地铁沿线大型深基坑工程降水方案设计——以苏州现代传媒广场工程为例

李连国

(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

地铁沿线大型深基坑工程降水方案设计
——以苏州现代传媒广场工程为例

李连国

(上海建科工程咨询有限公司，上海 200032)

以苏州现代传媒广场工程为例，运用数值模拟方法，针对地铁沿线深基坑如何设置降水井进行了方案设计，对降水过程中地面沉降进行了预测。研究表明，该设计方案具有可行性。

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降水井；深基坑；数值模拟；地面沉降预测

1 工程概况

苏州现代传媒广场工程位于苏州工业园区，南、东2侧紧邻河道，西、北2侧临街道，北侧离地铁线仅11m。深基坑为长方形，东西轴线长243m，南北轴线长147m，面积101784m2，包括2个区和3个独立基坑。基坑四周使用地下连续墙，中隔墙使用钻孔灌注桩；坑内北、西侧分别采用三轴搅拌桩裙边、墩式加固，坑中坑处采用高压旋喷桩进行坑底、坑边加固。地下室共3层，裙楼区域开挖深度15.4m，塔楼区域开挖深度17.4～17.6m，各区坑中坑落深0.9～3.8m。

2 基坑特点和方案设计总体思路

1)基坑特点 该基坑主要有以下几个特点：①基坑面积较大，开挖较深，且塔楼区布置有坑中坑。基坑施工过程中需长时间、大范围降水，需根据安全承压水位埋深，严格控制承压水水位降低幅度。②基坑止水帷幕深约35.0m，局部槽段进入承压含水层的深度最大约3.0m，未能隔断承压水，坑内外承压水存在水力联系，基坑内减压降水对坑外影响较大。③场地内不良地质现象主要为土层的砂性较重，渗透性较大，在基坑开挖中会加大围护结构发生渗漏、管涌等风险，对围护结构施工质量和地下墙接缝处止水效果的要求较高。④除临近地铁外，基坑两侧临河道，周边有大量的市政管线分布，降低承压水位对周围环境有重要的影响，因而对环境要求极高。

2)工程地质及水文地质条件 该工程场地自然平均标高为2.60m。地质勘探表明，该工程自然地面以下90.0m以内的土层主要由粘性土、粉土和砂土组成，自上而下分为8个工程地质层：①素填土层；②粘土层；③粉质粘土夹粉土层；④1粉质粘土夹粉土层；④2粉质粘土层；④3粉质粘土夹粉土层；⑤粉质粘土层；⑥1粉质粘土层；⑥2粘土层；⑦粉质粘土层；⑧粉质粘土夹粉土层。对工程有影响的主要是潜水、微承压水、承压含水层。潜水赋存于表层填土层中,分布不均匀,水量小，主要接受大气降水补给；微承压水主要贮存于③、④1土层中，主要接受侧向径流及越流补给；承压含水层，主要赋存于⑧土层中，主要接受径流及越流补给，其历史最高水位为-2.70m，最低水位为-3.0m，年变幅为0.38m，稳定水头埋深在4.65～4.75m之间，其相应水头标高为-1.50～-2.00m。

根据基坑特点，制定方案设计总体思路如下：①对裙楼开挖区及塔楼区的承压水，布设深井减压降低其水头，减压井过滤器置于承压含水层中，减压过程中“按需减压”降水，减少“超降”引起的环境影响。②在基坑内外布置水位观测井，根据地下水位监测结果指导降水运行；③为防止地墙出现渗漏而导致坑内抽水引起坑外水位降深过大，在临地铁侧布置应急回灌兼水位观测井。

3 基坑底板稳定性分析

当基坑开挖深度小于31.4m时，可按下式进行承压水位控制［1］：

(1)

表1 开挖深度与对应安全水位表

式中，hs为基坑开挖深度,m；D为安全承压水头埋深值,m；γm为基坑底板至承压含水层顶板间的土层重度加权平均值(该工程取18.0kN/m3)；rw为地下水的重度(取值10.0kN/m3)。

根据式(1)计算开挖深度hs对应的安全水位埋深D(见表1)。由表1可知，因工程施工区域的开挖深度均超过14.7m，抗承压水稳定性安全系数不满足规范要求［2］，必须对第⑧层承压水采取有效减压降水措施，才能防止产生基坑突涌破坏。

4 减压井分析

1)基坑降水水文地质概念模型 考虑到降水过程中上覆潜水含水层将与下伏承压含水层之间发生水力联系，因而将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。为克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源汇项。计算时以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，各向外扩展约500m，即实际计算平面尺寸为1300×1300m2，四周均按定水头边界处理。

2)基坑降水数值模拟 根据工区的含水层结构、边界条件和地下水流场特征，对其进行三维剖分(见图1)，将模拟区每层剖分为161行、214列，剖分网格共206724个。

3)减压井布设 进行减压降水设计计算时，以初始承压水水头埋深4.0m作为前提条件，根据围护设计、基坑开挖深度等资料并通过模型计算表明，在①区开挖施工时，基坑内各需布置2口降水井，井深42m，过滤器埋深35.0～41.0m(见图2)。在②区开挖施工时，基坑内布置降水井3口(井深42m，过滤器埋深35.0～41.0m)。

图1 离散模型网络三维图 图2 ①区降水止水帷幕与降水井立体图

5 应急备用及水位观测井、疏干井和应急回灌井布设

1)应急备用及水位观测井布设 为防止基坑施工过程中因保护不力致其破坏而无法按预期完成降水任务，在减压降水计算的基础上，设置减压降水应急备用井兼水位观测井3口(其中①区2口，②区1口，井结构均同降水井)。在基坑外侧设计承压含水层水位观测井4口(井深42m，过滤器埋深35.0～41.0m)。

2)疏干井布设 根据苏州地区地层情况，含水层中单井有效疏干面积一般为200～300m2［1］，该方案取其平均值250m2，共布置疏干井132口，裙楼及塔楼区普挖井深20m，坑中坑区域井深25m，根据各道支撑土方开挖的深度，过滤器埋深为2～7、9～12、14～19m。

3)应急回灌井布设 在临近地铁范围的基坑围护结构出现局部渗漏导致坑外水位持续大幅度下降，这样会严重影响地铁隧道安全，因而在地铁侧布设应急回灌井24口(井深20m)，过滤器埋深为5～19m，采取上述措施可在地铁侧水位迅速下降的情况下对微承压含水层进行回灌，从而提高坑外微承压含水层含水量并降低土体沉降的速率。

6 降水井分布

根据上述分析，设计该工程降水井分布平面图如图3所示。

7 地面沉降预测

1)①区 模拟施工工况，预估①区减压降水运行150d。根据沉降模型进行计算［4］，预测结果如下：临近基坑周边的地面沉降约5～9mm，地铁一侧因降水引起的地面沉降约4～8mm，基坑周边环境的沉降以降水区域为中心向周边扩展，距基坑周边100m的沉降值约2～3mm，远离降水区域的沉降值逐步减少(见图4)。

图3 降水井分布平面 图4 ①区减压降水运行150d后的地面沉降预测图

2)②区 ②区减压降水运行150d后的地面沉降预测如下：基坑周边累积的最大沉降值约8.5mm，临近基坑周边的地面沉降约5.5～8.5mm，地铁区域地面沉降约为5.5～7.0mm，距基坑周边100m的沉降值约2.5～3.5mm。

根据当地实际工程经验，邻近地铁侧地面沉降报警值为15mm，其他各侧一般为20～25mm。因此，减压降水150d不应超出地面沉降报警值。

8 结 论

1)根据地下水分布情况和基坑底板稳定性分析,认为该工程需进行降承压水。

2)利用有限元数值模拟技术进行建筑基坑开挖工程降水分析和设计，按照渗流数值法进行计算，布设7口减压井,可满足 “按需”降承压水要求。

3)根据当地单井有效疏干面积，布设132口疏干井可满足降坑内潜水和微承压水的需要。

4)布设备用兼观测井和地铁侧应急回灌井，有利于承压井被破坏和地铁侧水位迅速下降等特情处理。

5)根据地面沉降预测，当降承压水时间不超过150d时，可以满足地面沉降安全要求。

［1］吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论［M］.北京：人民交通出版社,2003.

［2］ JGJ/T111-1998,建筑与市政降水工程技术规范［S］.

［3］ 姚天强.基坑降水手册［M］.北京：中国建筑工业出版社,2006.

［4］ 徐耀德,童利红.利用Modflow预测某基坑降水引起的地面沉降［J］.水文地质工程地质,2004,31(6):96-98.

10.3969/j.issn.1673-1409(N).2012.07.047

2012-04-12

李连国(1965-),男，1989年大学毕业，硕士，工程师,现主要从事高层建筑方案和现场管理方面的研究工作。

TU463

A

1673-1409(2012)07-N138-03

［编辑］ 李启栋