溫永凱，張賀

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢 430010）

0 引言

隨著近年來(lái)城市地鐵站的深基坑開(kāi)挖面積、開(kāi)挖深度越來(lái)越大，地鐵深基坑的施工將不可避免遇到降水問(wèn)題，而因降水產(chǎn)生的地鐵深基坑施工安全事故，不僅會(huì)延誤工程工期，造成重大經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)產(chǎn)生不良社會(huì)影響。 因此，制定合理、有效的降水設(shè)計(jì)方案，在基坑施工中尤為重要[1]。

1 工程概況

擬建武漢市軌道交通7 號(hào)線王家墩東站地鐵站，位于武漢市江漢區(qū)，青年路和建設(shè)大道交叉路口以西，與既有軌道交通2 號(hào)線王家墩東站形成“T”型換乘，為地下三層單柱雙跨車站。 擬建車站基坑主體長(zhǎng)度230m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑寬度為21.8m，端頭部分寬度為27.9m；基坑平面呈長(zhǎng)方形，開(kāi)挖面積約5398m2，開(kāi)挖周長(zhǎng)約520m，開(kāi)挖深度23.13～25.00m。 圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1000mm 厚落底式地下連續(xù)墻，墻底進(jìn)入(20a-1)強(qiáng)風(fēng)化泥巖不小于2m，支撐體系采用五道（端頭部分六道）鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 巖土工程地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地地形相對(duì)平緩，一般地面標(biāo)高約20.20～21.30m。 工程所在場(chǎng)地地貌單位屬于典型Ⅰ級(jí)階地河流堆積平原區(qū)。 根據(jù)勘察結(jié)果，工程場(chǎng)地上覆土層主要為人工填土層、第四系河流沖洪積土層、砂層，下部基巖為志留系泥巖。 擬建工程場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)的地層劃分為5 大層，具體如下：1-1 層雜填土，飽和，結(jié)構(gòu)不均勻；1-2 層素填土，稍密，局部松散；1-3 層淤泥，飽和，流塑狀態(tài)；2-1 層黏土，飽和，可塑狀態(tài)；2-2 層黏土，飽和可塑，局部軟塑；2-4 層淤泥質(zhì)黏土，飽和，流塑狀態(tài)，局部軟塑；2-4a 層粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂層，飽和，軟塑，粉土呈稍密狀態(tài)；2-5 層粉質(zhì)黏土夾粉土、粉砂層，飽和，粉砂土層呈稍密～中密狀態(tài)，粉質(zhì)黏土呈軟塑狀態(tài)；3-1 層粉細(xì)砂，飽和，稍密～中密狀態(tài)；3-1a 層粉質(zhì)黏土，飽和，軟塑狀態(tài)；3-2 層細(xì)砂，飽和，中密及密實(shí)狀態(tài)；3-2a 層粉質(zhì)黏土，飽和，軟塑狀態(tài)；3-3層中粗砂，飽和，密實(shí)狀態(tài)；4 層角礫夾卵石，飽和，中密；5-1 層強(qiáng)風(fēng)化泥巖，巖芯多呈土狀，手捏可碎，屬極軟巖；5-2 層中風(fēng)化泥巖，屬軟巖，巖體較破碎。

2.2 水文地質(zhì)條件

該場(chǎng)地地下水主要為上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水。 綜合水文地質(zhì)資料的分析，對(duì)本次工程造成主要影響的是孔隙承壓水，它對(duì)基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)的影響應(yīng)受到重視。

孔隙承壓水主要賦存于2-5 層、3 層及4 層，它們分別為弱透水層、 強(qiáng)透水層及強(qiáng)透水層。 勘測(cè)期間，實(shí)測(cè)承壓水埋深約7.50～8.20m，承壓水測(cè)壓水位標(biāo)高約13.00～13.10m。

3 基坑降水特性分析

3.1 降水滲流理論

進(jìn)行基坑降水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，需要選用滲流公式確定降水井的各項(xiàng)參數(shù)，如井的直徑、數(shù)目、深度等。 其中，滲流公式是依據(jù)基坑深度、場(chǎng)地水文地質(zhì)條件等來(lái)確定的。 當(dāng)降水井布置在有潛水自由面的含水層中，即地下水面為自由水面時(shí)，即為無(wú)壓井；當(dāng)降水井布置在承壓水含水層中，即隔水層間的地下水有一定水壓時(shí)，則為承壓水。 最后，完整井是指那些井底到達(dá)不透水層處的降水井，而非完整井則是井底未到達(dá)不透水層處[2]。

1857年，法國(guó)的水力學(xué)家Dupuit 研究了關(guān)于地下涌水的理論，關(guān)于完整承壓井及完整潛水井涌水情況的研究有如下4 條相關(guān)假定：①含水層是均質(zhì)及各向同性的；②水流是層流；③流動(dòng)條件為穩(wěn)定或非穩(wěn)定流；④井的出水量不隨時(shí)間變化[3]。

3.2 基坑涌水量的計(jì)算及分析

3.2.1 抽水試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，確定土的滲透系數(shù)，能更真實(shí)反映場(chǎng)地內(nèi)土層的滲透性。 抽水測(cè)試的信息如下：J-03、J-04、J-07、J-08 為降水井；J-01、J-06、J-10、J-13、J-14、C-05、C-08、C-11 是用于觀測(cè)水位變化的觀測(cè)井。

本次試驗(yàn)為進(jìn)行承壓水非完整井的抽水試驗(yàn)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單井兩個(gè)落程的抽水試驗(yàn)，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的數(shù)據(jù)資料，采用承壓水非完整井的相關(guān)公式計(jì)算含水層水文地質(zhì)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 抽水試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果匯總表

綜上，平均滲透系數(shù)為：

平均影響半徑為：

3.2.2 基坑涌水量各類參數(shù)計(jì)算

地面標(biāo)高：21.95m；開(kāi)挖深度：24.07m；基底標(biāo)高：-2.12m；當(dāng)前水位：12.00m（承壓水頭埋深2.25m）；超降深度：2.00m；水位變化幅值：3.00m；含水層頂板標(biāo)高：13.10m；含水層底板標(biāo)高：-28.50m。

承壓水水位下降設(shè)計(jì)值為：

含水層頂面與設(shè)計(jì)下降水位的高差為：

含水層底面起算的承壓水水頭高度為：

H=12.00-(-28.50)=40.50m

基坑降水計(jì)算采用的控制參數(shù)：基坑長(zhǎng)A 為108.0m，寬B 為22.5m，含水層厚M 為41m。 承壓水水位下降設(shè)計(jì)值S、含水層頂面與設(shè)計(jì)下降水位的高差L、從含水層底面起算的承壓水水頭高度H 值見(jiàn)上文計(jì)算結(jié)果。

其中，基坑等效圓半徑為：

式中，F(xiàn) 為基坑面積。

關(guān)于承壓水完整井基坑涌水量Q 的幾類規(guī)范算法如下。

（1） 湖北省地標(biāo)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB42/T 159—2012）[4]給出的基坑涌水量Q 計(jì)算：

式中，K0為含水層滲透系數(shù)概化值（m/d），其他參數(shù)含義同上。（2） 軌道交通規(guī)范 《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50307—2012）[5]給出的條形基坑涌水量Q 的計(jì)算：

式中，A 為條形基礎(chǔ)長(zhǎng)度，B 為條形基礎(chǔ)寬度，其他參數(shù)含義同上。

（3） 基坑規(guī)程《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120—2012）[6]給出的基坑涌水量Q 的計(jì)算：

基于上述三種基坑涌水量Q 計(jì)算結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)軌道交通規(guī)范與基坑規(guī)范的涌水量計(jì)算結(jié)果相近，而湖北省標(biāo)的計(jì)算結(jié)果與它們有較大差距，由湖北省地標(biāo)計(jì)算得到的基坑涌水量Q 會(huì)偏大，這體現(xiàn)了湖北省標(biāo)對(duì)武漢地區(qū)地下水豐富的考慮。 本次工程雖然在漢口地區(qū)，但現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水位出現(xiàn)偏低的現(xiàn)象，這和附近基坑工程的降水影響有關(guān)。 所以，結(jié)合具體工程實(shí)際情況，本次基坑涌水量Q 計(jì)算選用基坑規(guī)程相關(guān)公式。

考慮到地下連續(xù)墻對(duì)基坑內(nèi)滲透系數(shù)的影響，需對(duì)基坑內(nèi)滲透系數(shù)折減，其中取K=7.0m/d[1]，在其他參數(shù)不變中，再帶入基坑規(guī)程的基坑涌水量計(jì)算公式（3），可得基坑涌水量Q 約為10475m3/d。

3.3 降水井的數(shù)量及布設(shè)

管井的單井出水量計(jì)算公式為：

式中，q——單井出水量 （m3/d）；r——過(guò)濾器半徑（m）；l——過(guò)濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度（m）；k——含水層的滲透系數(shù)（m/d）。

將各參數(shù)數(shù)值帶入，經(jīng)計(jì)算得：q=1417m3/d，故最后單井出水量取750 m3/d 是合理可靠的，則通過(guò)計(jì)算的降水井?dāng)?shù)量為：

實(shí)際布置的降水井?dāng)?shù)量為17 口，降水井布置時(shí)應(yīng)避開(kāi)梁、柱、樁等。 正式施工前應(yīng)對(duì)井位進(jìn)行核對(duì)，井位可在一定范圍內(nèi)調(diào)整，考慮到基坑左端區(qū)域有高架橋及已建成的地鐵等重要建筑，該區(qū)域降水井?dāng)?shù)量減少，降水井的布置方式見(jiàn)圖1。

圖1 王家墩東站基坑降水井初始布置圖

圖中降水井是J 開(kāi)頭的編號(hào)，備用降水井是以BJ 開(kāi)頭的編號(hào)，基坑周圍D 開(kāi)頭編號(hào)的是沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，C 開(kāi)頭編號(hào)的降水井是作為抽水試驗(yàn)的觀測(cè)井。

4 王家墩地鐵站深基坑降水設(shè)計(jì)

基坑降水模式采用深井降水，初步設(shè)計(jì)是要將水位降至最終開(kāi)挖面下的1～2m。 本次降水設(shè)計(jì)通過(guò)天漢降水軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，同時(shí)結(jié)合湖北省地方標(biāo)準(zhǔn)《基坑工程技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行計(jì)算分析。

4.1 降水井與鉆孔參數(shù)及相關(guān)控制參數(shù)

將王家墩地鐵站降水井的相關(guān)參數(shù)、各土層厚度、壓縮模量、修正系數(shù)等參數(shù)輸入天漢降水軟件信息輸入版塊中，本次降水井J-01～J-15 泵量在1200～1500T/D，井深38.0m，影響半徑R 為175.5m。

4.2 水位降幅及沉降計(jì)算結(jié)果

4.2.1 基坑內(nèi)外承壓水頭的降幅

本次基坑降幅由天漢降水軟件計(jì)算模擬得到，考慮到基坑內(nèi)外滲透系數(shù)的相對(duì)差異，通過(guò)CAD 調(diào)整合并，便可得到準(zhǔn)確的基坑內(nèi)外的降水后承壓水水頭降幅的等值線圖，如圖2 所示。

由圖2 分析可得： 基坑內(nèi)的水位降幅主要在15.0～18.0m 之間，水位基本降低到基坑最終開(kāi)挖面下的1.0～2.5m，降幅模擬結(jié)果符合本次工程基坑降水要求。

圖2 王家墩東站承壓水頭降幅等值線（m）

4.2.2 基坑周圍的地面沉降

本次王家墩東站的地鐵站基坑降水的沉降計(jì)算采用《湖北省基坑管井降水工程技術(shù)規(guī)范》[7]中沉降量的計(jì)算公式，將相關(guān)參數(shù)輸入天漢降水軟件中，通過(guò)軟件計(jì)算得到了基坑及周圍區(qū)域的沉降等值線，具體見(jiàn)圖3。同時(shí)，選取現(xiàn)場(chǎng)幾組監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)，具體如圖4 所示。

從圖3、圖4 的分析可知，距離基坑越近，且越靠近基坑中心，沉降量越大，最大沉降量可達(dá)36.0mm，整個(gè)沉降等值線呈現(xiàn)以基坑為中心，向四周以同心橢圓的形態(tài)展開(kāi)分布；同時(shí)對(duì)比模擬沉降量及實(shí)測(cè)沉降量，得到模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)沉降量接近，基坑周邊沉降量在20.0～40.0mm 之間。

圖3 王家墩東站周圍地面沉降等值線（mm）

圖4 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)實(shí)際沉降量隨時(shí)間變化曲線

5 回灌井設(shè)置

基坑降水會(huì)造成一定區(qū)域內(nèi)土體中的地下水位下降，土體的孔隙水壓力減小，有效應(yīng)力便會(huì)增加，而在土顆粒間的有效應(yīng)力作用下，會(huì)引起土顆粒的位移，使土孔隙體積減小，土體發(fā)生相應(yīng)的壓縮變形，地面便會(huì)發(fā)生沉降[8]。 地面產(chǎn)生的差異沉降會(huì)使周圍的建筑物及其他設(shè)施產(chǎn)生開(kāi)裂損壞等問(wèn)題，因此，基坑降水過(guò)程需要嚴(yán)格控制、監(jiān)測(cè)地面沉降的發(fā)生。

考慮到基坑降水對(duì)周圍的影響，在深基坑降水過(guò)程中，可以在基坑外的一定范圍內(nèi)布置回灌井[9]。 本次共設(shè)置4 個(gè)回灌井（H開(kāi)頭的為回灌井），并基于天漢降水軟件分析計(jì)算，得到了設(shè)置回灌井的基坑外地面沉降大小，如圖5 所示。

圖5 布置回灌井的周圍地面沉降等值線圖（mm）

由分析可知，同未設(shè)置回灌井地面沉降等值線圖3 及實(shí)測(cè)沉降量圖4 對(duì)比，本次地面沉降大小整體減小了3.0mm 左右，回灌井附近沉降量的減少量能達(dá)到5.0～10.0mm。所以回灌井的設(shè)置能對(duì)基坑周圍的沉降變形有所控制，因此基坑降水過(guò)程中，設(shè)置合理數(shù)量的回灌井能有效減小基坑周圍沉降，進(jìn)而保護(hù)周圍各類對(duì)沉降變形敏感的重要設(shè)施。

6 結(jié)語(yǔ)

本文基于天漢降水軟件，模擬了武漢地鐵站深基坑降水的設(shè)計(jì)方案，得到的設(shè)計(jì)方案滿足本次基坑降低水位的要求，同時(shí)分析得到設(shè)置回灌井能減小地面沉降達(dá)3.0mm，最大達(dá)到5.0～10.0mm。 因此基坑降水過(guò)程中，通過(guò)設(shè)置合理數(shù)量的回灌井能有效減小基坑周圍沉降，進(jìn)而保護(hù)周圍構(gòu)筑物地基穩(wěn)定，研究對(duì)武漢類似深基坑降水具有一定參考意義。