劉干典

(福州軌道交通設(shè)計院有限公司 福建福州 350009)

0 引言

截至2020年，福州地鐵已建或在建的地鐵車站近120座，其中大范圍遇到富水砂層、卵石層的明挖車站基坑項目達20多座。福州城區(qū)地形地貌變化大，內(nèi)河縱橫交錯，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，靠近沿江河一帶的含水層富水性大、透水性強，水頭壓力大，基坑開挖過程中易產(chǎn)生突涌、基坑地下水無法抽干等問題。因此，受到行業(yè)內(nèi)專業(yè)人士的普遍關(guān)注。透水性地層的基坑工程出現(xiàn)的機率大、風(fēng)險高。

受復(fù)雜的周邊環(huán)境及當(dāng)?shù)鼗咏邓┕に?、施工工藝等因素的限制，基坑降水問題日益成為福州地鐵建設(shè)亟待解決的一個突出問題。探索研究一種新型、科學(xué)、合理，適合于當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件，符合地方施工水平和施工技術(shù)的地下水處理工法十分必要。

基此，本文結(jié)合福州地鐵工程實踐，通過試驗分析透水性基坑地下水量，探析工法實施效果及其存在問題，并基此提出透水性地層地鐵基坑地下水處理工法的優(yōu)化措施。

1 基坑地下水穩(wěn)定原理概述

地鐵基坑的地下水控制方法主要有截水和降水，具體應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文條件、基坑周邊環(huán)境要求及支護結(jié)構(gòu)形式等綜合確定。當(dāng)降水不會對基坑周邊環(huán)境造成損害，可優(yōu)先考慮采用基坑內(nèi)直接降水，否則采用截水。但無論采用何種處理方式，在方案研究階段，都應(yīng)深入分析地下水的穩(wěn)定問題。

關(guān)于基坑地下水穩(wěn)定性問題，主要有以下兩個：

(1)抗突涌穩(wěn)定，即坑底以下有水頭高于坑底的承壓水含水層，未用截水帷幕隔斷其基坑內(nèi)外的水利聯(lián)系時，在承壓水作用下可能出現(xiàn)坑底突涌的現(xiàn)象。

抗突涌穩(wěn)定性分析原理可參照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩(wěn)定性驗算C.0.1。

(2)滲流穩(wěn)定，即懸掛式止水帷幕底端位于碎石層、卵石層、砂土或粉土等透水性地層時，由于基坑內(nèi)外水頭壓力差作用，坑底的涌水力使得砂土顆粒處于懸浮狀態(tài)的現(xiàn)象。

滲流穩(wěn)定性分析原理可參照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ120-2012)附錄C 滲透穩(wěn)定性驗算C.0.2。

2 福州基坑地下水量分析

為可靠分析福州地鐵典型透水性地層的基坑開挖出水量，從而為選擇直接降水或截水的方案提供基本依據(jù)，以福州地鐵4號線某一靠近烏龍江邊地鐵站基坑為例，給出降水試驗及數(shù)值模擬的相關(guān)主要數(shù)據(jù)。

(1)試驗?zāi)康?/p>

通過抽水試驗，驗證在不進行地下水處理的工況下，直接降水能否滿足基坑開挖要求。

(2)單井抽水試驗結(jié)果

抽水試驗從2020年4月30日至5月20日，經(jīng)歷20d，共完成5組試驗，抽取其中兩組典型試驗結(jié)果。

①單井抽水，抽水時間從2020年4月30日下午13:15開始，截止到5月1日下午，約22h。

該試驗全過程配備了3口井，其中1口井抽水，其他兩口觀測，配備1臺QJ50-65-15深井潛水泵，揚程65m，額定功率15kW，安裝水表1只。

經(jīng)試驗得知，觀測井的水位埋深-時間變化曲線如圖1所示。

經(jīng)歷24h后，坑內(nèi)水位趨于穩(wěn)定，水位從初始5.60m下降到6.40m(降幅0.80m)，單井流量60～68m3/h。

②單井停抽恢復(fù)試驗

降水井關(guān)閉抽水泵停抽后，通過觀測水位恢復(fù)情況，取得數(shù)據(jù)繪制曲線如圖2所示。

根據(jù)恢復(fù)試驗，降水井停抽后，各觀測井水位快速回升，40min內(nèi)各井水位恢復(fù)100%。

(3)群井抽水試驗結(jié)果

抽水時間從2020年5月15日13:35開始，截止到5月17日15:35，約50h，其他施工參數(shù)類同單井試驗。

通過試驗發(fā)現(xiàn)，群井抽水試驗及群井停抽恢復(fù)試驗結(jié)果如圖3所示。

圖3 群井抽水時各觀測井水位埋深-時間變化曲線

群井抽水1h后水位趨于穩(wěn)定，抽水50h后，最終坑外水位從初始值5.60m下降到6.65m，降幅1.05m，單井平均流量67～80m3/h。

根據(jù)恢復(fù)試驗，降水井停抽后，各觀測井水位快速回升，120min內(nèi)各井水位恢復(fù)100%，如圖4所示。

圖4 群井停抽時各觀測井水位埋深-時間變化曲線

(4)數(shù)值模擬分析

假設(shè)基坑開挖到坑底時，已揭穿坑底的<2-4-6>(含泥)粗中砂層，其下部的<3-8>層卵石層直接對其進行水力補給，水位必須降至坑底以下1m。根據(jù)以上假設(shè)，坑內(nèi)地下水位需要降深為：安全水頭深-初始水位=18.31-5.60=12.71m。本試驗運用Visual MODFLOW 軟件，采用滲流數(shù)值法進行計算，以整個基坑的東西南北最遠邊界點為起點，模型尺寸400×1000m，四周均按定水頭邊界處理。

經(jīng)過模擬計算，基坑內(nèi)需布置32口降壓井，基坑外布置62口降壓井，坑外設(shè)置觀測兼應(yīng)急井，不間斷抽水10d后達降水深度，基坑的涌水量達96 248m3/d。模擬流場圖如圖5～圖6所示。

圖5 群井抽水10d后基坑水位埋深模擬流場圖

圖6 群井抽水10d后基坑水位降深模擬流場圖

(5)抽水試驗及數(shù)值分析總體結(jié)論

①單井涌水量大、水位恢復(fù)極快。通過抽水試驗，單井涌水量達1440m3/d(60m3/h)以上，屬極強富水性含水層；

②基坑總涌水量極大，直接降水風(fēng)險極大，各井停抽后，水位在40～120min左右均恢復(fù)100%，水位恢復(fù)迅速；

③反演求得試驗場地<2-4-6>粗中砂滲透系數(shù)kh=63.3m/d、kv=34.3m/d，<3-8>卵石滲透系數(shù)kh=117.4m/d、kv=45.5m/d，地層滲透系數(shù)極大；

④現(xiàn)場應(yīng)配置絕對可靠的電源自動切換系統(tǒng)。否則一旦停電，水位將在1～2h內(nèi)迅速回升，基坑即處于十分危險狀態(tài)，工程風(fēng)險極高。

綜上試驗可知，同類地質(zhì)條件下的基坑地下水采用直接抽排降水的實施難度很大，地下水預(yù)先處理是必要的。

3 工法實施效果

針對上述基坑施工遇到的地下水問題，經(jīng)過反復(fù)研究探索，多次現(xiàn)場試驗和專家論證，總結(jié)出了以下具備較強操作性的地下連續(xù)墻落底和坑底水平封底加固的處理方案。其工法原理簡述如下：

地下連續(xù)墻落底，即在滿足支護結(jié)構(gòu)變型和承載力、基坑整體穩(wěn)定性的前提下，通過延長地下連續(xù)墻長度，隔斷坑底以下砂層、卵石層等透水性強地層，是解決基坑截水問題的一種施工工法。

坑底水平封底加固，即為解決基坑抗突涌隔水層深度或厚度不足，或減緩地下水滲流速度而在基底以下某一深度人為設(shè)置一隔水層，是可以使得坑底滿足承壓水抗突涌穩(wěn)定性要求的一種地基加固工法。

不過，工法實施過程仍存在一些亟待優(yōu)化的問題。

(1)地下墻落底

截至目前，福州地鐵采用地下連續(xù)墻落底的基坑有4～5座。從實施的止水效果來說，基本達到預(yù)期效果，但多座車站基坑在施工過程中仍然發(fā)生坑底涌水涌砂、地下墻縫墻縫漏水等工程問題。

以5號線倉山片區(qū)某站為例，根據(jù)勘察報告，基坑開挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中砂<2-5>、中砂<3-3>及卵石<4-8>，滲透系數(shù)達30～50m/d。為解決基坑開挖降水問題，采用了地下連續(xù)墻落底隔斷卵石層的方案，地下連續(xù)墻長度達65m。圍護結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖如圖7所示。

圖7 5號線倉山片區(qū)某站圍護結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖

該基坑圍護結(jié)構(gòu)小里程端圍護結(jié)構(gòu)采用了地下連續(xù)墻落底的方案，在小里程第二段底板開挖到底時，坑內(nèi)減壓井外壁發(fā)生坑底涌水涌砂，大量粉細砂流失，地下連續(xù)墻底被掏空，導(dǎo)致基坑中部分隔墻附近的冠梁局部45°剪切破壞開裂。

根據(jù)調(diào)查分析可知，該基坑產(chǎn)生涌水涌砂的原因有以下有幾種：

①基坑底以下地下墻接縫和墻腳開叉嚴重，內(nèi)外水力聯(lián)系未有效隔斷；

②地下連續(xù)墻工字鋼接頭施工質(zhì)量不合格，接縫處可能存在夾泥，在承壓水作用下成為滲漏水通道；

③在坑內(nèi)的(含疏干井、承壓井)降水井質(zhì)量不合格，井內(nèi)濾層或井壁未做好導(dǎo)致泥土、砂流失，抽水失效。

(2)坑底水平封底加固

截至目前，福州地鐵采用坑底水平封底加固的基坑有6～7座。從基坑抗突涌穩(wěn)定性的角度來說，基本達到預(yù)期效果，但個別基坑出現(xiàn)了坑底管涌、降水井壁外側(cè)涌水涌砂等工程問題。

以4號線臺江片區(qū)某站為例，根據(jù)勘察報告，基坑開挖范圍及坑底以下存在深厚(含泥)中細砂<2-4-6>、粉細砂<3-2>及卵石<3-8>，滲透系數(shù)達28～30m/d。為解決基坑開挖降水問題，采用了坑底以下14m深處超高壓旋噴樁水平封底滿堂加固的處理方案，加固厚度4m，布置規(guī)格為φ1100@750×750。圍護結(jié)構(gòu)橫剖面示意圖如圖8所示。

圖8 4號線臺江片區(qū)某站圍護結(jié)構(gòu)剖面圖

在大里程端頭井基坑開挖到坑底時，個別部位發(fā)生涌水涌砂，坑內(nèi)減壓井外壁發(fā)生坑底涌水涌砂等工程問題。根據(jù)調(diào)查分析可知，該基坑發(fā)生涌水涌砂的可能原因有以下兩種：

① 坑內(nèi)的降水井質(zhì)量不合格，井內(nèi)濾層或井壁遭到破壞，導(dǎo)致泥土、砂流失，抽水失效。

② 超高壓旋噴樁加固質(zhì)量未達預(yù)期效果，局部存在“天窗”，在承壓水的作用下產(chǎn)生涌水涌砂。

4 優(yōu)化措施

實踐可知，無論是采用地下連續(xù)墻落底，還是坑底水平封底的地下水處理方案，從理論上來說都是科學(xué)合理的，但受限于施工機械、施工工藝、施工水平及施工管理等具體操作層面的限制，往往在某些環(huán)節(jié)還存在不足?；?，針對以上工法存在的問題，提出以下建議：

(1)對于地下連續(xù)墻落底方案，因地下連續(xù)墻長度一般較長，受限于與施工工藝及水平的限制，深層的地下墻接縫夾泥和墻腳開叉現(xiàn)象十分嚴重。因此，建議通過地下連續(xù)墻垂直度限制、基坑開挖前檢測地下連續(xù)墻接縫是否夾泥等控制手段，提前采取補救措施，以避免墻縫滲漏的風(fēng)險。這種檢測方法準確有效、操作方便，且成本不高。

(2)坑底水平封底加固的設(shè)計，意圖是采用高質(zhì)量的超高壓旋噴樁滿堂加固封底，以形成完整的隔水層，隔斷上下層的水力聯(lián)系，但若加固體樁間搭接長度不夠，或搭接方式不對，容易導(dǎo)致局部未能等到有效加固即已進水。隔水效果將大打折扣。因此，建議封底加固規(guī)定采用梅花型布置，增大樁間搭接長度，并制定嚴格的試樁試驗，確定可靠的施工參數(shù)后再正式實施。

(3)對于水平封底加固方案，即使加固體本身質(zhì)量合格，但在施工降水井過程，因降水井井壁穿透加固層導(dǎo)致原加固體遭到破壞，從而導(dǎo)致水平封底加固體的抗承壓能力減弱引起涌水涌砂。因此，建議在明確坑內(nèi)的疏干井不超過加固體頂面前提下，進一步優(yōu)化設(shè)計方案，在基坑外設(shè)置承壓井。

(4)無論是對地下連續(xù)墻落底或基坑封底加固方案，均應(yīng)在坑內(nèi)設(shè)置一定數(shù)量的疏干井，以作為墻縫漏水、封底失效的第二道防線。另外，建議在基坑開挖之前，提前進行預(yù)抽水試驗，以便驗證圍護結(jié)構(gòu)止水效果，若效果不佳，可提前采取補救措施。

5 結(jié)語

本文全面分析了基坑地下水穩(wěn)定性原理，以及基坑抽水遇到的現(xiàn)實難題，論證了地下水處理的必要性，提出地下連續(xù)墻落底和坑底水平封底的地下水處理工法，解決了福州地鐵基坑降水遇到的棘手難題。但工法確定依據(jù)不足、論證不充分、技術(shù)標準不統(tǒng)一、施工工藝和水平差異大等問題依然較為突出，其高昂的工程造價也是建設(shè)方頭疼的難題。以上問題還需在日后的實踐中逐步解決。