临近江河湖泊富水砂层车站明挖基坑降水技术探究

临近江河湖泊富水砂层车站明挖基坑降水技术探究

刘志鹏

身份证号码：142329198407250211 

论文摘要：深基坑施工中止水和降水技术是工程实施的关键问题，又是岩土学中比较复杂和困难的问题，归其影响因素多，隐蔽情况多，随机性强。随着城市建设的快速发展，临近江河湖泊建筑基坑工程逐日增多。此类工程在施工过程中外部水源对基坑含水层具有较强的补给作用，当开挖范围内含水层为粉细砂、粉土等不稳定地层，基底存在渗透性较差粉质粘土层时，降水难度大，处理不当将发生流砂、管涌、潜蚀等渗透变形危害，必须采取有效的地下水控制措施。通过对基坑涌水量计算，并针对明挖基坑地下水补给路径分析，采取加密降水井和采用大功率潜水泵等措施加强降水，并加强过程中的监测，增强基坑降排水效果。并对局部层间止水等出水量较大的部位采用泄水孔引流排除，超前注浆置换等措施解决滞水处理困难难题。

关键词：临近江河湖泊、深基坑、富水砂层、降水

一、工程概况

（一）车站结构

本站位于京杭运河西岸，车站东端头距离运河岸边仅为95m。

车站南侧为放坡开挖结合桩+锚围护结构，北侧为桩+锚围护结构，车站主体主要采用双柱三跨结构。车站全长219.1m，基坑深约18.35～19m（北侧浅基坑深10.75m），负二层标准段宽度为20.9m，负一层标准段宽为28.8m，车站站台标准宽度12m，车站覆土为3.3-3.5m。车站共设3个出入口、3个紧急疏散口、2个小风亭、1个无障碍出口，分别设于车站两端。车站主体、出入口、风道、紧急疏散口、无障碍出口均采用明挖法施工。

（二）工程地质水文条件

车站顶板以上为杂填土，车站开挖范围内均为粉细砂、中砂层，车站底板持力层为粉质粘土层。

主要赋存两层地下水，水位埋深约3.5m，地下水类型分别为潜水（二）和承压水（四），地下水详细情况如下：

潜水（二）：含水层岩性主要为粉细砂②3层、细中砂⑤层及圆砾⑤4层，水位埋深为6.0～9.2m。该层水属于中等～强透水层，连续分布，主要接受降水入渗及侧向径流及越流补给，以侧向径流或越流方式排泄。

承压水（四）：含水层岩性为细中砂⑦层，水位埋深为9.3～10.5m，该层水属于强透水层，连续分布。含水层主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流和人工开采的方式排泄。

图1车站地质纵断面图

（三）工程环境情况

1.各种地表水体、地下水对工程的影响

距离车站主体最近的地表水体是北运河，距离约为95m，处于场地东侧。该段河宽约400m，河底标高约15.43m，现状水面标高约18.43m，水深约3.0m，河底未衬。根据地质勘察报告，河底基本为粉细砂②3层；本站粉细砂②3层属于潜水（二）含水层，水位标高12.07～14.13m低于北运河水面标高，地下水与北运河流向基本一致。综合判断北运河与地下水之间存在水力联系，河水对潜水（二）层具有较强的补给作用。

2.地下各种管线(沟)对工程的影响

对于已有的老旧地下管线，其抗变形能力较差，须采取必要的加固措施。尤其是老旧上、下水管线，长期滴漏渗水，浸泡土体，改变土体强度，极易造成工程事故，因此需要对附近的管线渗漏情况进行检查，包括检查其他种类的管沟内是否存水。

在正式进行开挖前，应进一步确认地下管线种类、分布情况、结构构造及完好程度，尤其是在抗变形能力方面的现状情况，对开挖有影响的管线须提前改线。

（四）车站降水设计

为达到明挖基坑开挖条件，本工程设计采用封闭式管井降水方案，车站降水设计如下：

表1车站降水设计参数表 

二、临近河流富水砂层车站明挖基坑降水施工技术

（一）降水设计要求

1.降深控制要求

上层滞水：施工范围内要求疏干。

潜水：潜水位要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在潜水含水层底板以下，则要求将开槽范围内的潜水含水层基本疏干；若层间潜水分布在槽底以上，则要求将开挖范围内的层间潜水基本疏干。

承压水：承压水压力水位高度按H•γ/Hw•γw≥Ks控制（H为承压含水层顶板至开挖槽底的土层厚度，r为土的容重,Hw为压力水头高度,γw为水的重度，Ks为安全系数，取1.2）；若开挖槽底在承压水含水层顶板以下，承压含水层底板以上，要求降至槽底以下0.5～1.0m；若开挖槽底在承压含水层底板以下，要求将承压水基本疏干。

2.附加沉降要求

本工程降水影响范围内不存在高层建筑、高耸建筑、古建筑、危险建筑、重要工程设施等。由降水引起的附加沉降不会对周边建构筑产生危害性影响及影响其正常使用。

（二）降水井参数验算

1.基坑涌水量计算

根据勘察资料、设计资料及降水设计规范规定的将地下水位控制在结构底板以下1.0m的原则，综合考虑结构底标高、地层、地下水等各项因素，对该站体主体结构进行降水计算，计算结果如下：

1）基本参数

明挖基坑尺寸：长边a=219.1m，宽b=36m；

结构底标高：一般段hd=3.05m；加深段hd=2.4m；

地面标高：hg=21.4m；

潜水（二）层水位取值h1=13.45m；含水层厚度H1＝24.50m；

潜水（二）层渗透系数取值：k＝18m/d；

水位在槽底以下降深：△h=1.0m。

2）降水计算

计算涌水量采用潜水非完整井模型。

潜水非完整井模型

hm=(H+h)/2

基坑等效半径公式

降水影响半径公式

Q----基坑总涌水量（m³/d）；

k----渗透系数（m/d）；

R----降水影响半径（m）；

H----潜水含水层的厚度（m）；

r0----基坑等效半径（m）；

S----基坑设计水位降深值（m）。

3）计算参数的选取

根据上述计算公式，结合勘察报告给定参数及地区经验，本工程降水计算参数如下表：

表2 车站降水计算参数表

2.单井出水量及井数计算

1）单井出水量q

q＝120=457.8m3/d，考虑设计井间距及群井效应，根据北京地区经验，井间距为6m时，单井的日涌水量的折减率为0.65：即q’＝0.65×457.8=297.6m3/d。

2）降水井理论数量

n＝1.1=18732/297.6=70眼，考虑到降水周期长及降水速率快及前期工程经验等因素，实际布井112眼。

根据涌水量计算及拟采用的水泵型号、泵数，结合类似场地的降水施工经验，在土方开挖要有14天的提前降水期。

（三）降水和排水系统设计

1）排水系统设计

水泵：采用扬程大于26m，最小出水量为20m3潜水泵，考虑水泵功耗，正常工作日抽水量为20×24×0.8=384m3,满足要求。在正式抽水前进行降水试验，根据试验效果确定最终的水泵型号。

2）排水总管设计

集水总管的直径D可采用下列公式计算

D＝2=0.39m，拟采用直径403mm波纹管（暗埋为600mm波纹管）、PVC管，根据现场排水出口位置，沿降水井周边布置。排水管线坡度不小于3‰。

3）排水口设计

基坑东南、东北、西南侧各设1处排水口，并设置沉淀池（容积不小于4 m3）。

经现场查验，排入市政管网的管径为800mm，满足排水量要求。

（四）抽水试验

1.抽水井及观测井的设计与布置

根据工程要求及现场条件，在基坑东北侧布置10眼试验管井，进行多孔抽水试验。10眼井根据试验的需要，在不同的阶段分别作为抽水孔或观测孔使用。

水井设计：井深30m，井内径400mm，外径500mm,孔径600mm；过滤器采用无砂混凝土滤水管。

2.抽水试验的方法

非稳定流抽水试验是对1#、4#井进行抽水，其它井作为观测孔进行的抽水试验；多级泵量试验性抽水是通过调整1#井抽水量对1#井进行抽水，其它井作为观测孔进行的抽水试验。具体观测情况见下表：

表3 抽水试验方法表

抽水设备采用潜水泵，电源而采用当地电源，出水量测量采用水表；水位观测采用自制水位计。抽水主井和观测孔的水位使用自制水位计量测，在量测前分别对各个观测井井口高程进行了校核，现场由一名指挥人员专门负责计时和发布观测指令，抽水主井和观测井的各次观测同一时间进行，基本消除了时间差的误差。

（1）静水位观测：正式抽水前，观测静止水位。并作记录。

（2）动水位、出水量观测

对抽水井、观测井水位的观测在正式抽水试验开始后第1、3、5、10、15、20、30、60分钟各观测一次，以后每隔30分钟观测一次，直到水位稳定。

（4）恢复水位观测

抽水试验结束或中途因故停泵，需进行恢复水位观测。观测时间间距为：1分、3分、5分、10分、15分、20分、30分，以后每隔30分钟观测一次，直至完全恢复，观测精度要求同稳定水位的观测。

（5）抽水试验现场资料整理

抽水过程中，及时进行资料整理（抽水主井和观测井地下水历时曲线，Q—S曲线，S—t曲线和S—lgt曲线等），以便发现问题，及时解决。

3.试验步骤

洗井结束后，待水位恢复再按设计位置下沉水泵，下入位置宜在井管下半部分即8-10m深的位置，以保证足够的降深。试抽前，先连接好排水管道及电源线路，试抽3个小时，测定抽水井内水位及观测井内水位变化，等水位恢复后，进行正式抽水试验。抽水需要每天派人24小时现场值班，并按做好抽水记录。

4.数据分析

根据记录数据依据《建筑施工计算手册（第二版）》第三章中土的渗透系数计算公式进行计算，见下式：

K=0.73Q（lgr1-lgr）/(h12-h2)=0.73Q(lgr1-lgr)/(2H-S-S1)(S-S1)

式中  K-渗透系数（m/d）；

      Q-抽水量（m3/d）；

      r-抽水井半径（m）；

      r1-观测井至抽水井的距离（m）；

      h-由抽水井底标高算起完全井的动水位（m）；

      h1-观测井的水位（m）；

      S-抽水井的水位降低值（m）；

      S1-观测井的水位降低值（m）；

      H-含水层厚度（m）。

5.试验成果报告

将现场采集的数据进行了汇编，包括：稳定流及非稳定流抽水试验：抽水孔水位观测记录、观测孔水位观测记录、流量观测记录、水位恢复记录等。根据现场资料整理绘制Q-s曲线、s-t曲线、s-lgr及h2-lg(1+tk/Tt)曲线等。通过试验取得计算参数的原始资料，包括钻孔柱状图等，再依据试验数据计算出渗透系数、降水半径等试验成果。

（五）降水动态监测成果分析

降排水阶段，主要进行了地下水水位动态观测。降水井点布置图如图所示。

图2 井点监测平面布置图

车站主体结构外围降水井设计井深30m，考虑到淤塞施工井深取31m，共101口，布设于主体基坑四周，距离围护结构3米；中间巯干井设计井深为20m，共计11口。

施工期间按照既定的方案布置及打设降水井，并通过降水施工过程中的严格管理，车站降水工程效果明显（施工期间基坑周边水位下降到基坑底4~5米）。基坑围护结构在转孔桩施工期间，转孔过程均处于无水作业状态，在后期的基坑开挖过程中，整个基坑开挖基本处于干燥状态，验证了前期降水设计的合理性。

图3 桩体位移曲线图

                        图4桩顶水平位移曲线图

                             图5锚索拉力曲线图

                         图6 地表监测曲线图

经监测数据分析表明：

（1）从基坑水位监测曲线中可以看出，采用该降水技术能控制基坑地下水水位，水位平稳，满足基坑施工要求。

（2）从基坑地表沉降监测曲线可以看出，基坑开挖引起的地表沉降范围约为距坑周0～25m，而降水引起的地表沉降范围则较大，因此坑周25m以外的地表下沉主要是由于降水引起。

（3）由于降水引起的地表下沉在靠近基坑附近同开挖引起的地表下沉基本相当，而在离基坑较远处则远远大于基坑开挖引起的地表下沉，因此，在地表下沉预测中，由于降水引起的地表下沉是不容忽视的。

（4）从本文计算结果与实测结果的比较可知，但实测地表下沉最大值位于距离基坑边侧5m左右位置，在离基坑稍远处计算值与实测值比较吻合，这主要是由于在基坑周围有围护结构，基坑附近的地表下沉受到围护结构与岩土界面的摩擦阻力的约束作用，从而使得坑周地表下沉较小。

（5）从以上监测结果可以看出，在开挖期间该降水技术效果显著，地下水水位稳定，基坑变形量正常，满足深基坑施工要求。

三、结语

经抽水试验成果数据分析，本工程地层主要含潜水（二）、承压水（四）两层地下水，地层渗透系数、含水层岩性、分布、埋深及厚度与勘查报告基本一致。出水量建议值与降水井参数计算所得出的降水井理论出水量相差不大，按照理论计算所确定的降水井参数是可行的。对于施工场地存在大量废弃管线的类似工程，施工前可通过采取挖探沟等方式探明地下管线的具体位置，废弃管线通往明挖基坑的一端可采用素混凝土封堵严密，以避免后期基坑开挖阶段出现不明地下水冲刷围护结构，甚至造成基坑失稳。同时，降水井施工以及降排水阶段要注意避免如锚索、隧道施工等其他工序的影响而造成降水井破坏，影响降水效果。

主要参考文献：

[1] 李金昌, 临近河流地铁车站深基坑降水施工技术 国际建筑学2022

[2] 贾鹏,地铁车站工程深基坑管井降水施工技术. 工程机械与维修, 2022.

[3] 曾英俊，富水砂层中临近河道超深基坑降水设计及施工.万方, 2016