孫明祥

(中鐵南方投資集團(tuán)有限公司，518054，深圳 ∥ 工程師)

目前,大多數(shù)深基坑工程開(kāi)挖施工均建立在降水的基礎(chǔ)上，以保證基坑在干燥、安全的環(huán)境中施工[1-2]。通過(guò)降水，可降低開(kāi)挖土體含水量，提高土體抗剪切強(qiáng)度，為深基坑開(kāi)挖提供便利。但在深基坑施工中，基坑底部常受到承壓水影響，必要時(shí)需進(jìn)行基坑承壓水降水設(shè)計(jì)。由于各區(qū)域的地質(zhì)及水文條件不同，承壓水降水設(shè)計(jì)理念存在差異，不同的方案在實(shí)際使用時(shí)也有一定差異。

本文以福州地鐵5號(hào)線金山路站和金華路站基坑工程為例，分析了不同工程地質(zhì)、水文條件及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式下的高承壓富水砂層降水方案、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平、豎向位移及周邊環(huán)境沉降變形。根據(jù)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析得出，在高承壓富水砂層條件下，不同圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式的降水方案對(duì)深基坑開(kāi)挖及周邊環(huán)境都能起到良好的管控效果。

1 工程概況

福州地鐵5號(hào)線起于閩侯縣，止于福州南站，其線路主要位于福州市倉(cāng)山區(qū)內(nèi)。本文重點(diǎn)介紹5號(hào)線1標(biāo)金山區(qū)域地層條件下的降水方案設(shè)計(jì)。該段線路途經(jīng)荊溪新城站、農(nóng)林大學(xué)站、洪塘路站、金林路站、金華路站、金山站等，長(zhǎng)度約8.7 km。

1.1 工程地質(zhì)情況

金山區(qū)域地層依次為素填土、粗中砂、淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂、粉細(xì)砂、卵石、強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層(砂土狀)等，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)通常采用地下連續(xù)墻加內(nèi)支撐形式，墻趾通常位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，不同車站其圍護(hù)結(jié)構(gòu)也有所不同。本文選擇金山站及金華路站進(jìn)行分析，兩站的地質(zhì)詳情分別如圖1和圖2所示。

圖1 福州地鐵5號(hào)線金山站地質(zhì)詳情圖

圖2 福州地鐵5號(hào)線金華路站地質(zhì)詳情圖

1.2 工程水文條件

根據(jù)勘察結(jié)果，在金山區(qū)域內(nèi)主要有潛水、承壓水及基巖裂隙水三類地下水。潛水埋深較淺，水位埋深為1.5～4.5 m，水位標(biāo)高為3.5～6.3 m，主要包含在粉細(xì)砂層、粗中砂層中，以淤泥質(zhì)土作為隔水層；承壓水埋深為7.8 m，水位標(biāo)高為0，承壓水頭約為29.5～42.9 m，主要包含在粉細(xì)砂、中粗砂及卵石層中，以淤泥夾砂層及粉質(zhì)黏土層作為隔水層；基巖裂隙水主要在深部花崗巖的碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化及中等風(fēng)化帶中分布，受巖性和地質(zhì)構(gòu)造控制及裂隙分布影響，其埋藏、分布及水動(dòng)力特征非常不均勻，透水性及富水性較弱，具有弱承壓性。

1.3 明挖車站設(shè)計(jì)

1) 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：金山站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚地下連續(xù)墻，工字鋼接頭。地連墻深度依次打穿粗中砂、淤泥質(zhì)土、粉細(xì)砂、卵石層并進(jìn)入砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層1.5 m。

2) 地下連續(xù)墻平均深度約為66.5 m。金華路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻，工字鋼接頭。地連墻深度按依次打穿雜填土、(含泥)粗中砂、淤泥質(zhì)土、(含泥)粗中砂、淤泥質(zhì)土層并進(jìn)入(含泥)中砂0.8～1.9 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，地下連續(xù)墻平均深度約為37.4 m。

3) 圍護(hù)支撐體系：金山站標(biāo)準(zhǔn)段采用二道混凝土支撐(一道、三道)、三道φ800mm鋼支撐(二道、四道、五道)加一道換撐φ609 mm。金華路站標(biāo)準(zhǔn)段采用四道內(nèi)支撐，第一道支撐位鋼筋混凝土支撐，間距為9 m；第二道支撐為φ800 mm鋼支撐，第三、第四道支撐為φ609 mm鋼支撐，間距均為3 m。

2 基坑降水重點(diǎn)、難點(diǎn)對(duì)比分析

2.1 降水隔斷性質(zhì)

金山站地下連續(xù)墻深度達(dá)66.5 m，已經(jīng)直達(dá)強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層。根據(jù)圍護(hù)資料查看，理論上已經(jīng)將承壓水完全隔斷，只需保證地下連續(xù)墻施工質(zhì)量及墻縫處施工質(zhì)量即可。但圍護(hù)止水效果存在不確定性，若出現(xiàn)滲漏，易在坑內(nèi)外巨大水頭差下，造成管涌、坑外沉降、基坑失穩(wěn)等，為保障安全性，需要對(duì)基坑內(nèi)進(jìn)行減壓降水。

金華路站地下連續(xù)墻深入淤泥質(zhì)土層并部分進(jìn)入(含泥)中砂層。隧道淤泥質(zhì)土層滲透性差，可作為相對(duì)隔水層，但是由于其厚度過(guò)薄，僅2.1～3.5 m厚，在高承壓水條件下，極易出現(xiàn)擊穿薄隔水層的險(xiǎn)情；且由于地下連續(xù)墻未深入(含泥)中砂層，坑內(nèi)降水基本屬于敞開(kāi)式帷幕降水。

在金華路站基坑開(kāi)挖過(guò)程中，開(kāi)挖面已經(jīng)揭穿上層(含泥)中粗砂承壓含水層，需考慮其同潛水一同處理；且由于下部的敞開(kāi)式帷幕降水形式，其后期的降壓井降水運(yùn)行過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)較大。

2.2 承壓水降水

對(duì)于金山區(qū)域內(nèi)的基坑，都是在高承壓水條件下的降水設(shè)計(jì)。兩站的不同之處在于：對(duì)于金山站，施工中投入了較大人力物力進(jìn)行了大深度的地下連續(xù)墻施工，由于地下連續(xù)墻深入隔水層，因此僅需保證地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量及墻縫間施工質(zhì)量即可；對(duì)于后續(xù)的承壓水降水，主要是針對(duì)工程施工層面，是在難以完全保證地下連續(xù)墻下部施工質(zhì)量的完整性情況下而設(shè)計(jì)的降水井，同時(shí)為了減少基坑開(kāi)挖時(shí)基底隆起突涌風(fēng)險(xiǎn)。而對(duì)于金華路站，通過(guò)減少地下連續(xù)墻的深度(僅為金山站地下連續(xù)墻深度的一半)，大大減小了施工成本；但由于降水形式采用敞開(kāi)式帷幕降水，因此大大提升了對(duì)降水井質(zhì)量要求及后續(xù)降水井管控要求。

3 基坑降水設(shè)計(jì)技術(shù)思路對(duì)比分析

1) 金山站的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)深且厚，達(dá)66.5 m深、1.0 m厚，且墻趾位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，持力層穩(wěn)定；而金華路站的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)相對(duì)淺且薄，僅37.4 m深、0.8 m厚，墻趾主要位于(含泥)中砂層中，底部持力層不穩(wěn)定。

2) 地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)形式不一致直接導(dǎo)致了降水形式的差別。金山站的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全隔斷了外部水來(lái)源，進(jìn)行降水時(shí)，可直接采用封閉式降水；金華路站的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻趾位于承壓水層中，且相對(duì)隔水層厚度較薄，為敞開(kāi)式降水。

3) 不同深度的降水井，采用的降水思路不同，現(xiàn)場(chǎng)管控形式也不同。

4 基坑降水設(shè)計(jì)

4.1 疏干井設(shè)計(jì)

對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的明挖施工，需要及時(shí)疏干開(kāi)挖范圍內(nèi)的重力水含量，保證基坑開(kāi)挖過(guò)程中土體的干燥，因此均需布設(shè)若干疏干井。在淺層疏干降水時(shí)，按照有效抽水面積進(jìn)行計(jì)算。由于疏干井具有普遍性與形式一致性，對(duì)于數(shù)量及形式在此就不進(jìn)行對(duì)比，僅對(duì)高承壓水降壓井進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明。

4.2 降壓井設(shè)計(jì)

4.2.1 降水滲流模型及依據(jù)

根據(jù)止水帷幕與含水層之間的空間關(guān)系，可將基坑降水滲流的形式分為封閉式、敞開(kāi)式及懸掛式等三種降水。封閉式降水為止水帷幕深入含水層并直達(dá)隔水層，將含水層完全隔絕；敞開(kāi)式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，但底板在(半)隔水層之上；懸掛式降水為止水帷幕深入含水層并未將含水層隔斷，且底板揭穿隔水層[4]。

對(duì)于金山站，由于止水帷幕將基坑完整包圍，基本屬于封閉式降水，降水時(shí)的難度主要體現(xiàn)在基坑抗突涌穩(wěn)定性上；對(duì)于金華路站，減壓降水形式基本屬第二類敞開(kāi)式降水滲流模型，其難度在于整個(gè)基坑開(kāi)挖過(guò)程中對(duì)于降水井的保護(hù)及管控。

4.2.2 基坑抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算

基坑開(kāi)挖過(guò)程中，由于承壓水上覆土層不斷減小，當(dāng)上覆土壓力小于承壓水層頂托力后，基坑底將產(chǎn)生隆起，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生基坑突涌[5-6]。通常采用式(1)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。

(1)

式中：

Ps——承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；

Pw——初始狀態(tài)下(未減壓降水時(shí))承壓水的頂托力，kPa；

hi——承壓含水層頂面至基底面間各土層的厚度，m；

γsi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，kN/m3；

H——高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；

γw——水的重度，工程上一般取10 kN/m3；

Fs——安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范本工程取1.10。

對(duì)于金山站而言，基坑開(kāi)挖深度約為23 m，承壓水頂面埋深約為38 m，根據(jù)式(1)計(jì)算結(jié)果，其基坑穩(wěn)定性明顯不滿足抗突涌驗(yàn)算要求；若取安全系數(shù)為1.1，則車站內(nèi)減壓降水臨界開(kāi)挖深度約為18 m，通過(guò)減壓降水涌水量計(jì)算的減壓井?dāng)?shù)目約為23口。金山站減壓降水臨界深度、降壓井信息分別如下表1、表2所示。

表1 福州地鐵5號(hào)線金山站降壓降水臨界深度 單位：m

表2 福州地鐵5號(hào)線金山站降壓井信息統(tǒng)計(jì)表

4.2.3 地下水滲流模型計(jì)算

通過(guò)滲流模型求解地下水在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)，采用滲流連續(xù)性方程及其定解對(duì)三維非穩(wěn)定滲流規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算。根據(jù)勘察報(bào)告中的地質(zhì)水文條件建立的模型，其計(jì)算結(jié)果為：在敞開(kāi)式降水條件下，取1.10的安全系數(shù)，坑內(nèi)(含泥)中砂承壓含水層水位需滿足降深3.88～4.25 m的需求。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置降壓井時(shí)，其深度一方面需要考慮降壓井的水頭損失(即井損)，另一方面需考慮到抽水至觀測(cè)井之間的水力梯度漏斗可達(dá)到的安全水位?？紤]到地層性質(zhì)、圍護(hù)深度特點(diǎn)及降壓幅度要求，金華路站降壓井主要布置于坑外，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)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43 m。降壓井信息如表3所示。

表3 福州地鐵5號(hào)線金華路站降壓井信息統(tǒng)計(jì)表

5 基坑降水的主要技術(shù)管控措施

5.1 主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的墻縫注漿止水

金山站和金華路站地下存在高承壓含水層，在其基坑內(nèi)部施工過(guò)程中降水，對(duì)于圍護(hù)結(jié)構(gòu)的密閉性要求較高。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，為防止主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的滲漏及涌水涌沙，需提高主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻縫止水效果。

在基坑開(kāi)挖前，對(duì)金山站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)存在滲漏風(fēng)險(xiǎn)的墻縫，采用WSS(無(wú)收縮后退式注漿)注漿進(jìn)行注漿止水，注漿深度為27 m，注漿范圍自基底下10 m到地面下5 m。在金華路站，采用2根φ800 mm@600 mm三重管高壓旋噴樁對(duì)墻縫處進(jìn)行止水，并在基坑開(kāi)挖過(guò)程中通過(guò)探縫等強(qiáng)制措施防止出現(xiàn)涌水涌砂等現(xiàn)象，對(duì)于高壓旋噴樁效果不足位置進(jìn)行WSS注漿補(bǔ)強(qiáng)。圖3為金華路站高壓旋噴樁平面圖。

圖3 福州地鐵5號(hào)線金華路站高壓旋噴樁平面圖

5.2 現(xiàn)場(chǎng)管控

1) 土方開(kāi)挖：土方開(kāi)挖過(guò)程中，嚴(yán)格執(zhí)行“開(kāi)槽支撐、先撐后挖、分層開(kāi)挖、嚴(yán)禁超挖”的要求。

2) 墻縫處探挖：通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格管控土方開(kāi)挖過(guò)程中墻縫處的探挖，在每層土方開(kāi)挖前先對(duì)地下連續(xù)墻接縫處進(jìn)行探挖，查看墻縫處土體含水率是否正常，保證墻縫處未出現(xiàn)滲漏。

3) 強(qiáng)化降水井管理：基坑施工過(guò)程中，對(duì)降水井進(jìn)行全天候倒班制監(jiān)測(cè)管理，強(qiáng)化管理人員對(duì)于降水井重要性意識(shí)觀念，確保降水過(guò)程中降水井的正常使用。在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置備用庫(kù)房，保證降水設(shè)施出現(xiàn)問(wèn)題后能夠及時(shí)進(jìn)行更換。

4) 降水技術(shù)管控：金山站地下連續(xù)墻深入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層，已隔斷坑內(nèi)外水力聯(lián)系，理論上坑內(nèi)的抽水降壓對(duì)坑外影響可忽略不計(jì)。但實(shí)際降水過(guò)程中，仍要對(duì)管線、建筑物、地下連續(xù)墻等進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，嚴(yán)格控制沉降速率及累計(jì)沉降量。降水過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格參照下列原則進(jìn)行管控：按照降水范圍宜小不宜大、時(shí)間宜短不宜長(zhǎng)、深度宜淺不宜深的原則進(jìn)行降水；盡量減少開(kāi)挖時(shí)長(zhǎng)，縮短降水周期，減少對(duì)周圍環(huán)境的影響；隨挖隨降，按需降水，逐步降低承壓水頭，避免過(guò)早降壓；設(shè)置智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤管控；在周邊敏感建筑物附近進(jìn)行場(chǎng)地協(xié)調(diào)，布設(shè)應(yīng)急回灌井，防止出現(xiàn)地面沉降等不良影響；基坑開(kāi)挖過(guò)程中，若發(fā)生突涌，及時(shí)采取封堵措施，同時(shí)應(yīng)避免降水加劇坑外路面及周邊建筑物沉降。

6 施工效果分析

6.1 沉降變形情況

深部降壓引起的地面沉降包括瞬時(shí)沉降、固結(jié)沉降、土體流變引起的次固結(jié)沉降三部分。由于次固結(jié)沉降作用時(shí)間較長(zhǎng)，在計(jì)算中主要考慮主固結(jié)沉降，并按照分層總和法進(jìn)行計(jì)算管控。相關(guān)計(jì)算公式參閱文獻(xiàn)[7-8]。

根據(jù)測(cè)算，金山站和金華路站不同施工階段減壓降水引起的坑外地面沉降最大預(yù)估值約為5.7 mm和13.5 mm。

根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值要求，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值如表4所示。

表4 地鐵車站基坑施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)情況來(lái)看，自2018年10月金山站基坑開(kāi)挖以來(lái)，至2019年7月結(jié)構(gòu)封頂，基坑外側(cè)最大總沉降為38 mm，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂豎向位移為4.2 mm，地表沉降為25.5 mm；金華路站自2018年12月基坑開(kāi)挖以來(lái)，至2019年8月結(jié)構(gòu)封頂，基坑外側(cè)最大總沉降為24.4 mm，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂豎向位移為17.1 mm，建筑物沉降為16.4 mm。

根據(jù)表4和實(shí)際檢測(cè)情況，福州地鐵5號(hào)線金山站和金華路站的基坑工程，由于設(shè)計(jì)的合理和管控到位，兩站的整體圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形情況及降壓引起的外部周邊環(huán)境影響較小，基本符合預(yù)測(cè)。

6.2 基坑滲漏情況

在福州地鐵5號(hào)線金山站和金華路站的圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中，采取了以下措施：對(duì)工程質(zhì)量合理管控;通過(guò)三重管高壓旋噴樁及WSS注漿對(duì)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻縫進(jìn)行合理止水；開(kāi)挖過(guò)程中嚴(yán)格執(zhí)行墻縫探挖制度，及時(shí)架設(shè)支撐體系；設(shè)計(jì)合理的降水方案，降水井施工及管控到位。因此，在這兩座車站深基坑施工過(guò)程中，未出現(xiàn)明顯滲漏。

7 結(jié)論

1) 對(duì)于高承壓富水砂層中的車站基坑工程，通過(guò)主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、降水、降水井的合理設(shè)計(jì)、施工管控，以及本文所述的一系列措施，可大大減少主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)、降水井的深度。如：金山站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)深達(dá)66.5 m，降水井深度約為60 m，而同樣處于高承壓富水砂層中的金華路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)僅需37.4 m，降水井深度僅43 m。若在保證安全質(zhì)量的前提下，使用敞開(kāi)式降水，可大大減少圍護(hù)結(jié)構(gòu)及降水井的造價(jià)成本。

2) 車站基坑施工中，對(duì)于降水井的管控至關(guān)重要，直接影響到基坑開(kāi)挖的成敗。

3) 對(duì)于車站基坑降水施工而言，只要采取合理的設(shè)計(jì)及嚴(yán)格的管控措施，采用敞開(kāi)式降水甚至懸掛式降水是可行的，可大幅減少地下連續(xù)墻及降水井的成本。