無其他重要建構(gòu)筑物，廣場內(nèi)影響車站的管線在二號線施工時已改至廣場以外。車站基坑長度255米，基坑標(biāo)準(zhǔn)段寬32米，深約22米，局部開挖深度24.05～26.41m，車站中部換乘節(jié)點在二號線車站施工時已預(yù)留。車站采用明挖順作法施工，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁，基坑內(nèi)設(shè)鋼筋混凝土和鋼管支撐，結(jié)構(gòu)設(shè)計均為現(xiàn)澆鋼筋混凝土箱型框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)外設(shè)置外包防水層。

1.2工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

車站位于渭河一級階地后緣帶，地勢平坦，場地在勘探深度50.0m范圍內(nèi)的地層主要為第四系堆積物，即由全新統(tǒng)人工填土（Q4m l）、沖擊（Q4al）黃土狀土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、中砂、粗砂和上更新統(tǒng)沖擊（Q3al）粉質(zhì)粘土、中砂、粗砂組成。

地下水潛水位埋深14.70～17.00m，水位高程366.97～368.37m，地下水位受區(qū)域內(nèi)降雨量的年度不均勻分布影響。根據(jù)勘察及區(qū)域地質(zhì)資料，車站覆蓋層為第四系松散層，含水層主要為強透水的中砂、粗砂和弱透水的黏性土，潛水含水層底板埋深大于80m。

2　降水施工風(fēng)險分析

地下開挖勢必引起周圍巖體、既有二號線以及地表沉降和變形，而這種變形達(dá)到一定程度時，將會影響二號線正常運營，一旦發(fā)生工程事故，造成的影響和后果將會特別嚴(yán)重；本工程降水段處于砂層，砂層致密，從前期二號線的降水情況來看，降水對周邊環(huán)境影響不大，但是局部有粉細(xì)砂，在降水施工過程中容易出現(xiàn)滲水、涌水及涌砂現(xiàn)象。

3　降水方案選擇

擬建工程為地下工程，車站主體基坑開挖深度22.0m左右，局部深度為22.95～26.41m，地下水位埋深在14.0m左右，按地下水位保持在基坑底部以下0.5～1.0m要求，水位降深最大約13.5m。根據(jù)工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工方法及基坑周邊建筑物環(huán)境條件，結(jié)合西安地鐵二號線及鄰近場地基坑降水工程經(jīng)驗，本區(qū)間降水采用坑外管井降水。

3.1降水設(shè)計計算

3.1.1滲透系數(shù)選用

主要含水層為中砂，結(jié)合該地區(qū)及周邊地區(qū)的降水經(jīng)驗，該車站及明挖段計算時采用的綜合滲透系數(shù)取30m/d。

3.1.2計算模型

根據(jù)本區(qū)間結(jié)構(gòu)特征、周邊建筑物情況、地層地質(zhì)特點，周圍水文地質(zhì)條件及降深，同時結(jié)合地鐵施工降水的特點，該部分設(shè)計分兩個區(qū)間進(jìn)行計算（二號線的東側(cè)和西側(cè)），同時考慮降水對已有二號線的影響，在設(shè)計中考慮將二號線水位也降至原基坑開挖深度下1m。計算模型：按潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離邊界。用理正降水軟件進(jìn)行計算分析。

3.1.3西側(cè)基坑降水計算

西側(cè)基坑長88m，標(biāo)準(zhǔn)段寬31m，局部段寬12.5m，為不規(guī)則塊狀基坑；行政中心車站西側(cè)基坑基本參數(shù)見表1；根據(jù)文獻(xiàn)［2］潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離邊界時，涌水量按公式E.0.1計算。

（1）計算參數(shù)：降水井成井直徑700mm，井管直徑500mm，井深35m；任意點降深計算公式采用文獻(xiàn)［2］，計算水位降深14（m），水頭高度21（m），滲透系數(shù)30（m/d），過濾器半徑0.275（m），單井出水量360（m3/d）。

（2）計算結(jié)果：

①基坑涌水量計算：降水影響半徑R=702.794（m）；基坑等效半徑r0=29.662（m）；基坑涌水量=11536（m3/d）。

②降水井的數(shù)量計算：按文獻(xiàn)［2］計算：單井出水量按360（m3/ d）計算，需要降水井的數(shù)量：28口。

③單井過濾器進(jìn)水長度計算：按文獻(xiàn)［2］計算：單井過濾器進(jìn)水長度=6.569（m）。

④各點降深計算：降深根據(jù)文獻(xiàn)［3］按井?dāng)?shù)、井位、各井抽水量計算：指定范圍內(nèi)最小降深=8.214（m），最大降深=15.012（m），降水區(qū)域內(nèi)各點降深均可達(dá)到設(shè)計要求降深。

建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，確定監(jiān)測井6口，平均分布于降水區(qū)域內(nèi)；對水位、出水量、是否攜帶泥沙、降水泵運轉(zhuǎn)情況等進(jìn)行實時監(jiān)測，及時分析降水過程中不正常狀況及產(chǎn)生原因，提出調(diào)整及補充措施，確保達(dá)到設(shè)計降水深度。

表1　行政中心車站西側(cè)基坑基本參數(shù)

表2　行政中心車站東側(cè)及明挖段基坑基本參數(shù)

圖1　降水井平面布置圖（西側(cè)）

圖2　降水井平面布置圖（東側(cè)）

3.1.4東側(cè)基坑降水計算

本部分將車站東部和明挖段降水整體考慮，基坑長182m，車站長約124m，標(biāo)準(zhǔn)段寬37m，局部段寬慰12.6m，明挖段長約58m，寬度范圍為12.1～24.1m，為不規(guī)則塊狀基坑；行政中心車站東側(cè)基坑基本參數(shù)見表2；根據(jù)文獻(xiàn)［2］潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離邊界時，涌水量按公式E.0.1計算。

（1）計算參數(shù)：降水井成井直徑700mm，井管直徑500mm；井深35m；任意點降深計算公式采用文獻(xiàn)［2］，計算水位降深12（m），水頭高度21（m），滲透系數(shù)30（m/d），過濾器半徑0.275（m），單井出水量360（m3/d）。

（2）計算結(jié)果：

①基坑涌水量計算：降水影響半徑R=602.395（m）；基坑等效半徑r0=42.255（m）；基坑涌水量=12466（m3/d）。

②降水井的數(shù)量計算：按文獻(xiàn)［2］計算：單井出水量按360（m3/ d）計算，需要降水井的數(shù)量=41口。

③單井過濾器進(jìn)水長度計算：按文獻(xiàn)［2］計算：單井過濾器進(jìn)水長度=8.762（m）。

④各點降深計算：降深根據(jù)文獻(xiàn)［3］按井?dāng)?shù)、井位、各井抽水量計算：在指定范圍內(nèi)：最小降深=8.073（m），最大降深=14.866（m），降水區(qū)域內(nèi)各點降深均可達(dá)到設(shè)計要求降深。

建立地下水動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)，確定監(jiān)測井8口，平均分布于降水區(qū)域內(nèi)；對水位、出水量、是否攜帶泥沙、降水泵運轉(zhuǎn)情況等進(jìn)行實時監(jiān)測，及時分析降水過程中不正常狀況及產(chǎn)生原因，提出調(diào)整及補充措施，確保達(dá)到設(shè)計降水深度。

3.2管井位置確定

根據(jù)車站結(jié)構(gòu)尺寸等因素綜合考慮確定降水井距的位置?？紤]地下結(jié)構(gòu)施工操作空間及盡量避免降水井置于結(jié)構(gòu)中（以免與結(jié)構(gòu)施工發(fā)生矛盾）。因此，確定降水井中心距基坑外邊緣不小于3m。根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，結(jié)合水位降深要求，設(shè)置降水井深度35m，平均井間距約10～14m。具體布井詳見圖1、圖2。

地鐵二號線目前正在運行，施工時，二號線兩側(cè)的降水井應(yīng)同時開啟，防止出現(xiàn)過大的不均勻沉降影響二號線的正常運行。

4　自動化監(jiān)測技術(shù)

4.1監(jiān)測目的與內(nèi)容

4.1.1監(jiān)測目的

（1）為了對受施工影響范圍內(nèi)運營地鐵車站段進(jìn)行變形變位自動、連續(xù)、跟蹤監(jiān)測，準(zhǔn)確測量出隧道結(jié)構(gòu)局部或整體變形的準(zhǔn)確位置、變形量值、變形方向和變化速率，實時動態(tài)并準(zhǔn)確地掌握非地鐵施工過程中對地鐵結(jié)構(gòu)和地鐵運營安全影響的程度，以便采取針對性的預(yù)防措施，防止車站結(jié)構(gòu)局部或整體變形變位擴展。

（2）為了檢驗對運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)的安全保護(hù)設(shè)計及施工是否達(dá)到保護(hù)目的，及時消除影響隧道結(jié)構(gòu)安全的隱患。

4.1.2監(jiān)測內(nèi)容

從基坑開挖至主體結(jié)構(gòu)完成整個期間，測量施工影響范圍內(nèi)的地鐵二號線隧道結(jié)構(gòu)的沉降、軌道水平位移、軌距監(jiān)測、道床沉降四項監(jiān)測項目。

4.2測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)

測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)以基于一臺測量機器人有合作目標(biāo)（照準(zhǔn)棱鏡）的變形監(jiān)測系統(tǒng)為基本單元，可以由多個基本單元通過網(wǎng)絡(luò)連接起來組合形成一個測量機器人遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。

系統(tǒng)組成：遠(yuǎn)程無線遙控測量機器人變形監(jiān)測和分析系統(tǒng)主要由3個單元組成，控制單元一般在辦公室內(nèi)，通過具有固定IP的萬維網(wǎng)發(fā)送指令和接收數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)采集單元通過有線形式連接，將控制單元的指令轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)采集單元并將數(shù)據(jù)采集單元的數(shù)據(jù)簡單處理后轉(zhuǎn)發(fā)給控制單元，數(shù)據(jù)采集單元置于作業(yè)現(xiàn)場，根據(jù)控制單元的指令采集相應(yīng)數(shù)據(jù)。其監(jiān)測系統(tǒng)，詳見圖3。

圖3　自動化監(jiān)測系統(tǒng)

5　降水施工出現(xiàn)的問題與應(yīng)對措施

5.1不均勻沉降控制措施

根據(jù)既有二號線自動化監(jiān)測結(jié)果及基坑變形監(jiān)測結(jié)果，若基坑周圍建筑物或其他構(gòu)筑物沉降變形達(dá)到警戒值，立即通報各施工單位，同時停止施工，必要的時候進(jìn)行回填反壓，增加變形監(jiān)測的頻次，阻止事態(tài)的進(jìn)一步發(fā)展。待建筑物或地面沉降變形趨緩后，再采取相應(yīng)的加固措施，把降水對地基的變形影響降至最低。

5.2降水井涌砂控制措施

此處地下水均位于砂層，砂層致密，壓縮模量較大，且根據(jù)地鐵2號線行政中心站的沉降監(jiān)測資料，一般抽水造成的地面沉降小于10mm，且周邊無重要建筑物，因此在不涌砂的條件下，基坑降水對周邊的環(huán)境影響不大。

但若發(fā)生涌砂，產(chǎn)生的次生災(zāi)害將極為嚴(yán)重，可能會引起大規(guī)模地面沉降、塌陷等，故降水井嚴(yán)禁發(fā)生涌砂，本工程采取的防止涌砂措施：

（1）采取合適的成井工藝。采取無泥漿清水反循環(huán)鉆進(jìn)成井工藝、濾料厚度10cm、濾料粒徑3～5mm。

（2）加強包封處理。濾水管通常用2層60目的紗網(wǎng)進(jìn)行包封，需用鐵絲固定防止脫落；并需特別注意管井間的連接處理。

（3）加強封井措施。井底可采用1m厚3～5mm礫石或應(yīng)采用不小于0.5m厚度的低含水量素混凝土封底。用混凝土封底時需要注意封填方式，建議采用帶封口的麻袋放至井底附近再打開。

（4）采用低泵型抽水泵抽水，局部將深比較大的地方采用稍大抽水泵，出水量控制在15～25m3/h，防止抽水對地層擾動大。

（5）控制抽水泵的位置。水泵不宜放置位置太低，距離井底3m出為宜。

（6）35m以下砂層較厚，打穿后水量太豐富，因此設(shè)計采用縮小井間距，減少井深來滿足降水要求。

（7）在基坑周邊及坑內(nèi)設(shè)置水位觀測井，密切注意井中水位的變化，一旦滿足降水要求，就不在進(jìn)行大幅度降低水位。同時觀測井同降水井結(jié)構(gòu)，水位將深不滿足施工要求時，可將觀測井作為降水井使用。

5.3基坑壁滲水控制措施

如基坑壁出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，則先在滲水部位壘沙袋并設(shè)置排水孔，在排水孔周圍設(shè)置反濾層，確保排出的水體為清水，不得攜帶泥沙。如果是由于其他原因造成的坑壁滲水，則應(yīng)加強滲水部位外側(cè)的降水強度，使該部位水位下降。

6　結(jié)語

在地鐵的建設(shè)過程中，不可避免的會碰到臨近既有線深基坑降水的問題。在基坑開挖過程中，如土層的地下水位位于基坑開挖地層標(biāo)高以上時，將不可避免的會遇到基坑降水止水問題。為了減少基坑降水對周邊環(huán)境的影響，有必要對基坑降水進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)并解決一些基坑降水止水問題。本文主要研究臨近既有線基坑降水方案選擇和既有線自動化監(jiān)測技術(shù)。本文獲得的主要成果如下：

（1）基坑降水方案的選擇應(yīng)充分考慮工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件、施工方法及基坑周邊建筑物環(huán)境條件，根據(jù)主要含水層為中砂，綜合滲透系數(shù)30m/d，確定采用坑外管井降水方案。

（2）采用對地質(zhì)資料分析并建立了基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型，計算模型：按潛水完整井，基坑遠(yuǎn)離邊界；使用理正降水軟件進(jìn)行計算分析，確定基坑涌水量及降水井設(shè)計參數(shù)。

（3）基坑降水期間對既有線結(jié)構(gòu)的沉降、軌道水平位移、軌距、道床沉降等進(jìn)行自動化監(jiān)測，實時掌握施工對既有線的影響，并及時采取相應(yīng)措施，保證地鐵安全運營。

（4）通過工程實踐，提出了基坑降水過程中不均勻沉降、降水井涌砂、基坑壁滲水等防治措施。

［1］北京城建集團(tuán)有限責(zé)任公司.GB50299-1999（2003版）地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社，2003.

［2］中國建筑科學(xué)研究院.JGJ120-2012建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，201 2.

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［4］包宏濤.某地鐵車站深基坑降水設(shè)計及施工問題分析［J］.鐵道建筑技術(shù)，2012（S2）：62-65.

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王住剛（1985—），男，陜西乾縣人，2006年畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)土木工程專業(yè)，學(xué)士，工程師，現(xiàn)從事地鐵工程安全質(zhì)量管理工作。