李維宏

（中鐵十八局集團有限公司，天津 300222）

在地下水位較高的地區(qū)進行基坑開挖施工，極易產生流沙、管涌、坑壁土體坍塌等工程事故，為了保證此類地區(qū)的基坑施工安全和工程質量，必須進行基坑降水。

一般工程狀況和地質條件下基坑降水技術已較為成熟，相關技術和研究逐漸傾向于復雜地質環(huán)境及工程狀況條件下基坑降水措施。楊清源等［1］以深圳某地鐵車站基坑工程為背景，進行基坑不完整井降水模型試驗，通過試驗數(shù)據(jù)進行曲線擬合得到基坑外降水曲線方程。張楠［2］以上海虹口商城深基坑降水工程為例，運用現(xiàn)場抽水試驗確定的水文地質參數(shù)來進行降水設計。章昕［3］以地鐵深基坑工程為例，結合結構設計和工程地質條件等詳細介紹了在南京河西軟土地區(qū)如何進行深基坑降水方案的設計、風險評估及施工。盧海豐等［4］對大唐東營 2×1 000 MW 新建工程廠外循環(huán)水管道富水地層的深基坑開挖施工技術及控制措施進行了研究。王朝暉［5］基于南京過江隧道明挖段深基坑對降水方案的設計要點作了重點研究。侯玉潔等［6］針對天津濱海地區(qū)復雜軟土沉積層厚度大、地下水位高、水量豐富、水動態(tài)變化幅度大、基坑降水易出現(xiàn)安全事故等特點，通過總結分析天津高銀117大廈工程超大深基坑降水設計及施工經驗，探討了濱海地區(qū)雙層承壓水超大深基坑降水關鍵技術。

關于高速鐵路明挖隧道基坑降水設計方面的研究還比較欠缺，本文以京張高速鐵路為依托對此展開探討。

1 工程概況

新建北京至張家口高速鐵路JZSG-4 標東花園隧道為雙線隧道，位于張家口市懷來縣東花園鎮(zhèn)。隧道進口位于清水河村西北（里程DK82+770），出口位于東花園舊村西北（里程DK87+740），全長4 970 m。設計速度350 km/h，隧道內采用CRTSⅠ型雙塊式無砟軌道，最大覆蓋層厚度8.1 m。

隧址左側為既有京包鐵路，距離京包鐵路最遠約350 m，位于東花園隧道DK84+530 處；隧址右側為官廳水庫，距離官廳水庫最近距離為1 700 m，位于東花園隧道DK86+930處。隧道平面布置如圖1所示。

圖1 隧道平面布置（單位：m）

DK82+770—DK83+450 區(qū)段 ，長 680 m，坡度為-25‰；DK83+450—DK85+100 區(qū)段，長 1 650 m，坡度為-3‰；DK85+100—DK87+000區(qū)段，長1 900 m，坡度為3‰；DK87+000—DK87+740 區(qū)段，長740 m，坡度為25‰。

隧道采用明挖法施工，明洞結構采用鋼筋混凝土結構。

2 工程地質水文條件

根據(jù)地質調繪及現(xiàn)場勘探揭示，隧址區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層粉土、黏性土、砂類土和碎石土，以及第四系上更新統(tǒng)湖積層粉土、粉質黏性土、砂類土。

根據(jù)區(qū)域地質資料及地質調繪，線路經過區(qū)域地質構造不發(fā)育。

隧道地區(qū)未見地表水，地下水類型為孔隙水，主要賦存于第四系洪坡積層中，受大氣降水補給，水位及水量隨季節(jié)變化較大，沿洪坡積層中孔隙滲流或排泄。太師莊村附近（DK83+000—DK88+400）地下水位埋深1.9～6 m，地下水位高。滲透系數(shù)為粉質黏性土0.1 m/d、粉土1 m/d、粉砂5 m/d、細砂10 m/d、中砂20 m/d、粗砂50 m/d、圓礫石100 m/d。

采用大氣降水入滲法對隧道涌水量進行預測，涌水量分布見表1。

表1 涌水量分布

3 管井降水設計

根據(jù)現(xiàn)場調查，結合區(qū)域資料綜合分析，預測隧道大部分地段在枯水季節(jié)涌水量較小，地下水不發(fā)育，水位埋深較深，低于隧道洞底；但在豐水季節(jié)，地下水位升高，地表水量豐富，隧道涌水量可能增加。

3.1 基坑涌水量計算

根據(jù)JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》，將明挖隧道基坑降水按潛水完整井計算基坑總涌水量Q，計算式為

式中：k為滲透系數(shù)；H為潛水含水層厚度；sd為基坑水位降深，當sd小于10 m 時取10 m；R為降水影響半徑，為沿基坑降水井所圍面積等效圓的半徑為基坑面積。

根據(jù)勘察報告數(shù)據(jù)計算可得，降水影響半徑為330 m；而現(xiàn)場降水試驗監(jiān)測影響半徑為340 m，兩者相差不大。同時根據(jù)式（1）可得Q=354 182 m3/d，這與采用大氣降水入滲法對隧道涌水量進行預測的最大涌水量354 243 m3/d相差不大。

3.2 降水井數(shù)量計算

根據(jù)《工程降水設計施工與基坑滲流理論》［7］和JGJ 120—2012，管井的單井出水能力q0和管井的降水數(shù)量n計算式為

式中：rs為過濾器外緣半徑；l為過濾器工作部分長度。

根據(jù)勘察報告結果計算可得，q0=108.4 m3/d；n=2 970。根據(jù)計算最終確定明挖隧道基坑降水以管井井點降水為主，排水明溝為輔。降水井點間距約為6 m，每斷面設置4 座，分別位于兩側開口線外側和一級邊坡平臺兩側，井底深超過仰拱底6 m，井點井孔直徑0.7 m，井管直徑0.4 m。

井點降水應使地下水位保持在隧道仰拱底下1 m。降水停止時還應驗算涌水量和隧道襯砌結構在施工期間的抗浮穩(wěn)定性，若不滿足則不得停泵。

4 現(xiàn)場降水試驗

4.1 試驗概況

結合現(xiàn)場情況，試驗區(qū)段選擇在DK83+352—DK83+400 和 DK86+746—DK86+800 兩個區(qū)段。井位布置按照每個斷面設置4 座降水井，線路方向縱向間距6 m，最外側兩排井布置在基坑上邊緣以外，中間兩排井布置在邊坡臺階上（圖2）。

圖2 設計降水井橫斷面布置示意（單位：mm）

在線路垂直方向按線路兩側相同要求布置降水井，橫向間距適當調整，形成矩形封閉區(qū)域。在隧道中線、降水區(qū)域的幾何中心位置設置觀測井，降水后的水位高度控制在隧道基坑底部以下1 m。2 個試驗段共布置106座井。井位平面布置如圖3和圖4所示。

圖3 DK83+352—DK83+400區(qū)段降水井布置（單位：m）

圖4 DK86+746—DK86+800區(qū)段降水井布置（單位：m）

當?shù)谝蛔瓿珊髮ζ湎淳瑫r作為抽水試驗前的試驗性抽水井，檢查水泵電路情況及抽排出井底淤泥，預估抽水深度及時間。試驗性抽水時間2016年7月2日07：10—15：33；本次試驗從2016年7月2日開始，7月14日結束。

4.2 試驗結果分析

通過對單孔穩(wěn)定滲流抽水數(shù)據(jù)進行分析整理得到降水及回水情況，見圖5。

圖5 DK86+800附近抽水及回水

由圖5（a）可知，在降水過程中水位變化慢，斜率?。欢厮^程中水位變化快，斜率絕對值大，當水位高程回升到與官廳水庫液面高程大致相同時水位上升緩慢，由此可得官廳水庫與試驗段存在水力聯(lián)系。由圖5（b）、圖5（c）可知，右線降水時間相對較長，且水位下降慢，降水斜率??；左線降水時間短，單位時間內水位下降快。在09：30—11：30 線路右側井在抽水的同時水位基本穩(wěn)定，說明水源補給與抽水速率相同，水源補給豐富；左線水位隨時間大致呈線性變化，沒有中間平緩段，抽水結束后迅速上升。

通過對多孔穩(wěn)定滲流抽水的數(shù)據(jù)進行分析整理得到回水情況，如圖6 所示。圖6（a）和圖6（b）是線路左右側同時抽水后的回水觀測。由圖6（a）可知，回水曲線大致相同，接近指數(shù)分布且曲線趨于平緩的開始點水位高程接近水庫高程；由圖6（b）可知，左側回升曲線有很大的離散性，水系復雜，其中1號、2號和3號抽水井曲線接近；4 號、5 號和6 號抽水井曲線接近，前3個井抽水結束后水位變化斜率絕對值比后3個大，說明前3 個的水位低、周圍水系壓差大；6 條曲線在接近水庫高程附近又接近相同。

圖6 DK86+800段附近線路回水

根據(jù)對單孔與多孔穩(wěn)定滲流抽水數(shù)據(jù)的分析可知，隧址地下水水源豐富，而且根據(jù)水位回升的速率及水位高程與官廳水庫的高程比較，認為隧址地下水與官廳水庫存在水力聯(lián)系，施工過程水源補給迅速，降水困難。因此需要制定“自動降水監(jiān)測及預警系統(tǒng)”，進行實時監(jiān)測，確保工程安全、高效實施。

5 自動化管井降水監(jiān)測與分析系統(tǒng)

根據(jù)明挖隧道基坑管井設計要求和現(xiàn)場降水試驗特點制定了自動化管井降水監(jiān)測與分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)由水位傳感器、自動控制模塊、無線傳輸模塊和服務器組成，采用自動控制技術、物聯(lián)網技術、數(shù)據(jù)庫技術和Web 交互技術實現(xiàn)降水自動化遠程監(jiān)控與信息分析管理。

智能控制機柜通過水位傳感器實時監(jiān)測降水井內水位變化，當其超過警戒水位時，自動控制系統(tǒng)控制水泵自動抽水；當其降低到安全水位時，自動控制系統(tǒng)停止水泵抽水。無線網絡完成降水信息的收集并傳送至服務器。服務器通過數(shù)據(jù)庫分析獲得水位信息、水泵工作狀態(tài)和降水量估算值。Web 交互技術將相關統(tǒng)計信息可視化，用戶可以通過PC 端和手機端進行實時監(jiān)控、統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析和遠程管理。

自動化管井降水監(jiān)測與分析系統(tǒng)自動完成降水井水位控制、水泵工作狀態(tài)、降水量統(tǒng)計、信息自動管理和分析；同時可實時監(jiān)控，能有效指導基坑降水。

6 結論

本文通過勘察報告和現(xiàn)場降水試驗得到降水區(qū)域水文地質參數(shù)，基于相關參數(shù)對基坑涌水量進行理論計算，降水設計并確定出降水井數(shù)量、種類及深度。通過施工表明，達到了明挖隧道基坑降水工程的要求，降水期間水位下降明顯，降水效果較好，符合京張高速鐵路隧道深基坑施工要求，有2方面需要改進。

1）通過現(xiàn)場自動化降水監(jiān)測水位變化圖可知，實際降水曲線并不是呈穩(wěn)定的線性變化，表明規(guī)范的設計方法與工程實踐存在一定偏差，其主要是因為規(guī)范建立的是一個線形模型，在確定滲透系數(shù)時沒有對不同的土層做分類計算。

2）成井時應根據(jù)不同工程地質條件與水文地質條件有針對性地設計管井結構、濾料。降水時宜先進行小幅度的降水，在含水層與濾料之間形成反濾層后，再進行大幅度的降水，防止出現(xiàn)淤井現(xiàn)象。

通過自動化降水監(jiān)測與分析管理系統(tǒng)的應用，發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)能降低人工成本，實現(xiàn)實時監(jiān)控，并有效指導施工管理，起到預警作用，及時消除隱患，可為類似超大深基坑降水設計與施工提供參考。