天津地区地铁基坑降水设计及地面沉降分析
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摘要：随着社会经济发展的不断前进，日益拥堵的地面交通己难提供更便捷、舒适的出行环境，城市交通建设逐渐开始向地下寻求发展空间，地下轨道交通以其无可比拟的优越性，在城市交通网络中占有越来越重要的地位。在城市地铁建设蓬勃开展的同时，其基坑开挖深度也相应增加了，地下工程的施工深度增加会引起许多工程问题，地下水问题便是其中极为重要的一个，本文以天津市地铁6号线一中心医院站基坑工程为例，结合基坑围护结构设计和工程地质条件等方面，详细介绍了在天津这种富水、软土地区的基坑降水方案设计，以及降水对周边建构筑物的影响和分析，希望能对类似工程提供参考。
关键词：天津地区；降水设计；突涌；地表沉降
中图分类号：U231+.2文献标识码：A
引言
天津地区地下水非常丰富，在基坑开挖时必须进行降水，基坑降水主要有两个目的:一是在基坑开挖过程中保持干燥的作业环境，二是保证基坑的防渗流稳定性。本地区工程影响范围内的地下含水层按埋藏深度分为潜水含水层层、第一承压含水层和第二承压含水层。由于天津地区地下水位较高，基坑开挖时需要首先降低潜水水位、疏干坑内土体，以方便开挖。对于承压含水层，应通过计算验算承压含水层的突涌、管涌等渗透破坏稳定性是否满足，如不满足应设置减压井等措施降低承压含水层水头。降水过程中及降水完成后一段时间内，往往会因降水引发地面沉降，由于地铁车站站位一般都位于交通繁忙、周边建筑物和地下管线教密集的地方，所以在降水方案设计中应充分考虑降水对地面沉降的影响，根据含水层的特性、降水深度、周边建筑物的远近、地下水位等因素，对周边建筑物地基沉降量及差异沉降进行评估，确保周边建（构）筑物的安全。[1]
工程水文地质及工程概况
工程水文地质[2]
区域水文地质条件
天津的地下水受基底构造、地层岩性和地形、地貌、气象以及海进、海退等综合因素的影响，水文地质条件复杂。按地下水类型又可分为：松散岩类孔隙水，赋存于第四系、第三系松散堆积层中；基岩裂隙水，赋存于碳酸盐岩溶裂隙中。
天津地区在天然条件下，总的地下水补、径、排特点是：在水平方向上，浅层水和深层水由北向南形成补给，在垂向上，下伏含水岩组接受上覆含水岩组的渗透补给。
场地地下水类型及特征
根据地基土的岩性分层、室内渗透试验结果，场地埋深50.00m以上可划分为3个含水层：
1）潜水含水层
人工填土层(Qml)、上组陆相冲积层(Q43al)及海相沉积层(Q42m)，可视为潜水含水层。
2）第一承压含水层
全新统下组陆相冲积层砂质粉土（⑧2-1）、粉砂（⑧2）层透水性好，含水量大，可视为第一承压含水层。上更新统第五组陆相冲积层粉质粘土（⑨1）、上更新统第四组海相沉积层粉质粘土（⑩1）、上更新统第三组陆相冲积层粉质粘土（⑪1）透水性差，可视为承压含水层隔水底板。承压含水层水头大沽标高约为-0.05m。
3）第二承压含水层
上更新统第三组陆相冲积层粉砂（⑪2、⑪4）层透水性好，含水量大，可视为第二承压含水层。上更新统第二组海相沉积层粉质粘土（⑫1）透水性差，可视为承压含水层隔水底板。承压含水层水头大沽标高约为-0.50m。工程地质纵断面如下图1。
图1 工程地质纵断面图
工程概况
车站为地下双层外挂结构，外挂部分为地下双层，与主体结构一起开挖，同期实施；整个车站结构型式为双层五跨明挖结构，车站总长度为180.6m，车站标准段宽度为39.2m，高度为13.51m。车站计算站台中心位置顶板覆土厚度约3.0m。
车站采用明挖法施工，基坑标准段深度约16.76m，宽度40.6m；盾构井段深度约18.46m(对应双层风道处深度约16.86m)，全宽42.6m。主体围护结构采用0.8m厚地下连续墙，车站围护结构已截断第一层承压水下组陆相冲积层粉土(⑧2-1)、粉砂(⑧2)，避免了该层承压水对基坑开挖的影响。但是由于第二层承压水层陆相冲积层粉砂（⑪2、⑪4）较厚，并未截断。
为方便施工和保证基坑开挖安全，应对基坑影响范围内潜水含水层及承压水含水层进行降水或降压，做好详细、可行的降水设计方案，并根据抽水试验及降水过程中的监测数据及时调整降水方案，以达到预期的降水效果。
在天津富水软土地区的基坑工程中，对地下水的处理方法一般采用的是止-排水相接合的方法。基坑围护结构采用地下连续墙，连续墙起到挡土和止水的双重作用，地下水通常采用井点降水。由于围护结构地连墙隔水的隔水作用，基坑内外地下水无水力联系，降水时，基坑外地下水不受影响，从而降水对周边影响范围较小，基坑安全更容易保证。[3]
潜水疏干井设计计算
本基坑场地浅层潜水含水层主要由人工填土(Qml)、新近冲积层(Q43Nal)、上组陆相冲积层(Q43al)及海相沉积层(Q42m)等粉质粘土层构成。该层水位埋深浅，潜水含水层水平、垂直向渗透性差异较大，当局部地段夹有粉砂薄层时，其富水性、渗透性相应增大。基坑开挖前，应通过合理的降水设计，为后期基坑土方开挖提供有利条件。提前做好科学、合理、有效的降水设计至关重要，现就降水设计中几个关键部分分述如下：
1）基坑内疏干总涌水量的估算
根据详勘资料及本工程围护结构设计，本工程疏干的土体主要为浅部的潜水含水层和坑底以下1m范围内的第一承压含水层。基坑内疏干井总的涌水量主要由疏干土体的容积储存量和基坑开挖过程中的补给量两部分组成。
其中，
①：容积储存量的计算：
，其中：
A—为基坑面积（m2），取A=7388.76m2；
h—基坑水位降深，取h=15.76m；
—潜水含水层的给水度，参考《基坑工程手册》，粘土层给水度经验值为0.02~0.035；粉土层给水度经验值为0.035~0.06；粉质粘土给水度经验值为0.03~0.045；结合本地区经验本工程取；[4]
m3
图2 基坑降水横剖面图
②：补给量的计算：
补给量主要包括两部分，降雨补给量和越流补给量。降雨补给量由于受资料所限，尚无准确的统计数据，另外由于上部潜水含水层的透水性较弱，降雨后一般地表水在短时间内很快会沿着明排措施排入市政雨水管道，因此降雨补给量在计算中可忽略[5]。以下为越流量的计算：
，式中：
A—为基坑面积（m2），取A=7388.76m2；
k—第二承压含水层与潜水之间弱透水层的垂向渗透系数(m/d)，参考详勘报告取值为0.02m/d；
h—第二承压含水层与潜水层水头差(m)，第二承压含水层水头标高为-0.5m，
L—越流路径，墙底附近相对隔水层底板与坑底之间的厚度，取L=21m；
t—疏干降水时间（天）。
由上述参数计算越流补给量如下：
根据上述计算，得到基坑总涌水量：
m3
从上式可知，随着施工周期t值的不断增加，基坑总涌水量是不断增加的。
根据工程经验，一般在基坑开挖前15~20d启动水泵，对基坑进行抽水。本工程计划提前15d开启疏干井，则基坑总涌水量为：
m3
2）单井涌水量的确定
单井涌水量的确定主要依据的是管井的出水能力和所选取的水泵型号。目前基坑疏干降水一般选用QDX3-25-0.75型流量为3.0m3/h的潜水泵，其出水能力最大为3.0m3/h，由于本场地的潜水含水层的渗透性较差，无法满足每台泵均能保证3.0m3/h的出水能力，根据类似工程经验，单井出水量平均取为12m3/d。
根据基坑总涌水量得到每天基坑涌水量为3827.74/15=255.2m3。
根据天津市《建筑基坑工程技术规程》中疏干数量计算公式[6]:
N=1.1Q/q=1.1×255.2/12=23.4口。
经验面积法复核[7]：
n=A/a
式中：A——基坑开挖面积（m2）
a——单井有效疏干面积（m2），按经验，取300~400m2。
则，n=A/a=7388.76/320≈23口。
考虑基坑平面形式，施工过程中损坏等意外因素，保障降水效果，疏干井实际布置29口。以下为疏干井布置平面图。
图3 基坑降水井平面布置图
疏干效果预估
根据计算的疏干井数量，结合土层分布概况，预估疏干效果。在类似工程中，抽水前期（25天内），疏干井单井平均流量基本呈图4-1中所示趋势。
图4 疏干井流量变化趋势图
根据以上疏干井流量变化趋势，估算基坑疏干降水效果。疏干井降水效果见表3。
图5 预估疏干度
减压井设计计算
基坑围护结构地连墙已将场区内第一承压含水层完全截断，故第一承压含水层无抗突涌安全问题。地连墙未截断第二承压含水层，根据基坑围护结构与地质剖面关系，现将基坑抗突涌安全分析分为以下两部分：
1）、标准段
根据地勘报告，第二层承压水水头大沽标高为-0.50m，即第二层承压水水头埋深3.55m。
，
承压水层上土压力为
承压水水头压力为
满足抗承压水稳定要求，不需降低承压水。
2）、盾构井段
，
承压水层上土压力为
承压水水头压力为
满足抗承压水稳定要求，不需降低承压水。
根据计算可知，第二层承压含水层稳定性满足要求，无抗突涌安全问题，不需设置减压井。
基坑的降水会引起地表沉降，究其原因主要是由于地下水位下降使得地层孔隙中的静水压力减少，这就相当于给地基土施加了一个附加应力，导致土层压缩变形，这种变形传播到地面上就表现为沉降。[8]在降水的同时，应防止降水造成邻近建筑物及地下管线沉降等不利影响。
降水引起的地层沉降计算
降水引起的地层变形计算可以采用分层总和法。计算建筑物地基变形时，按分层总和法计算出的地基变形量乘以沉降计算经验系数后的数值为地基最终变形量。沉降计算经验系数是根据大量工程实测统计出的修正系数，以修正直接按分层总和法计算的方法误差。降水引起的地层变形，直接按分层总和法计算的变形量与实测变形量也往往差异很大。由于缺少工程实测统计资料，暂时还无法给出定量的修正系数对计算结果进行修正。如采用现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007中地基变形计算的沉降计算经验系数，则由于两者的土中附加应力产生的原因和附加应力分布规律不同，也就不能直接引用。[9]目前，降水引起的地层变形计算方法尚不成熟，只能在今后积累大量工程实测数据及进行充分研究后，再加以改进充实。现阶段，宜根据本地基坑降水工程的经验，结合计算与工程类比综合确定降水引起的地层变形量和分析降水对周边建筑物的影响。
1）规范沉降计算法[9]
降水引起的地层变形量可按下式计算：
式中：s──降水引起的地层变形量(m)；
ψw──沉降计算经验系数，应根据地区工程经验取值，无经验时，宜取ψw＝1；
zi──降水引起的地面下第i土层中点处的附加有效应力(kPa)；对粘性土，应取降水
结束时土的固结度下的附加有效应力；
Δhi──第i层土的厚度(m)；
Esi──第i层土的压缩模量(kPa)；应取土的自重应力至自重应力与附加有效应力之和
的压力段的压缩模量值。
2）有限元模拟计算
按照计算的平面范围、水文地质条件，考虑将地层概化，以及初始条件、边界条件、抽水井、观测井、帷幕在离散模型中的空间位置，根据以上条件建立三维可视化模型。其中，根据地层、抽水井滤管位置及帷幕深度进行了分层，在网格划分中，对计算区域进行了局部加密，保证计算区域结算结果的精确性，根据勘察提供地层特征，将50m深度范围内的地层概化为5层：第一层为填土层①~⑥4潜水层；第二层为⑦~⑧1相对隔水层；第三层为⑧2-1~⑧2第一承压含水层；第四层为⑨1~⑾1相对隔水层；第五层为⑾2~⑾4第二承压含水层。在数值计算模型中地连墙视为不透水部分。
根据预估，抽水运行360天后降水诱发的周边沉降等值线见下图。
图6 基坑疏干降水360天后地表沉降等值线图（单位：m）（0.0013~0.0079）
从上图可以看出通过疏干井降水360天，基坑内水位疏干时，地表沉降量在0.0013~0.0079m之间。临近管线最大沉降约为7.9mm；星环里住宅楼最大沉降约为6.6mm；西北角已有建筑最大沉降约为5mm；南侧红旗剧场最大沉降约为3.4mm。从数据来看，降水对地表沉降及周边建筑物沉降影响不大。
降水对环境影响控制措施
由于地连墙的止水帷幕作用，只要施工中地连墙接缝施工质量能够保证，降水对坑外环境的影响较小。因此在降水运行过程中，一定要做到“按需降水”，防止过量抽取地下水，即浪费地下水资源又对环境造成危害。[10]
对此，主要的控制措施有：
1）降水过程中应全过程监测，监测范围包括坑外潜水观察井、承压水观察井和基坑周边地表沉降、周边构（建）筑物及周边管线。监测数据同时上传监测平台，当某项数据预警时，应立刻分析原因采取措施，保证降水施工的安全。必要时采取回灌水措施。
2）在降水运行过程中随开挖深度与范围逐步调整疏干井中水泵的位置，避免过早抽水，做到“按需抽水”。抽水过程中即时观测水位降深情况，合理控制潜水水位，在满足基坑开挖要求前提下，防止水位降低幅度过大，使降水对周边环境的影响减少到最低限度。
3）对每日的监测数据应注意分析，一旦监测坑外水位发生较大下降，应立即停止开挖与抽水，找出水位下降原因，采取有效措施恢复坑外水位，防止地面不均匀沉降。由于降水引起的沉降从时间上有一个滞后效应，当降水结束后可能沉降仍会继续发展，因此，当坑内地下水位降水降到设计降水深度后，仍应严格监测。
4）当所有降水井以及观测井施工完毕后，应进行降水试运行试验，单独统计涌水量、水位变化、时间以及水位回复， 同时监测坑外水位的变化情况。试验的目的是检验当抽取潜水时，坑外水位会不会有明显的水位变化。并与土方开挖前要求进行的渗漏检测结果验证，以确定地连墙不会有渗漏情况发生。
结论与建议
天津地区地下水位较高，基坑工程的安全在很大程度上取决于对地下水的控制，根据地区水文地质特点，基坑降水设计应注意以下几点：
1）根据围护结构地连墙的插入比计算，结合第一层承压含水层的位置，围护结构一般要截断第一层承压含水层，完全切断基坑内外第一层承压含水层的水力联系，这样就确保了第一层承压含水层的稳定。对于天津地区的地层，由于第二层承压含水层一般埋藏较深，且厚度较大，地连墙一般未能穿透，理论上存在第二层承压含水层突涌的问题，但是由于该层承压含水层埋藏较深，根据突涌计算可以满足稳定性要求的，在基坑范围内不建议设置针对承压水层的减压井及观测井，如果突涌计算需要设置减压井但需减压的水头较小的情况下，也可以在坑外布置减压井，对承压水头进行观测，减压井不主动降压，以减小地面沉降。尽量较少坑内的减压井，减少坑内对承压含水层的扰动，以免起到反效果，不但没降低承压水头反而把第二层承压水引上来。
2）由于地铁车站方案调整，车站站位变动，可能会有些前期的勘探孔位于基坑范围内，为避免地下水从勘探孔进入基坑，要注意基坑范围内勘察孔的封堵。勘探孔的封堵可采用水泥水玻璃双液注浆封孔或其他可靠的封堵措施。
3）潜水降水井深入底板以下地层不要太深，尤其是当第一层承压含水层较厚时，应尽量避免深入第一层承压含水层，因为当地连墙接缝施工质量出现问题时，坑内外的第一层承压含水层就不能被完全截断，坑外的第一层承压水就会补给到坑内而被潜水降水井抽出，这样会导致第一层承压含水层水头降低，进而引发地面沉降。如果接缝渗漏严重还会导致潜水井水头降不下去，影响潜水层的疏干。
4）降水井抽水初期应注意监测所抽出水的含砂率，确保抽水井能正常工作。应对每口井的抽水量、抽水速率严格记录并分析，如单井涌水量或基坑总涌水量偏离计算值太多，应分析原因，及时处置。
5）降水设计根据地区水文地质的不同差异较大，降水设计时，除了遵照国家的规范及理论计算外还应根据地区经验来综合确定，有时候地区经验的常规做法，更能有效的保证降水效果。
参考文献（References）：
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[5]赵志缙.应惠清.简明深基坑工程设计施工手册[M].北京..中国建筑工业出版社，1999
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[10]许锡金,李东霞.基坑降水引起地面沉降计算方法研究[J].岩土工程技术,2004(4):194～198