富水砂层地铁车站深基坑降水设计及地下水控制研究

林成恕，李青雷

(中交隧道工程局有限公司，北京 100102)

1 引 言

随着21世纪地下空间工程的开展，城市地铁的建设已经进入高速发展阶段，为人类的生活提供了便利条件。但随之而来的是地铁车站深基坑工程事故及对周边环境的影响不断增加，其安全性问题也受到了广泛关注[1]。影响地铁车站基坑安全性的因素有很多，如地理位置、水文地质条件、周边环境及施工质量等，给地铁车站基坑的安全性带来极大挑战。其中，地下水的渗流问题是影响安全的关键要素，特别是在富水砂层条件下修建的地下工程，具有水位高、流量大、供给充足等特点[2-4]，地下水的处理问题更是工程的重点和难点。

近年来，国内学者对富水砂层深基坑地下水处理及风险控制的研究取得了一些成果。龚武雄[5]对富水砂层地质条件下如何确保基坑降水成功，以保证深基坑开挖安全的降水全过程进行分析，为类似地层施工提供经验。曾英俊[6]通过分析降水试验、深化设计及降水实施等过程，对富水砂层中临近河道超深基坑的降水设计及施工的成功应用进行详细阐述，取得设计及施工参数。王会峰[7]以上海轨交通13#线为例，利用MJS工法进行基坑止水施工，取得了预期效果，为大面积基坑止水及加固施工积累了经验。

针对富水砂层地下水处理问题，依托哈尔滨市轨道交通3#线二期工程进行研究，根据工程富水砂层的特点及地下水控制的难点，提出降水设计方案、施工解决方案、有针对性的解决降水问题，并采用MJS工法桩有效的控制了地连墙接缝处地下水的渗漏，为类似的富水砂层地铁基坑地下水处理问题提供参考依据。

2 工程简介

2.1 工程概况

依托工程为哈尔滨市轨道交通3#线二期工程，沿靖宇街东西向布置。工程地处松花江漫滩区，地下水位高，周边临近密集的居住及商业建筑，且交通流量大，工程周边环境相当复杂。

基坑采用盖挖顺作法施工，车站永久顶板兼做盖板使用，覆土厚度3.8 m，基坑开挖最大深度约25.9 m。根据基坑开挖深度、场地地质条件、车站结构设计、周边环境及环境保护等特点，围护结构采用φ1 000 mm(标准段)、φ800 mm(外挂风亭)地下连续墙+2道混凝土支撑+3道钢支撑+1道换撑支护体系内支撑支护，地连墙深度约44 m，总计67幅。墙内侧或外侧采用高压旋喷桩止水帷幕兼做隔离桩，车站降水设置两排大口井点降水，井点在基坑范围内均匀，共布置降水井19口。基坑降、止水参数见表1。

表1 坑降、止水参数表

开挖面的明水通过排水沟排入集水坑内，并由潜水泵抽至地面排水沟内。排水系统平面布置图如图1所示。

图1 排水系统平面布置图

2.2 工程地质及水文地质条件

工程地处松花江漫滩，地下连续墙成槽范围内土层分布如下：表层由杂填土组成，上部地基土主要由粉质黏土组成，中部、下部主要由中砂夹厚薄不均的黏性土组成，下部基岩为白垩纪泥岩。

工程地下水分布为孔隙潜水及孔隙承压水。孔隙潜水水位埋深浅且水量丰富，主要赋存于第四系全新统冲积层中(2-4)层中砂、(2-4-1)层砾砂、(2-4-3)层粉砂中，该含水层厚度约17 m，隔水底板为(7-1)层黏土。下部孔隙承压水埋深较深，主要赋存于第四系下更新统东深井组冰水堆积层中(7-1-2)层粉砂、(7-1-3)层中砂、(7-2)层中砂、(7-2-1)层砾砂、(7-2-3)层粉砂层中。场区各土层渗透系数见表2。

表2 土层渗透系数

续表2

3 降水设计

3.1 基坑涌水量估算

工程降水主要涉及第四系孔隙潜水，由于底部隔水层相对薄弱，基坑底部承压水容易引起基坑突涌，须进行减压降水。故基坑涌水量由潜水和承压水两部分组成，计算如公式(1)、(2)所示。

=20 592.4 m3/d

(1)

(2)

根据上述计算结果可知，工程潜水总涌水量为20 592.4 m3/d，承压水总涌水量为10 412.3 m3/d，基坑涌水量大，地下水的对施工有很大影响。

3.2 降水井深度及单井出水能力计算

根据基底深度、降水深度、含水层的埋藏分布、地下水类型、降水井的设备条件以及降水期间的地下水动态等因素确定降水井深度，计算如下：

单井涌水量计算如公式(3)所示。

(3)

根据上述计算结果可知，标准段降水井深度约34.9 m，端头段降水井深度约35.4 m。考虑地层差异性及成井质量对基坑实际出水量的影响，并结合本站点现场抽水试验实测结果，故群井抽水期间设计单井出水量取1 400 m3/d。

3.3 降水井数目计算

(1)从单井出水能力考虑

=26.2

(4)

(2)从单井有效疏干面积考虑

坑内疏干降水深井数量按下式确定：

(5)

式中：n为降水井数量，个；A为基坑面积，m2；a为单井有效疏干面积，本工程取200 m2。

综合上述两种计算方式得出以下结论，在不设置止水帷幕的情况下，则布置25口井较为合理。但由于本工程在止水帷幕条件下进行坑内疏干降水，疏干水量仅为坑内储水量理论最大值(按孔隙率0.4考虑，约3万m3)，常规疏干井2～3口即可满足施工降水要求。结合3#线二期类似车站多次发生止水帷幕漏水的现状，为确保本工程的降水顺利，故降水井数目取19口。

4 MJS工法接缝止水应用

4.1 MJS接缝止水方案

工程地连墙外侧已施作完成φ800@550旋喷桩止水帷幕兼做隔离桩，在旋喷桩外放量200～300 mm，进行MJS工法桩的施工。结合MJS工法特点，设计方案如下：(1)在每个接缝位置设1根φ2 000 MJS桩，桩中心偏移地连墙外边线600 mm，采用180°喷射形成半圆形桩体；(2)引孔深度20.5～39 m，桩体喷射范围为地下2～39 m；(3)MJS工法桩水泥采用P·O42.5普通硅酸盐水泥，土体无侧限抗压强度不小于1.0 MPa，渗透系数≤1.0×10-7cm/s。施工前应进行成桩工艺、水泥掺量及配合比试验，以保证成桩效果。MJS桩布置图如图2所示。

图2 MJS桩布置图(单位：mm)

4.2 MJS工法应用情况分析

工程共67幅地连墙，即67处接缝，抽取3根MJS桩进行取芯检测，取芯位置距离桩边缘200 mm且取芯位置连续。检测结果表明，芯体强度在3.5 MPa以上，MJS桩成桩连续性好、成桩直径合格。

工程利用MJS工法进行地连墙接缝处理，应用结果表明，地连墙接缝处虽有轻微渗水情况，但水流小、渗漏少，未发生较大漏水或涌砂情况，有效解决了富水砂层地地连墙接缝止水问题。通过工程MJS的应用，说明地连墙接缝采用MJS工法可以基本上规避涌水涌砂风险、降低轻微渗漏水的概率，极大提高了接缝止水质量。此外，相比同样条件下的其它止水措施，MJS工法还能做到在接缝止水的基础上尽量较小对周边环境的影响。

5 结 论

以哈尔滨市轨道交通3#线二期工程为依托，研究了富水砂层条件下地铁车站基坑降水及地下水控制等问题，得出结论如下。

根据工程具有临近松花江、处于富水砂层地层、周边环境复杂等特点，总结了本工程地下水控制的难点，并从设计、施工、监测三个方面提出有针对性的解决办法，取得了显著的效果。

工程采用止水帷幕+管井降水+明排的方式控制地下水，基坑周边紧邻老旧建筑物，故降水设计应充分考虑地下水渗流对周边环境的影响，并依据降水试验对井径、井间距、井深进行修正。根据地层透水性不同，涌水量计算分别考虑潜水和承压水两种情况。

利用MJS工法桩进行富水砂层地连墙接缝处理取得了良好的止水效果，说明MJS工法应用于工程中能够很好的控制地下水渗漏的问题，规避了基坑涌水涌砂的风险，降低了轻微渗漏水的概率，极大提高了土木工程接缝止水质量。