蘇江川

(福建省建筑工程技術(shù)中心 福建福州 350004)

0 引言

地鐵車站在深基坑開挖范圍內(nèi)遇砂層、淤泥質(zhì)土等滲透性差異較大的地層相互交錯(cuò)時(shí)，若地下水位較高會(huì)導(dǎo)致潛水與承壓水并存，開挖過程中坑內(nèi)外較大的水位差極易產(chǎn)生流砂、管涌、突涌等滲透破壞現(xiàn)象致使邊坡或基坑坑壁失穩(wěn)，造成周邊地面沉降并威脅周邊道路、建筑物的安全。深基坑降水已成為建筑工程地下部分施工中的重要環(huán)節(jié)。樊玲等[1]以長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線省政府車站為背景，提出了多道防線預(yù)防基坑突水理念,采用三道防線綜合技術(shù)(即合理增加地下連續(xù)墻深度、袖閥管法加固基坑地層和疏降水技術(shù)),預(yù)防基坑突水。張建勇[2]以武漢地鐵8號(hào)線三標(biāo)段徐家棚站土建施工作為背景，利用數(shù)值模擬對(duì)粉細(xì)砂強(qiáng)透水地層深基坑降水方案和技術(shù)措施進(jìn)行了探討。王軍輝等[3]根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理,分析了懸掛式帷幕影響下形成的繞流和非繞流兩個(gè)區(qū)的滲流特征；利用Dupuit假設(shè)和阻隔理論,系統(tǒng)地提出了懸掛式帷幕條件下潛水和承壓水涌水量計(jì)算的修正大井法,并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要提出了相應(yīng)的近似表達(dá)式。

本文依托福州地鐵某透水地層車站基坑降水為例，總結(jié)深基坑降水設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，提出了透水地層深基坑降水施工控制措施，以期為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

圖1 車站典型地質(zhì)剖面圖

2 降水方案

2.1 降水目的

降水目的主要為疏干土體中的地下水，方便施工作業(yè)；降低坑內(nèi)土體含水量，提高坑內(nèi)土體強(qiáng)度；降低下部(微)承壓含水層承壓水水位，減少坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，防基底突涌的發(fā)生，確保施工基底穩(wěn)定。

2.2 降水難點(diǎn)

降水難點(diǎn)主要體現(xiàn)在承壓含水層突涌、開挖面失穩(wěn)、減壓降水風(fēng)險(xiǎn)、周邊環(huán)境復(fù)雜，表1 是主要降水難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施。

表1 主要降水難點(diǎn)和應(yīng)對(duì)措施

3 降水井設(shè)計(jì)方案

3.1 疏干井設(shè)計(jì)

車站施工時(shí)，需及時(shí)疏干開挖范圍內(nèi)土層中重力水含量，保證基坑干開挖順利進(jìn)行。開挖前，需要布設(shè)若干疏干井，對(duì)基坑開挖范圍內(nèi)土層疏干。根據(jù)該工程土層情況，淺層土主要以砂層為主，滲透性較佳，本次降水工程單井有效抽水面積取150m2。

3.2 降壓井布置

3.2.1基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑開挖后，由于承壓含水層上覆土層厚度變薄，其上覆土壓力降低。當(dāng)上覆土的壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時(shí)，承壓水將可能使基坑底面產(chǎn)生隆起，嚴(yán)重時(shí)使土體被頂裂產(chǎn)生滲水通道，從而發(fā)生基坑突涌。

根據(jù)勘察報(bào)告，該場(chǎng)區(qū)承壓水主要賦存于<3-3>(含泥)中粗砂、<4-2>(含泥)中砂、<4-8>卵石中，隔水頂板分別為<3-1-2>(含砂)粉質(zhì)黏土層和<3-4-2>淤泥質(zhì)土層。承壓水位取水位標(biāo)高+3.14m。各基坑分區(qū)根據(jù)所處位置最不利勘探孔進(jìn)行計(jì)算。圖2是基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理。表2 是基坑抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算表(<4-2>層)。

圖2 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理

表2 基坑抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算表(<4-2>層)

3.2.2降壓井設(shè)計(jì)

(1)井深設(shè)計(jì)

降壓井的水頭損失考慮到抽水至觀測(cè)井之間的水力梯度漏斗可達(dá)到安全水位和地層性質(zhì)、圍護(hù)深度特點(diǎn)及降壓幅度要求，降壓井布置于坑外，按井深43m考慮。

(2)井?dāng)?shù)設(shè)計(jì)

① 解析法

根據(jù)《建筑與市政工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》計(jì)算公式計(jì)算：基坑涌水量Q為3052m3/d，該工程單井流量約為400m3/d，該工程需布置的降壓井?dāng)?shù)量為n= 1.2Q/q=1.2×(3052/400)≈10。

②數(shù)值模型計(jì)算法

根據(jù)勘察報(bào)告提供的土層特質(zhì)(含水層埋深、厚度)建立模型，按照經(jīng)驗(yàn)值對(duì)其水文地質(zhì)特性進(jìn)行賦值，并利用模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，為消除邊界對(duì)模擬結(jié)果的影響，一般將計(jì)算區(qū)域邊界外擴(kuò)一定范圍。本次模擬取邊界外擴(kuò)約1000m。

根據(jù)計(jì)算，主體基坑需要布設(shè)10口降水井，按照觀測(cè)兼?zhèn)溆镁當(dāng)?shù)量不小于降水井總數(shù)的20%且不少于1口的要求，坑內(nèi)共布設(shè)3口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁桓黝惤祲壕傆?jì)13口，井深均為43m。在敞開式圍護(hù)條件下，根據(jù)模型計(jì)算，在安全系數(shù)取1.10的情況下，坑內(nèi)<4-2>承壓含水層水位需滿足降深3.88～4.25m的需求。圖3是懸掛式帷幕下坑內(nèi)外水位降深等值線圖。

圖3 懸掛式帷幕下坑內(nèi)外水位降深等值線圖(單位：m)

3.2.3觀測(cè)井布置

(1)主體坑內(nèi)潛水觀測(cè)井

車站主體共布置28口疏干井，井深28m。

(2)坑外潛水觀測(cè)井

主體基坑外每50m左右設(shè)置1口淺層水位觀測(cè)井，保護(hù)構(gòu)筑物附近適當(dāng)加密，用于判定坑內(nèi)抽水對(duì)坑外的滲流影響。主要布置于主體基坑外圍，并避開后期附屬結(jié)構(gòu)。

(3)承壓水位觀測(cè)井

為及時(shí)掌握坑內(nèi)減壓降水時(shí)水位下降情況，指導(dǎo)降水運(yùn)行，設(shè)置一定數(shù)量的承壓水位觀測(cè)井。

(4)坑外承壓水位觀測(cè)井

該基坑理論上圍護(hù)已完全隔斷<3-3>承壓含水層，為檢驗(yàn)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性以及監(jiān)測(cè)坑外該層水位變化，故考慮于坑外布置一定數(shù)量的坑外承壓水觀測(cè)井，以檢測(cè)坑外承壓水位變化情況，發(fā)現(xiàn)不正常水位波動(dòng)時(shí)可及時(shí)采取措施。坑外按照每50m布設(shè)一口觀測(cè)井，共布設(shè)10口，井深29m。必要的情況下可作為坑外應(yīng)急回灌井啟用。

(5)敏感建筑物附近專項(xiàng)應(yīng)急回灌井布設(shè)

該工程止水帷幕難以將含水層組完全隔斷，故坑內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間抽水對(duì)坑外將產(chǎn)生一定的不良影響，工程附近敏感建筑物較多，需考慮在其附近設(shè)置一定數(shù)量的回灌井。因此，該布設(shè)初步考慮暫布設(shè)5口水位觀測(cè)井兼應(yīng)急回灌井，井深29m，在坑內(nèi)減壓降水開啟后，同步進(jìn)行回灌。圖4是降水井平面布置圖，圖5是各類降水井結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4 降水井平面布置圖

圖5 各類降水井結(jié)構(gòu)示意圖

4 降水管理重點(diǎn)

4.1 專人管理

派人24h值班并做好抽水記錄，記錄內(nèi)容包括降壓深井涌水量Q和水頭降s，并在現(xiàn)場(chǎng)繪制s～t曲線，以掌握抽水動(dòng)態(tài)，指導(dǎo)降水運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)。

降水運(yùn)行期間，實(shí)行24h值班制，由專業(yè)值班人員認(rèn)真做好各項(xiàng)質(zhì)量和觀測(cè)水位變化的記錄，做到準(zhǔn)確齊全。降水運(yùn)行過程中對(duì)降水運(yùn)行的記錄，對(duì)停抽的井及時(shí)測(cè)量水位(每天1～2次)，對(duì)于水位出現(xiàn)的異常及時(shí)分析整理。

4.2 雙電源保證

為保證基坑安全，減壓降水運(yùn)行期間總包對(duì)降水運(yùn)行配備獨(dú)立的供電系統(tǒng)，且供電系統(tǒng)配備兩路以上不同變電站的獨(dú)立電源。降水運(yùn)行中保證一路工業(yè)用電停電后，另一路工業(yè)用電能及時(shí)使用，確保降水井的電源得到更換，確保降水過程不得長(zhǎng)時(shí)間中斷，以免影響基坑安全。

4.3 按需降水

降水工作在地下構(gòu)筑物施工至上覆壓力和地下水頭的頂托力平衡后停止降水。停止降水的時(shí)間根據(jù)上覆壓力與頂托力的平衡計(jì)算，計(jì)算結(jié)果報(bào)送設(shè)計(jì)方并取得設(shè)計(jì)方認(rèn)可后施工現(xiàn)場(chǎng)才停止降水。抽水井個(gè)數(shù)和抽水量大小根據(jù)基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進(jìn)行控制。水位控制嚴(yán)格按照基坑穩(wěn)定性分析中的基坑開挖深度和承壓安全水位埋深曲線進(jìn)行。具體操作按照如下原則運(yùn)行:

①承壓水提前預(yù)抽水時(shí)間一般為1d，根據(jù)基坑開挖至臨界深度的順序依次開啟相應(yīng)區(qū)域降壓井抽水。

②所有減壓降水井均可通過開啟和關(guān)閉流量節(jié)制閥來調(diào)節(jié)出水量并控制水位。

③降壓井停抽根據(jù)屆時(shí)實(shí)測(cè)靜止水位經(jīng)驗(yàn)算滿足抗突涌條件。

4.4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

在正式抽水運(yùn)行后，對(duì)坑內(nèi)外部分觀測(cè)井放置水位探頭，采用數(shù)據(jù)采集儀對(duì)地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，這樣，一方面可用于水位測(cè)量，另一方面可用于監(jiān)控水位狀態(tài)。一旦水位異常，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，及時(shí)作出處理。

現(xiàn)場(chǎng)抽水運(yùn)行期間，借助遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)控，以便第一時(shí)間獲取開挖施工過程中的水位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)營情況的隨時(shí)掌握，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的綜合自動(dòng)化，并能建立網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)和網(wǎng)上資源庫，實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行安全把控。圖6是遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖。

圖6 遠(yuǎn)程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

5 結(jié)論

該車站按照既定降水方案順利實(shí)施，基坑內(nèi)的疏干效果理想，挖掘機(jī)和工人均在無水的狀況下實(shí)施作業(yè)；疏干井還減少坑內(nèi)土體含水量，提高土體強(qiáng)度，縱坡土體自穩(wěn)性得到明顯提高。所有措施均達(dá)到預(yù)期的降水目標(biāo)。根據(jù)竣工后實(shí)測(cè)的監(jiān)測(cè)結(jié)果，周邊建筑物及管線的沉降量均在安全允許范圍內(nèi)。主要經(jīng)驗(yàn)如下：

(1)降壓井能有效地降低深層承壓含水層水頭，減少坑底隆起和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形量，避免了基坑底部突涌的發(fā)生，確保施工時(shí)基坑底板的抗突涌風(fēng)險(xiǎn)。

(2)砂層的透水性、富水性、影響半徑均很大，降水實(shí)施過程務(wù)必做到按需降水。采取“按需降水”的指導(dǎo)方針，能將周邊環(huán)境(道路、管線和建筑物)的影響降至最低。

(3)影響降水效果的因素較多，在實(shí)際施工時(shí)，應(yīng)通過理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相結(jié)合，通過實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，因地制宜解決工程實(shí)際面臨的問題。