强透水粉细砂地层地铁车站降水施工技术

摘 要：以武汉地铁8号线三标段徐家棚站土建施工作为背景，该站在地貌特征上是属于长江区域一级阶地的一个全新统冲积区单元，其与长江大堤的最短距离约为600米，与四美塘公园的最短距离约为200米。周边建筑物、交通和管线复杂，车站最大开挖深度达28.9米，为8号线最深基坑之一。基坑的一半处于粉细砂地层，基底承压水水量丰富，江水对砂土层的孔隙式承压水的影响很大，具体表现为，在江水充裕的时候，江水的一部分补充到地下水中，而在江水相对枯竭的时候，地下水则会反补江水，其幅度与到长江的距离成反比，基坑突涌的可能性较大。本文对粉细砂强透水地层深基坑降水方案和技术措施进行了探讨。

关键词：地铁施工；粉细砂地层；承压水；降水施工

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.16.122

1 工程概况

武汉轨道交通8号线徐家棚站横跨居民区域、和平大道、三三七铁路货场，大致呈东西走向；有效站台中心里程：右DK13+124.380，车站起点里程：右DK12+948.799，车站终点里程：右DK13+386.632，外包总长447.014m ，宽13.9～66.7m，基坑深约24.04～28.99m，总建筑面积4.2万平方米，主体结构为双层两跨局部三层四跨（五跨）矩形框架结构，侧式站台车站，有效距离为186米。5号线部分是典型的地下二层岛式，沿和平大道设置，基坑深度约16m。徐家棚车站设置七个出入口、五个安全疏散口，四组高风亭。

徐家棚站在地貌特征上是属于长江区域一级阶地的一个全新统冲积区单元，施工地区到长江大堤的最短距离约为600米，到四美塘公园的最短距离约为200米。沿线上覆土层主要为近代人工填土层（Qml）、第四系统河流冲积土层、砂层（Q4al），下部基岩为白垩-第三系砂质泥岩及砾岩。

考虑该区域内含水介质和地下水的类型，我们将其中的地下水划分成三种类型：上层滞水、松散岩类孔隙水以及基岩裂隙水。

2 降水工程设计思路及验证

2.1 设计思路

根据水文条件及工程特征，借鉴类似降水经验，设计采取以下策略：

（1）首先于基坑中放置管井降水是，由此一方面能把地下水的水位拉低到开挖面以下，另一方面能对开挖区域中的地层进行较好的疏干。

（2）出于方便后期进行封井的考虑，将降水井滤管的布置范围定在基坑之下，实管则布置在底边上面；接下来，在降水井中回填滤料，以此来提高地层的垂向渗透能力。与此同时，将位于开挖面之上的一部分疏干井加设滤管，目的是提高疏干能力。

（3）在基坑的外面布设水位观测井，具有三重作用：①常规情况下，可以将其当做水位观测井，可以对围护结构的止水能力进行预估；②当在围护结构发现渗漏或管涌现象，且很难进行有效封堵的时候，开启该备用井，可以达到降低坑外水压力的效果，由此达到可以进行封堵的条件，避免问题的进一步恶化；③对围护结构进行施工的时候，实际的止水效果是不足百分之百的，也就是说存在着一定的漏洞，因此當这种极端情况发生时，利用坑外井进行回灌，就可以达到控制坑外水位的效果。

（4）基坑开挖过程中，需严格保护好降水井，降水井仅靠砼支撑布置，制作维护平台，开挖过程中井管保留至封井结束。

（5）对该井进行施工之前，首先要完成现场抽水，验证降水方案；正式开挖前，进行生产性验证抽水试验。

2.2 降水井布置

围护结构进入15a-1所示的弱胶结砂质泥岩或15b-1所示的弱胶结砂砾岩中，理论上已经隔断了基坑内外水力联系，只需在坑中布设降水井，由此把承压水位拉低到开挖面之下，然后疏干土体就可以达到目的。一般通过单井中的有效抽水范围a井的经验值来求取，但另一方面，该经验值的获取，则需要综合考虑土体特性和基坑形态。由于本工程基坑正好处在承压含水层里，而砂性地层中又存在薄层粘土夹层，同时围护结构渗漏及坑外地下水通过基岩裂隙补给坑内地下水，本次单井有效降水面积取约350m2。

由下面的这个公式，我们能对基坑降水井的数量进行求取：

式中：—井数（口）；—基坑疏干面积（m2）；a井—单个井中有效抽水范围的经验值（m2）。

通过计算，坑内共布置39口降水井（含2口观测备用井），其中①～?轴布置14口，15～43轴布置25口。

2.3 降水方案模拟验证

数值法可以借助程序化运算操作，对不同情况下的地下水流情况进行模拟，由此能解决止水帷幕、不同边界等条件对地下水流动的影响。本次在对包括地质、水文条件在内的多种资料进行综合考虑的基础上，使用visualmodflow软件对围护结构设计过程进行模拟。

2.3.1 水文地质概念模型

根据相关资料，将该场区划分成5个不同的层，见图1，自上而下分别为：

第1层为由杂填土、粘土、粉质粘土等组成的微～弱透水层；

第2层为由（3-5）粉土夹粉质黏土、粉砂层组成的中等透水层；

第3层为有（4-1）细砂层组成的强透水层；

第4层为由（4-2）细砂层和（4-3）中粗砂层组成的强透水层；

第5层为由底部基岩。

2.3.2 边界条件

采用六面体网格剖分方式，水平面上使用非等距的网格剖面，加密区重最小的单元格规格为1×1m2，其他区域中国单元格规格约为25×25m2。

2.3.3 模型参数

对于地下水流的数学模型，其中主要得模型参数为渗透系数（Kxx、Kyy、Kzz），其大小决定了理论模型和实际模型的拟合程度，并且影响着基坑涌水量的预测情况。本次使用的参数如下表所示：

注：构建模型时已经对地层的各向异性条件进行了考虑。endprint

2.3.4 模型计算结果

本基坑围护结构理论上隔断承压含水层，但是可能存在渗漏，坑内降水后，基坑内外存在较大的水位差。

通过模型的运算分析，第一段基坑内布置14口（含20%备用观测井）降水井可将基坑内地下水位降至开挖底板下（降深约为27m，标高约-7m），基坑内外水位差约为17m，见图2，单井出水量约为1000m3/d，第一段基坑涌水量为12000m3/d。

通过模型的运算分析，第二段基坑内布置25口（含20%备用观测井）降水井可将基坑内地下水位降至开挖底板下（降深约为22m，标高约-2m），基坑内外水位差约为12m，见图3，单井出水约为1000m3/d，第二段基坑涌水量为21000m3/d。

根据计算出的单井出水能力，在外界条件的作用下，实际的涌水量远远小于理论值，因此，借鉴以往经验，将实际单井出水量定为理论单井值的0.4～0.9倍，本次计算取单井出水量为q=1000m?/d符合理论结果。

通过数值模拟验算，本次方案可满足相关降水要求，但是基坑地连墙内外存在较大的水位差，极易发生管涌，渗漏，需在基坑外设置备用观测井，平时可观测基坑外地下水水位，当地连墙出现渗水流砂时，会影响坑内疏干效果、影响开挖，甚或是导致坑外地面沉陷，此时，可开启坑外备用井，适当降低坑外水頭压力后对渗漏点进行封堵；必要时，备用井亦可作为回灌井使用。

3 结束语

此方案在设计时经过多次谈论分析和验证计算，并且在武汉地铁8号线土建项目降水施工过程中得到了成功应用。

在对强透水粉细砂层进行具体施工的过程中，要充分结合勘察报告中的地下水位，并对施工时间和报告时间仔细对比，如果间隔过长，则需要重新分析。不能忽略周围基坑工程降水对本基坑地下水水位的作用。降水井洗井的质量极其重要，因此很有必要布设观测井，以此对地下水位进行监测。边坡后土体中的水源均为危及边坡安全的因素，宜疏不宜堵，施工过程中要开展仔细排查。

参考文献：

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[2]宋福渊，耿冬青，刘晓辉.深基坑支护设计与施工管理的探讨[J].

[3]奚江琳，钱七虎.中国大都市地下空间后发优势探析[J].地下空间与工程学报，2005.

[4]雷振华.深基坑工程降水技术浅析[J].隧道建设，2006.

作者简介：张建勇（1982-），中级工程师，主要从事城市轨道交通施工研究。endprint