地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析.doc

(完整版)地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析
地铁车站深基坑降水设计及施工问题分析

摘 要 降排水施工是否成功,在很大程度上决定着深基坑施工的成功与否。同时由于地下工程的复杂性,基坑开挖过程中出现局部地质变异性大、局部流砂或涌水等现象,而且往往是多种因素综合作用。结合郑州地铁某深基坑具体工程,阐述了基坑降水设计及施工中遇到的问题，并对这些问题进行了分析，提出了应对措施。
关键词 地铁车站 深基坑 降水设计 减压井

1 概述
      在地下水位较高的地区开挖地铁深基坑时，由于含水层被切断，在压差作用下，地下水必然会不断地渗流入基坑,如不进行基坑降排水工作,将会造成基坑浸水，使现场施工条件变差，地基承载力下降,在动水压力作用下还可能引起流砂、管涌和基坑失稳等现象。同时若降水处理不当,会引发施工险情，并严重滞后工期.因此,为确保基坑施工安全，必须采取有效的辅助降排水措施，基本保证无水作业，确保地铁施工安全、质量和工期.
      一般情况下，在进行深基坑开挖施工时应具备如下条件：
      （ 1) 基坑在开挖期间应将地下水位提前降至开挖面以下 1 m，保持基坑开挖无水作业；
      （ 2) 保持基坑侧壁的稳定和基坑底板的稳定;
      ( 3) 不影响邻近建筑物及地下管线的正常使用。

2 工程概况
      本站所处场地属黄河冲洪积平原，场地起伏不大,地形较平缓。地面高程 88． 115 ～88． 565 m.
      场地范围内地层主要为第四系（ Q） 沉积地层，地层从上到下主要为人工填土、第四系全新统（ Q4）粉土、粉质黏土、粉、细、中砂及第四系上更新统（ Q3） 粉土、粉质黏土.
      工程所处范围内地下水类型为第四系潜水，主要由大气降雨补给。第四系冲积 ~ 洪积( 4 － 3) 细砂及（ 4 －4) 中砂为主要含水层,砂层一般被人工填土层、冲积 ～ 洪积土层覆盖,地下水具微承压性.( 4 －3） 细砂及（ 4 － 4） 中砂粘粒含量较低，富水性强,透水性好，渗透系数为 5 ～ 20 m/d; 冲洪积土层饱水性好，其透水性中等 － 强透水。
      工程详勘所揭露的地下水水位埋藏变化较小,初见水位埋深为 3． 7 ～5． 5 m（ 本次勘察野外作业期间为弱降水期） ，标高为 82． 99 ～84． 55 m; 稳定水位埋深为 4． 3 ～5． 8 m，标高为 82． 57 ～83． 95 m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，每年 6 ～9 月为雨季，大气降雨充沛,水位会明显上升，而在冬季因降水减少，地下水位随之下降。地下水年变幅 2． 0 m，3 ～5 年较高水位 3． 0 m。
      各土层的水文地质特征及渗透系数值见表 1。

      因道路两侧设有 50 m 宽绿化带,车站布置与道路西侧绿化带内，本站站后设交叉渡线和故障车停车线，车站总长467．3 m，车站标准段宽 19．1 m，最大宽24． 5 m( 轨排井处） ; 中心里程处顶板覆土3． 0 m，底板埋深约16．3 m.车站主体为地下二层双跨闭合箱形框架结构，采用明挖顺筑法施工。基坑围护结构采用钻孔灌注桩 + 三轴搅拌桩止水帷幕形式。标准段钻孔灌注桩有效桩长 23． 2 m、嵌固深度 8． 8 m，桩外侧采用单排三轴搅拌桩作止水帷幕，长约 29 m。三轴搅拌桩插入粉质黏土相对隔水层不少于2．3 m.

3 降水设计
3． 1 降水方案选择
      根据该场地的环境条件和水文地质条件，地下水位较高，砂层较厚( 地面以下 7 ～ 25 m 左右均为 砂 层) ,渗透系数较大 ( 细 砂 8 m/d、中 砂15 m / d） ，若采用基坑外降水，则会对周边较大范围内( 前期类似工程的降水监测表明，砂层较厚时，降水影响半径达 200 m 左右） 的建( 构） 筑物造成较大影响。
      为减少对周围建（ 构） 筑物的影响,降低抽水费用，同时结合前期设计的经验,确定在车站围护桩外侧施作咬合三轴搅拌桩作为基坑的止水帷幕，采取坑内降水、坑外止水的方式进行降水施工,以减小降水井出水量,缩小降水施工影响范围。降水作业应将基坑内地下水位降至基坑底以下 1 m.
      基坑降水常用的方法有明沟排水和井点降水两种，其中井点降水常用方法有轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点、自渗井点等，各井点使用范围见表 2。

      根据本车站地质条件、施工环境、水位降深要求等因素,综合考虑采用深井管井降水为主( 基坑开挖施工前) 、集水井明排为辅( 基坑开挖施工期间） 的方法。
      综合考虑基坑的开挖深度、降水区域内地下水水力坡度、降水后水面距离基坑底部的高度、降水期间地下水位变化幅度、过滤管和沉砂管的长度等，井点管埋设深度取 26 m.井管采用无砂滤水管，滤管长度 20 m，顶部以下 6 m 以外为滤管部分，滤管部分全部采用密目网包裹。井管下入后立即在井管外侧填入滤料.滤料采用粗砂或豆石，需具有一定的磨圆度,含泥量( 包括含石粉） ≤3%，粒径1 ～ 5 mm。滤填充至车站含水层以上 3 ~ 5 m，填充至孔口时改用黏土回填,回填高度不小于 1 m。为防止雨污水、泥砂或异物落入井中，井管要高出地面300 mm,并加盖或捆绑防水雨布临时保护。
3． 2 基坑降水设计计算
3． 2． 1 基坑涌水量计算
      选择块状基坑公式估算基坑涌水量:

      式中,L 为基坑长度（ m) ; B 为基坑宽度( m) ; Q为基坑出水量（ m3/ d） ； k 为渗透系数( m / d） ; H 为静止水位至含水层底板的距离( m） ; R 为影响半径（ m) ; S 为设计水位降深，设为底板标高下 1． 0 m，S = 13． 0 m。
      预计基坑涌水量见表 3.

3． 2． 2 单井最大允许出水量计算

式中: q—管井出水能力，m3/ d;
        L’—过滤器淹没长度,取 6 m；
        d-过滤器外径，500 mm;
        α’-经验系数，取 115。
     计算得，q =630 m3/ d
3． 2． 3 井点数量的确定
        n = 1． 1 × Q / q
式中: n—管井数量，口；
        Q-基坑涌水量，25 663． 5 m3/ d；
        q—管井单井出水量，630 m3/ d。
      所需管井数量： n =1． 1 × Q/q = 45． 1≈45,布井时根据场地条件、抽水影响因素等情况可适当加密。

4 降水施工中出现的问题
4． 1 降水施工
      本站基坑于 7 月 17 日开始降水作业; 8 月 27日,开挖至地面下 11 m 时,见明水，立即停止开挖,外侧地下水位下降约 2 m，由于施工止水帷幕过程中南端西侧墙处出现施工冷缝,该处基坑侧壁存在渗漏水情况，同时降水井存在出水量偏小、水跃值偏大等问题; 9 月 20 日，决定在基坑南端试挖 10 m长，以判断基坑涌水涌砂及强降水安全开挖的可能性。9 月 26 日，南端基坑内开挖至地表下 13 m 位置时出现涌水、涌砂现象（ 见图 1) ,立即停挖，并对突涌点反压回填.

      随后，组织了当地水文专家为主的专家咨询会,鉴于砂层含粘粒较多，制定了改变管井降水的井壁材料为绕丝管措施。10 月 16 日，针对水位仍未有效下降，但因基坑全面降水,南侧外侧地下水位仍相对下降 2 m，而北端外侧水位已下降约5． 2 m。施工现场采取继续增加了降水井的密度，至此基坑内降水井总量达 80 口( 其中无砂管降水井 63 口，绕丝管降水井 17 口） ； 同时在基坑盾构井处局部 14 m ×16 m采用真空井点降水，与管井降水相结合，并进行试验性抽水，水位变化不明显，遂考虑加大真空井点降水的规模，增加真空井点降水的区域达到25 m × 18 m( 井点数量达到 86 个) ，水头缓慢下降。

4． 2 施工监测
      南端基坑基本开挖至基坑底部,基坑周边水位呈北端水位下降( 9． 05 m） 明显大于南端水位下降（ 3． 85 m) ； 地表沉降累计最大为 9． 24 mm，位于基坑南端西侧; 建筑物沉降最大为 6． 01 mm，位于基坑南端头的建筑物上; 桩体变形累计最大为15． 31 mm，位于基坑南端盾构井的西侧; 支撑轴力最大为 753． 05 kN （ 第二层) ，位于基坑南端盾构井西侧的斜撑； 桩顶水平位移最大为 7 mm，沉降最大为 7 mm，位于南端盾构井段。从监测结果上看： 桩体变形和地下水位变化相对较大，桩体变形为警戒值的 60%，其它监测项目为警戒值的 20% ～50％。

5 原因及措施分析
5． 1 基坑降水困难的原因分析
      根据降水过程中现象分析,判定基坑有较大水源补给，具体原因可能有以下几个方面。
      （ 1） 降水井渗透性差。具体原因包括降水井井壁材料选择不当、滤料的材料选择不当、洗井( 成井的关键在于洗井，它直接影响到整个基坑降水的效果) 不规范等; 同时也存在降水井运行过程中,地层中的细颗粒被水流带到井壁附近，导致降水井渗透困难、水跃值大; 因此对于粘粒含量较多的砂层，建议井管降水优先选用绕丝管降水井。
      （ 2） 三轴搅拌桩止水帷幕施工质量较差,未能达到密闭效果.具体原因包括由于施工机械故障、管线等影响形成的施工冷缝，在采用高喷桩封闭止水帷幕过程中封闭不彻底； 三轴搅拌桩水泥参量偏小，不能达到止水要求的渗透系数、强度等的要求。同时由于砂层较厚，围护桩塌孔较为严重（ 基坑开挖过程中暴露出围护桩扩孔现象严重） ,一定程度上影响了后期止水帷幕的施工质量,建议今后应提高围护桩的施工质量。
      ( 3) 止水帷幕出现较大变形，导致失效。主要是基坑开挖后，由于基坑变形，止水帷幕随之变形,可能出现裂缝,从而导致止水帷幕失效。尤其是当施工冷缝未能有效处理时，在基坑开挖过程中，侧壁的渗漏水也会带走土体中的细颗粒，导致该处的围护结构变形增大，从而导致较长范围内的止水帷幕出现裂缝。基坑南端西侧墙处的堵漏过程就说明了这一点。
      ( 4） 本站地质复杂，相对隔水层起伏大，可能存在相对隔水层在基坑中部某处局部缺失或薄弱,地下水从基坑底部补给。
      ( 5) 因地质勘探孔深度均在 35 m 左右，若地质勘探钻孔在封孔时不密实，可能造成相对隔水层下方的水通过勘探孔流入基坑内。
      （6） 不透水层内局部钙质结核较多，导致渗透系数过大,可能达不到相对隔水层的渗透系数要求。
5． 2 可采取的措施分析
      鉴于造成基坑降水困难的地质等因素较为复杂,采用单一的措施无法处理,因此本着确保安全、降低费用的原则，采取如下几种措施。
      ( 1) 在基坑外侧施工减压降水井鉴于本站基坑距离周边建筑物相对较远，可在坑外布置降水减压井，同时在降水困难地段，可采用轻型井点配合管井的降水，以确保尽快将地下水位降至预定目标,同时减小降水时间，从而避免长期降水造成产生较大的降水漏斗，对周边环境产生较大影响。
      ( 2） 局部施作导流明沟
      当基坑底局部存在难以疏干的问题时,选取适当位置做明沟导流，待基坑底疏干至满足施工要求时，尽快施工垫层及底板结构。
      ( 3） 局部加深处采用真空井点降水配合管井降水
      针对本基坑端头盾构井下沉处和集水坑等下沉处,采用真空井点降水和管井降水的混合降水方法，快速将地下水位降到设计要求，并尽快封底,减少基坑暴露时间和基坑的抽水量.
      （ 4) 加强对止水帷幕施工冷缝的处理
      因本站砂层较厚、局部地段标贯值较大，对于施工中出现的断桩冷缝,应确保二次下沉深度至少达到断桩冷缝处以下 1 m 以上,同时在冷缝以下部位，应加大喷浆数量和喷浆时间进行补强。对于因咬合冷缝导致止水帷幕不能封闭的地段,应在止水帷幕外侧施工高压旋喷桩，旋喷桩的深度应与搅拌桩深度一致，同时厚度应大于搅拌桩的咬合厚度。
      （ 5) 加强对侧壁渗漏水处的处理
      本站基坑范围内砂层较厚，当基坑开挖过程中，基坑侧壁出现渗漏水时，需及时封堵。若封堵不及时，渗漏水会带走砂层中的细颗粒，使得基坑变形增大,从而引起较大范围内的止水帷幕产生较大的变形或裂缝，使得封堵难度增加。首先可选择采用压浆的措施进行封堵处理，同时可采用基坑内壁挂钢筋网、喷速凝抗渗水泥； 当采用压浆方法不能有效解决时,应进行及时回填,同时在基坑外侧采用高压旋喷桩进行低压补强，补强过程中应加强对围护桩的变形的监测,待高喷桩达到强度后，再进行该段的开挖。

6 结束语
      在基坑降排水设计和施工过程中，应注意以下几个方面:
      （ 1) 降排水方案设计时，应充分考虑相应的应急预案或处理措施。无论其降排水方案多么周密、完善,在基坑土方开挖与支护的过程中，出现局部地质变异性大、局部流砂或涌水、积水现象也是在所难免的，因此充分考虑相应的应急预案或处理措施是十分必要的.
      （ 2) 降水井数量和间距的确定一定要参考相应站点的工程地质报告，同时在围护结构施工时要结合围护结构施工过程中的土层记录，确保数据真实、准确。
      （ 3) 采用管井降水时，井壁材料的选择、滤料的选择等应优先选择在当地类似工程中应用效果较好的材料.
      （ 4） 成井过程中洗井质量至关重要。洗井质量直接影响到整个基坑降水的效果,必须保证洗井成功。
      ( 5） 当采用三轴搅拌桩做止水帷幕时，对搅拌桩施工质量,尤其是施工冷缝的处理应在基坑开挖前完成，确保降水前止水帷幕的完整性。
      （ 6） 在正式抽水之前认真做好单井试验性抽水，确定计算渗透系数 K 的取值，使得设计降水井的数目能达到基坑降水的预期效果。
      （ 7) 基坑开挖过程中出现侧壁渗漏水时，应快速封堵，避免渗漏水带走桩后土体中的细颗粒，使围护结构产生较大变形。
      （ 8） 局部降水困难时，可以多种降水方法综合利用，以尽量减少降水时间，避免长期降水对周边环境产生较大影响。

参考文献
1 雷振华． 深基坑工程降水技术浅析[J］． 隧道建设，2006( 4)
2 洪波，唐明荣，徐海廷，等． 疏干兼降压井结构在基坑降水工程中运用[J］． 岩土工程界，2002（ 1)