复合含水地层基坑降水,施工技术

复合含水地层基坑降水 施工技术

马向强

中铁十四局集团隧道工程有限公司 山东济南 250000

摘 要 随着城市轨道交通快速发展，中心城区地铁车站深基坑开挖工程遍地开花，由于位于中心城区，周边环境复杂，不同地质基坑降排水施工工艺繁多，基坑降排水对车站基坑周边环境及基坑开挖影响较大。通过对复合含水地层基坑降水施工技术研究，总结出高效、安全的降排水施工措施，有效的保证了基坑降水过程中周边环境安全及基坑开挖安全。

关键词 深基坑 复合含水地层 降排水 安全

Construction technology of foundation pit dewatering in composite aquifer stratum

Ma Xiangqiang

(China Railway 14^th Bureau Group Tunnel Engineering Co. LTD.，Jinan Shandong 250000，China)

Abstract With the rapid development of city rail traffic engineering, deep foundation pit excavation of subway station blossom everywhere city center located in the city centre, due to the complex surrounding environment, different geological foundation pit dewatering construction technology range of foundation pit dewatering station foundation pit excavation and surrounding environment influence. Through the water layer of foundation pit dewatering construction technology of the composite containing, summed up the drainage construction measures efficiently and safely, effectively guarantee the safety of surrounding environment safety and the excavation process of pit precipitation.

Keywords Deep foundation pit; Composite aquifer; Dewatering and drainage; Security;

1^ 工程简介

牛王庙站为成都地铁6号线一、二期工程工点设计的第27个车站，车站位于一环路与牛王庙上街交叉口南侧，延一环路布置，一环路为城市主干道，车站周边环境复杂。

牛王庙站中心里程右YDK35+540.034，分界里程为右线：YDK35+432.434～YDK35+725.434；左线：ZDK35+432.43～ZDK35+776.860，车站为13米岛式车站，标准段宽度为22.5m，车站长度339.7米，车站两端均为盾构区间。顶板有效站台中心覆土厚度约为3m，底板埋深25.9m。

2 工程水文地质情况

2.1 岩土分层及其特征^[1]

根据钻孔揭示，场地范围内上覆第四系人工填土层（Q4ml）；其下为第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）粉质黏土、黏质粉土、细砂、中砂及卵石，下伏基岩为白垩系上统灌口组泥岩（K2g）。

(1)人工填土层(Q4ml)

<1-1>杂填土：黄褐、灰褐等杂色，松散～稍密，干燥～稍湿，主要由混凝土块、碎石及少量黏性土等组成。该层在本车站范围普遍分布，层厚2.00～5.10m，层顶标高495.74～497.51m，层底标高490.86～495.51m。

(2)冲洪积土层（Q3al+pl）

<2-2>粉质粘土：灰褐、黄褐色，可塑，主要由黏粒组成，含少量粉粒，手搓捻略有砂感，稍有光泽反应，无摇振反应，干强度中等，韧性中等。层厚1.20～5.50m，层顶标高479.14～485.71m，层底标高475.38～480.21m。

<2-3-1>粉土：灰黄色、灰色，中密～密实，湿，呈土块状，手捏易碎，质较纯，无光泽反应，摇振反应中等，干强度低，韧性低，含云母，黏粒含量15.3%～18.2%。层厚0.50～2.60m，层顶标高491.92～495.51m，层底标高490.94～494.81m，层顶埋深2.00～4.30m。

<2-4>:细砂：青灰色～灰黄色，湿～饱和，松散，主要成分为长石、石英，次为云母，局部夹少量卵石。层厚0.50～2.40m，层顶标高493.34～494.85m，层底标高492.04～494.11m，层顶埋深为2.40～3.80m。

<2-5>中砂：青灰色～灰黄色，饱和，稍密，主要成分为长石、石英，次为云母，局部夹少量卵石，主要以透镜体形式分布于卵石层中。层厚0.70～2.70m，层顶标高481.32～492.24m，层底标高479.92～491.54m，层顶埋深为4.80～15.50m。

<2-9-1>松散卵石：褐灰色为主，湿～饱和，圆砾及细砂、中砂充填，卵石磨圆度较好。层厚0.60～4.50m，层顶标高483.82～494.11m，层底标高482.42～492.71m，层顶埋深为3.40～13.40m。

<2-9-2>稍密卵石：褐灰色、浅灰色，潮湿～饱和，稍密，磨圆度较好，分选性较差。层厚0.50～4.10m，层顶标高479.92～492.71m，层底标高479.14～491.21m，层顶埋深为3.50～16.30m。

<2-9-3>中密卵石：褐灰色、浅灰色，中密，局部稍密，饱和，圆砾、中砂充填。层厚0.90～5.80m，层顶标高481.34～490.14m，层底标高479.87～488.24m，层顶埋深为6.90～15.60m

<2-9-4>密实卵石：褐灰色、浅灰色，饱和，密实，磨圆度较好、分选性差，圆砾、中砂充填。层厚0.70～4.10m，层顶标高480.25～488.24m，层顶标高476.45～485.68m，埋深为8.40～17.00m。

(3)白垩系上统灌口组泥岩（K2g）

泥岩顶板起伏较大，顶板标高470.70～489.71m，与上覆第四系地层呈不整合接触。

<5-1>全风化泥岩：暗红色、紫红色，结构构造基本破坏，岩芯多呈土状，岩质软，遇水软化，易崩解，属极软岩，岩体极破碎，岩体基本质量等级Ⅴ级。该层层厚0.50～3.40m，层顶标高475.38～480.59m。

<5-2>强风化泥岩：暗红色、紫红色，泥质结构，块状构造，水平节理较发育，岩芯多呈碎块状，少量短柱状，岩体破碎～较破碎。属极软岩，岩体基本质量等级Ⅴ级。

<5-3>中等风化泥岩：暗红色、紫红色。泥质结构，块状构造，岩质较软。节理、裂隙较发育，局部裂隙面可见黑色氧化物膜，岩芯多呈短柱状，少量长柱状及碎块状。为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ级。层顶标高470.94～477.49m。

2.2 地下水类型及赋存

根据成都区域水文地质资料及地下水的赋存条件，场地地下水主要有三种类型：一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂、卵石层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。

上层滞水：上层滞水呈透镜体状分布于地表，赋存于黏性土层之上填土层中。水量变化大，且不稳定。

第四系孔隙水：场地卵石层较厚，且成层状分布，局部夹薄层砂，其间赋存有大量的孔隙潜水，其水量较大、水位较高。卵石层中孔隙潜水形成贯通的自由水面，对车站基坑开挖影响大。

基岩裂隙水：场地内揭露基岩为白垩系灌口组紫红色泥岩，地下水赋存于基岩裂隙中，含水量一般较小，对明挖车站开挖影响较小。

图1 基坑地质柱状图

3 降水方案设计

3.1 降水目的

根据本工程开挖及结构施工要求，通过降水及时疏干开挖范围内的地下水，保持开挖面的干燥，并增加作业面的稳定性，防止开挖面失稳，改善土体开挖运输性能，保证基坑开挖、主体结构施工及周边环境安全。

3.2 管井降水设计

根据工程场地的水文地质条件及工程地质条件，场地分布的卵石、砂土间无隔水层，相互间水力联系好，它们视作一个共同的含水层，地下水赋存形式为孔隙潜水。表层杂填土及黏性土中存在少量上层滞水，但水量很小。因此，基坑开挖的涌水量主要就是基坑在卵石及砂土中的涌水量。本次涌水量计算水位埋深按高程478.0（强风化与卵石分界处）～490.5m（水位线）取值为12.5m，路面标高497.0m，基坑开挖深度按25.9m考虑，车站底板位于泥岩层。

3.2.1 基坑涌水量

基于上述分析，基坑开挖时，基坑涌水形成无压流动，假设其供给方向和排泄方向影响半径相同、水头相同。根据《建筑与市政工程地下水控制技术规范》（JGJ111-2016）^[2]、《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）^[3]的规定，按等效大井涌水量计算，采用潜水完整井公式计算基坑涌水量：

Q—基坑涌水量(m3/d)；

k—含水层渗透系数（m/d），取k=22m/d；

H—潜水含水层厚度(m)，按12.5m计；

S—设计降水深度，按12.5m计；

R—降水影响半径(m)， ；

R=2S√HK=2*12.5*√(12.5*22)=415m

r₀—基坑等效半径（m）；

可按r0=0.565√A

r₀=0.565*√A=0.565*√9232.6=54.3m（矩形状基坑）；

A—基坑面积（m2）(A 为降水井群连线所围的面积；车站加盾构区域加固累计长度344.4米，设计降水井位置需距开挖面不小于2m，因此基坑长度L取值应为：344.4+2×2=348.4m。车站基坑宽度22.5m，围护桩外侧距离侧面降水井外侧2.0m，因此基坑宽度B取值应为：22.5+2×2=26.5m。A=348.4*26.5=9232.6㎡)

经计算，本车站基坑涌水量

表1 牛王庙站正常涌水量一览表

图2 基坑涌水量计算简图

3.2.2 降水井单井出水量计算

根据《建筑与市政工程地下水控制技术规范》（JGJ111-2016）的规定，降水管井的单井出水能力应选群井抽水中水位干扰影响最大的井，按下式确定：

q—单井出水能力（m3/d）；

rs—过滤器半径（m），本工程管井过滤器半径0.15m；

l——过滤器进水部分有效长度(m)，根据降水井深度折减后取2.5m；

k—含水层渗透系数（m/d），取22m/d。

按干扰井群考虑计算时，设计单井流量不超过单井出水能力，单井出水按50%考虑，单井出水量q=396×50%=148m³/d。

3.2.3 降水井数量计算

n—降水井数量

Q—基坑总涌水量；

λ—调整系数，取一级安全等级1.2；

q—单井出水量（m3/d），取148 m3/d。

计算得出n=37，考虑场地形状不规则，最终布置40口降水井。

3.2.4 降水井深度计算

H_W=H_W1+H_W2+H_W3+H_W4+H_W5+H_W6

式中：

H_W—降水管井深度(m)；

H_W1—基坑开挖深度(m)，即25.9米；

H_W2—降水水位距离基坑底的深度(m)，即-6.9米；

H_W3—ir₀，i为水力坡度，在降水井分布范围内宜为1/10～1/15，取值为1/15；r₀为降水井分布范围的等效半径或降水井排间距（54.3m）的1/2，计算得：54.3÷2÷10=2.72m；

H_W4—降水期间的地下水位变幅(m)，已按稳定水位计算，取0；

H_W5—降水井过滤器有效长度(m)，由于基坑底部泥岩，有效长度取0米；

H_W6—沉砂管长度(m)，根据沉砂管模数，取2.5米；

H_W=25.9-6.9+2.72+0+2.5=24.2m，由于车站基坑底部为泥岩，考虑管节模数，取22.5m。

3.2.5 降水井结构及布设间距

(1)降水井结构^[4]

成孔直径：600mm。

降水井管采用钢筋混凝土管，其外径360mm，内径300mm，分滤水管和盲管两种，长度均为2.5m。

井管布置方式：降水井深度为22.5m，共由9根井管组成。其中，透水层采用滤水管4根，最顶部采用盲管4根，底部采用盲管1根作为沉砂管，滤水管外侧采用1层80目锦纶密目网包裹。

图3 降水井管大样图

(2)降水井布设间距

L=S/n

L—降水管布设间距(m)；

S—降水井沿基坑闭合周长，即749.8m；

n—降水布置数量；

计算得出L=749.8/40=18.8m

降水井在基坑外2m位置沿基坑一周进行成环布设，布设间距为18.8m。

3.3 岩层分界降水设计

根据岩层分布情况及管井降水特性，基坑范围内泥岩层地下水赋存于基岩裂隙中，透水系数较小，含水量一般较少，对明挖车站开挖影响较小。

根据管井降水形态（漏斗状），相邻两个降水井中间位置存在岩层分层地下水，管井降水无法将该位置赋水进行抽排。基坑开挖过程中，该位置存在渗漏水情况。

3.3.1 降水水力坡度

参考相关文献^[5]，井管降水水力坡度i在管井分布范围内宜为1/10～1/15；根据管井降水设计，本工程管井布设间距为18.8m，考虑岩层分层渗漏水的安全性，取1/10管井布设间距。

i=18.8/10=1.88m

水力坡度线如下图所示：

图4 管井降水水力坡度曲线

3.3.2 岩层分界降水方式

基坑开挖过程中，考虑岩层分层地下水无规律流向，相邻两个降水井中间位置采用临时引排集中处理的方式进行排水，相关技术标准参照渗井相关要求。

3.3.3 岩层分界排水管布设

(1)岩层分界处地下水流速

该部分水体为重力水，水的质点有秩序地、互不混杂的流动，为层流运动，在土中的渗透流速可按达西定律计算^[5]：

V=Ki

V—水在土中的渗透流速；

K—土的渗透系数，取22m/d；

i—水力坡度，取1.9m

通过计算可得V=41.8m²/d。

(2)岩层分界处地下水流量

根据管井布设，基坑外侧2m范围内无水，同样考虑岩层分界处2m范围内无水要求，岩层分界处每天水流量为q=V×2m=93.6≈94m³/d。

(3) 相邻管井范围内排水管数量

排水管孔隙率参照渗井相关技术要求，采用钢管圆孔过滤器，其孔隙率为30%～35%，本工程取值为30%。

单孔排水数量q’=q×过滤器孔隙率=94×30%=28.2m3/d;

排水孔数量n=q/q’=94/28.2=3.3≈4

根据计算，相邻管井范围内排水管数量按照3.7m间距布设4口。

(4)排水孔管材及布设

现场采用ф108mm，t=6mm无缝钢管作为排水管，单根排水管长度为2.5m，垂直于基坑面外插角3°～5°，相邻管井范围内按间距3.7m进行布设。钢管采用台钻进行钻孔，严格控制钢管孔隙率要求，外侧包裹一层40目密目网。钢管打设采用地质钻机钻孔，钻孔直径为150mm。

图5 岩层分界处排水管布设示意图

基坑开挖至岩层分界处时，及时打设排水管，并接排水管软管引流至基坑内集水坑，统一抽排至地面进行排放。

3.3.4 岩层分界处排水管后期处置

由于基坑开挖及主体结构施工周期较长，前期不宜对该位置排水管进行注浆处理。待主体结构施工至该位置后，对排水管进行注浆堵水，已保证主体结构防水质量要求。注浆施工工艺技术可参考相关规范及相关文献^[6]。

6 基坑降水技术措施

(1)参照地勘报告资料，及时记录打井过程中土层情况，如遇（细沙、中砂）等不良透镜体时，及时调整井管构造。

(2)确保降水井施工质量，初步确定降水井水中含砂率，滤料及滤网的选用要符合要求。

滤料：含水层段滤料应具有一定的磨圆度，滤料含泥量（含石粉）≤3%。严禁使用片状、针状的石屑；各方位填料应均匀、速度不得过快，避免造成滤管偏移及滤料在孔内架桥现象。洗井后滤料下沉应及时补充滤料，实际填料量不小于理论计算量的95%。

滤网：滤水管外侧滤网应采用80目锦纶密目网包裹。

(3)在正式降水施工前，围护结构施工完成后，对该工程进行群井抽水试验，验证已布置降水井数量能否满足开挖要求，必要时调整方案，做到科学降水。

(4)降水过程中抽水应做到持续稳定，并且专人负责查看，严禁猛抽猛排，保证降水质量。

(5) 为减少降水量及降水对周边环境的影响，在降水运行过程中，要做到随开挖深度的加深，逐步降低地下水位，始终保持地下水位位于开挖面以下1～2m。基坑开挖区降水井应提前预抽水15天，保证降水效果。

7 结论

结合本项目牛王庙站复合含水地层基坑降水，制定出切实可行的基坑降水方案。有效的保证了复合含水地层基坑降水质量，避免了因基坑降水不利，导致基坑突水情况发生。有效的保证了基坑施工安全及周边环境安全。

参考文献

[1] 《成都地铁6号线一二期工程牛王庙站地质勘察报告》.

[2] 《建筑与市政工程地下水控制技术规范》（JGJ111-2016）

[3] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）

[4] 《管井技术规范》（GB 50296-2014）

[5] 张永波，孙新忠. 基坑降水工程. 地震出版社，2000：6-8

[6] 崔玖江，崔晓青. 隧道与地下工程注浆技术. 中国建筑工业出版社，2011：20-28.

收稿日期：2018-03-09

基金项目：无

作者简介：马向强（1987-），工程师，地下工程施工技术管理。

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