王建軍

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，上海200125）

1 引言

在地鐵建設施工中，地鐵車站一般采用明挖法進行施工，施工過程中要進行基坑降水，需要進行基坑涌水量的計算，由于地下水的類型、埋藏條件、滲透系數(shù)、含水層厚度等水文條件各不相同，采取不同的模型計算出的涌水量具有較大的差異，因此，如何正確預測基坑涌水量成為地鐵車站基坑設計及施工的難點[1～6]。本文以某地鐵車站為例，采用多種計算模型進行車站基坑的涌水量計算，并將計算結果進行對比分析，探索各模型的優(yōu)缺點，以指導設計及施工。

2 工程實例

2.1 工程概況

某地軌道交通是一條東西向的市區(qū)級的軌道交通線路。線路由西向東橫貫城市中心地區(qū)。某站為該軌道交通線路的中間站。擬建車站為地下3 層島式雙柱3 跨車站，有效站臺寬度13m，車站規(guī)模195.0m×18.5m（內(nèi)部凈空），基坑開挖深度約20.00m。

2.2 區(qū)域氣象

工程區(qū)氣候溫和濕潤，雨量充沛，一般年均降雨量約1 200mm，歷史上以陰雨天氣多而著稱，大雨集中在每年六七月份。降雨量隨年份分布不均。冬季主導風向北偏東，夏季主導風向南偏東，晴天多南風，雨天多北風，年均風速2.2m/s，瞬時最大風速20m/s。年平均氣壓8 935MPa。冬季氣壓較高，夏季氣壓較低，主要氣候災害有倒春寒、秋雨低溫、冰雹、暴雨、大風和酸雨，歷史上凝凍也是災害之一，現(xiàn)已常見。

2.3 水文地質條件

地下水補給、徑流、排泄主要受降水、地形地貌、巖性、地質構造等因素控制，既有區(qū)域性的統(tǒng)一規(guī)律，又有隨地段變化的明顯差異。

地表水和大氣降水是區(qū)內(nèi)地下水的主要補給來源，降雨補給期集中在每年雨季。其補給方式為降水通過洼地、落水洞等巖溶形態(tài)及巖石中的溶蝕裂隙、構造裂隙等形式滲入地下，補給地下水，在地下巖溶管道匯集、徑流；基巖裂隙水則通過風化裂隙、構造節(jié)理滲入地下。根據(jù)區(qū)域水文資料，地下水基本受降水控制為主，地下水的高水位期與降水豐水期基本吻合，一般地下水的高峰值滯后降水豐水期約15d，根據(jù)區(qū)域水文資料，場地地下水位年水位季節(jié)變化幅度為3.0～5.0m。本次野外勘探期間測得的潛水層的穩(wěn)定水位埋深約為2.5m。

2.4 工程地質條件

根據(jù)勘察報告，本擬建車站的地層按其沉積時代、成因類型可分為3 層：

①層雜填土：雜色，土質不均勻，松散，分布于場地表層，局部為磚塊、瓷片，夾雜粉質黏土、建筑垃圾，局部夾素填土，分布無規(guī)律，平均層厚約2.0m。

②層紅黏土：紅褐色，可塑，偶見鐵錳質結核，具有高液限、遇水軟化、失水強烈收縮的工程性質，平均層厚約6.5m。

③1 層強風化白云巖：灰白～肉紅色，主要由白云石構成，局部相變?yōu)榘自瀑|灰?guī)r、泥質白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯呈砂狀及少量塊狀，巖體破碎，巖體基本質量等級為Ⅴ級，平均層厚約6.0m。

③2 層中風化白云巖：灰白～肉紅色，主要由白云石構成，含少量的石英、方解石、黃鐵礦等礦物，充填少量方解石，局部相變?yōu)榘自瀑|灰?guī)r、泥質白云巖，巖體節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，局部節(jié)理面可見鐵質侵染，巖芯呈碎塊、短柱狀，巖體基本質量等級為Ⅳ級，該層未鉆穿。

2.5 巖土層滲透系數(shù)

水文地質試驗的目的是查明場地地下水類型、水位以及變化等水文地質條件，確定含水層的滲透系數(shù)，估算基坑涌水量，并通過測定井孔涌水量及其與水位下降（降深）之間的關系，分析確定含水層的富水程度，評價井孔的出水能力。

根據(jù)擬建車站勘探成果，場地大部分上部覆蓋紅黏土較厚，地下水類型為承壓水。根據(jù)SL 320—2005《水利水電工程鉆孔抽水試驗規(guī)程》[7]，承壓水非完整井單孔的抽水（過濾器緊接含水層頂板）相關參數(shù)計算如下：

1）承壓水非完整井滲透系數(shù)K計算（巴布什金）：

式中，Q為涌水量，m3/d；sw為水位降深，m；l為有效進水段長度，m；rw為抽水孔半徑，m。

2）根據(jù)吉哈爾特公式計算潛水井抽水影響半徑：

3）根據(jù)《水文地質手冊》[8]及GB 50027—2001《供水水文地質勘察規(guī)范》[9]中有關公式，利用恢復水位數(shù)據(jù)計算滲透系數(shù)：

式中，H為含水層厚度，m；sw1、sw2為觀測孔水位降深，m；t為水位恢復時間間隔，h。

根據(jù)本次水文地質試驗成果，得到本次抽水試驗的含水層滲透系數(shù)如表1 所示。

表1 抽水試驗計算結果表

依據(jù)現(xiàn)場水文地質試驗成果及區(qū)域經(jīng)驗綜合考慮，提供各巖土層滲透系數(shù)建議如表2 所示。

表2 巖土層滲透系數(shù)建議值表

3 基坑涌水量預測計算

3.1 水均衡法預測基坑涌水量

根據(jù)TB 10049—2004《鐵路工程水文地質勘察規(guī)程》附錄B，計算基坑單寬涌水量[10]。

3.1.1 枯期徑流模數(shù)法

枯期隧道基坑涌水量采用徑流模擬法，計算公式為：式中，Q為隧道基坑涌水量，m3/d；M為地下徑流模數(shù)，m3/（d·km2），該地區(qū)經(jīng)驗值為9.0L/（s·km2）=7.776×10-4m3/（d·m2）；A為單寬基坑通過含水體的地下集水面積，m2。

3.1.2 降雨入滲法

正常日平均涌水量采用降雨入滲法計算基坑涌水模量，計算公式為：

式中，Q日平均為隧道、基坑單日涌水量，m3/d；α為降水入滲系數(shù)，參照《鐵路工程地質手冊》[11]，該地區(qū)α取值0.25；X為年降水量，該地區(qū)取1300mm。

3.1.3 暴雨工況降雨入滲法

暴雨工況下隧道、基坑涌水量為：

式中，Q暴雨為隧道、基坑暴雨涌水量，m3/d；Xmax為暴雨工況下日最大降水量，取200mm。

3.2 地下水動力學法預測基坑涌水量

按JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規(guī)程》附錄E.0.4 節(jié)計算基坑涌水量，群井按大井簡化時，均質含水層承壓水非完整井的基坑涌水量計算公式如下[12]：

式中，Q為基坑涌水量，m3/d；M為承壓水含水層厚度，m；s0為水位降深，假定水位降至結構底板下0.5m 處；L、B分別為基坑長度和寬度；l為過濾器進水部分長度,取6.5m；R為影響半徑，m；r0為基坑等效半徑，m；K為滲透系數(shù)，m/d。

3.3 計算結果

3.3.1 水均衡法預測基坑涌水量

采用枯期徑流模數(shù)法計算基坑單寬涌水量：

采用降雨入滲法計算基坑單寬涌水量：

采用暴雨工況降雨入滲法計算基坑單寬涌水量：

3.3.2 地下水動力學法預測基坑涌水量

根據(jù)工程實際情況：M=100m、l=6.5m、s0=18.0m、R=127.28m、r0=33.90m，則：

Q=3.14×2×0.5×100×18/（ln(1+127.28/33.9）+（100-6.5）6.5×ln（1+0.2×100/33.9）=686.76m3/d

采用地下水動力學法計算單寬基坑涌水量：

水均衡法預測基坑單位寬度涌水量和地下水動力學法預測基坑單位寬度涌水量如表3 所示。

表3 基坑單位寬度涌水量表

3.4 計算結果對比分析

對計算結果進行對比分析：（1）利用水均衡法預測基坑涌水量時，使用參數(shù)少，在各參數(shù)不明確的情況下，可快速計算基坑的單寬涌水量，簡單快捷，因此，在地鐵隧道和地鐵車站基坑單寬涌水量預測中得到廣泛運用。（2）采用地下水動力學法預測基坑單寬涌水量時，要求各參數(shù)比較明確，運用此模型計算較為精確，但該模型將基坑假設為圓形井求得基坑等效半徑進行計算基坑涌水量，可能造成計算的涌水量與實際涌水量不符。（3）利用水均衡法預測枯期工況和正常工況的基坑單寬涌水量與水動力學單寬涌水量大致相當，而預測暴雨工況下單寬涌水量明顯大于水動力學單位寬度涌水量，這是由于水均衡法預測基坑單位寬度涌水量沒有考慮基坑實際邊界情況，而只是利用經(jīng)驗系數(shù)大致求得基坑的涌水量。（4）實際涌水量計算時，可將二者結合綜合比較后運用，出于安全情況考慮，可取最不利情況。

4 結論

根據(jù)以上分析，得出以下結論：

1）本文采用水均衡法和地下水動力學法預測基坑單寬涌水量。2 種方法各有優(yōu)點，同時又各有局限性，要根據(jù)車站基坑實際情況選用。

2）在涌水量的預測過程中，巖土層滲透系數(shù)是根據(jù)勘察時有限的測試及試驗結果確定，所得的少數(shù)巖土層滲透系數(shù)值代表實際巖土體的滲透系數(shù)，難免存在誤差，也必將影響涌水量預測結果。

3）上述各種計算模型，都是建立在均質土層和透水介質的基礎上，而實際土層是不均勻的，會造成計算涌水量與實際涌水量存在一定的差異。

4）車站基坑的實際涌水量還會受到基坑施工的影響，也會造成實際涌水量的變化。