南京地鐵元中區間隧道降水設計與施工

提　要：本文針對南京地鐵元中區間隧道基坑所處場地的水文地質條件，進行了相應的基坑穩定性檢算，提出了該基坑合理的降水方案和施工方法，達到了良好的降水效果，確保了工程的順利進行。
關鍵詞：降水設計 潛水承壓水 降水效果

1　前言
對地鐵區間隧道進行明挖法施工時，要求基坑保持干燥狀態，以便于施工，同時保證基坑的穩定性。若地層中有水頭較高的承壓含水層，在開挖過程中如不采取一定措施，可能會產生突涌，導致基坑失穩破壞。為確保施工安全，有必要對基坑開挖采取降排水措施。

2　工程概況
南京地鐵南北線一期工程西延線元通站～中勝站區間隧道，起止里程為XK2+325.100～XK3+477.100，線路長度為1 152.0m。區間結構采用矩形鋼筋混凝土雙孔隧道，區間隧道采用明挖法施工，以鉆孔灌注樁加攪拌樁作為圍護結構，基坑開挖深度11m左右。

3　場地水文地質條件
場地內主要為耕地、空地及道路，無重要建（構）筑物。場地地貌屬長江漫灘，地勢較為平坦，所處地層以I類為主，覆蓋層厚度較大，主要為漫灘沖積成因的飽和軟弱粘土及飽和砂性土，自上而下所穿越的地層為：①1人工填土，厚度0.3～4.5m左右；②1b2-3粉質粘土局部分布，層厚0.8～1.7m；②2b4淤泥質粉質粘土，局部夾薄層粉土、粉砂，層厚13.5～17.0m；②3c3粉土，層厚0.7～6.5m；②4d3-4中砂，層厚1.5～7.2m；②5d2-3粉砂，層厚1.5～8.5m；②6d1-2粉細砂，層厚20m左右。區間結構主體位于②2b4淤泥質粉質粘土層。
場地地下水分為潛水及承壓水。潛水層為人工填土層及全新世漫灘相軟弱粘土層構成的孔隙含水層組，其透水性、含水性各不相同，主體為全新世沉積軟弱性土（包括②1b2-3粉質粘土、②2b4淤泥質粉質粘土），飽含地下水，但透水性弱，潛水水位受季節性控制，雨季為地面以下0.6~1.5m；承壓水為埋深15.9m以下的砂層構成的孔隙含水層，透水性好，該砂層厚度大，含水量豐富，為場地主要含水層，承壓水水頭為地面以下5m。

4　開挖面及坑底穩定檢算
結構穩定和坑底穩定是深基坑工程的關鍵。由于本工程的水文地質條件較為復雜，因此基底的穩定是本工程施工中應考慮的主要因數。
4.1　抗基底隆起的穩定檢算
采用考慮c，φ的抗隆起法和計及墻體極限彎矩的抗隆起穩定性檢算法分別進行檢算。
4.1.1　考慮c，φ的抗隆起法
根據南京地區近年來基坑的工程實踐經驗，以及南京市地基基礎設計規范建議，基坑抗基底隆起的穩定檢算可采用考慮c，φ的抗隆起法，計算示意圖如圖1所示，抗隆起穩定性的公式為

式中　Ks——安全系數；
D——墻體入土深度，取8m；
H——開挖深度，取11m；
γ——整個墻高范圍內的土層加權平均容重，取17.6kN/m3；
γ1——基底下面土層容重，取17.7kN/m3；
φ1——基底下面土層內摩擦角，取16.8°；
c1——基底下面土層的粘聚力，取35.6kPa；
q——地面均布超載，取30kPa。
由上得Ks=1.93

4.1.2　計及墻體極限彎矩的抗隆起檢算法
假定滑動面通過墻底，并以最下道支撐作為轉動中心，按公式(2)檢算基坑底部土體的抗隆起穩定性，計算示意圖如圖2所示。

　　　

式中r——圍護墻底以上地基土各土層天然重度的加權平均值，取17.68kN/m3；
D——墻體插入深度，取7m；
Ka——主動土壓力系數；
c，φ——滑裂面上土得粘聚力和內摩擦角的加權平均值，分別為28.9kPa與10.6°；
h0——基坑開挖深度，取11m；
h0′——最下一道支撐距地面的深度，取9m；
a1——最下一道支撐面與基坑開挖面間的水平夾角，取12.8°(0.22rad)；
a2——以最下一道支撐點為圓心的滑裂面圓心角154.4°(2.69rad)；
q——坑外地面超載，取30kPa；
MSL——隆起力矩， 。
由上得KL=1.75滿足要求。
以上兩種檢算的抗隆起安全系數分別為1.93和1.75。本基坑屬于三級基坑，按規范［1］抗隆起安全值應大于1.5，從上面的檢算來看，坑底抗隆起滿足要求。為了便于施工，按設計要求只須將開挖范圍內的潛水疏干即可，即在開挖前30d將潛水降至坑底以下3m。
4.2　開挖面抗承壓水的穩定檢算

　 　　
式中 γω——水容重；
h1─—水頭高，取10.9m；
γ——開挖面至承壓水層頂板土體的加權平均容重，取17.6kN/m3；
Δh1——承壓水層頂板至坑底的土層厚，取4.9m。
從上面的分析可見，對上部承壓水層，在開挖至坑底之前需采取降水措施。
開挖至坑底后所能承受水頭高度：h≥Δh1γ/γωKs=8.0m(取Ks=1.1)；
開挖至坑底之前須降低水頭值：10.9-8.0=2.9m。
從前面分析可以得出在基坑開挖過程中為了防止坑底失穩，必須提前對承壓水層采取降水措施，最終將水頭降至地面以下8.9m深處。

5　區間隧道基坑降水設計
根據前面的分析，需將潛水降至坑底以下3m，將承壓水降至地面以下8.9m。因承壓水層埋藏較淺，如對潛水和承壓水分別采取措施，在施工潛水井的時候勢必將承壓水層打穿。故可采用越流井（即將兩含水層連通）深井點降水，將水位降至坑底以下3m。為了降低對周邊環境的影響，將降水井布置在坑內。因含水層厚度較大，管井濾管無需插入含水層底板，只需插入一定深度，就能滿足降水設計要求。區間段基坑形狀為狹長條形，按狹長條形非完整潛水井降水公式進行計算［2］。
5.1　管井群出水量計算

5.4　管井縱向間距確定
縱向間距
5.5　群井布置
管井布置在離基坑壁2.5m處，縱向間距為16.2m，兩邊各布置72個，井深17.5m。管井布置平面圖見圖3，管井構造圖見圖4。

6　施工方法
6.1　降水井施工工藝流程
降水井施工工藝流程如圖5所示。

圖5　降水井施工工藝流程圖
6.2　降水井施工步驟
6.2.1　測量定位
根據設計坐標，進行精確測量，每個孔位測定后，作好標記，作好保護。
6.2.2　成孔
管井成孔采用鉆孔法，孔徑為500mm，泥漿護壁。在鉆孔過程中控制好孔的垂直度和鉆孔深度。
6.2.3　嚴格按設計要求進行鋼筋籠制作和濾網綁扎
鋼筋籠采用整體吊裝入孔，為了吊裝時有足夠的剛度，要求主筋與加強箍筋必須全部焊接。下放鋼筋籠時不能轉動或上下串動，防止濾網破損，導致泥沙涌入水井。鋼筋籠在下放過程中要注意保證其垂直度。
6.2.4　回填濾料
鋼筋籠下放到位后，井點管四周及時用粗沙回填灌實，距地面1.5m深度內用粘土回填密實，以防止漏氣。
6.2.5　洗井
在回填粗沙后立即進行洗井，清除停留在孔內和透水層中的泥漿與孔壁的泥漿，采用泥漿泵沖清與小空壓機相結合的辦法洗井，洗井前后兩次抽水涌水量相差應小于15%，且洗井后井內沉渣不上升或基本不上升。
6.2.6　安裝潛水泵及試抽
在安裝水泵前量測井深和井底沉淀物厚度，以及洗井等符合要求后用纜繩將潛水泵吊入井管預定深度。潛水電機電纜接頭確保可靠絕緣，并配置保護開關控制。安裝完畢后進行單機抽水試驗，以確定單井出水量和降深，并檢查降水設備是否正常，滿足要求后轉入正常施工。

7　降水監測及處理措施
本區間隧道基坑分5個開挖段，在每個開挖段的基坑中央設置２～3個水位觀測孔，對水位進行監測。在井點施工期間，對已形成井點的水位，每天觀測1～２次；降水前期對水位、流量及含沙量每天觀測１～２次；降水中期每天觀測1次；降水后期每7～10d觀測1次，雨天加測水位。將每天觀測的水位及流量結果進行整理，繪制Q-t和s-t關系曲線，分析水位下降的趨勢及流量變化，預測地下水位降低到設計深度的時間和確定抽水泵的安裝與數量調整。同時對周邊建筑物進行沉降觀測，一旦發現問題，可采用回灌方法，提高建筑物附近的地下水位，減少建筑物的沉降量。

8　降水效果
該區間于2003年2月中旬開始抽水，開始抽水時，水量較大，水位下降很快，之后水位降落逐漸緩慢，3d后，水位保持穩定。從水位觀測數據來看，降低后的水位滿足設計要求。元中區間基坑于3月中旬開始開挖，從前期開挖段來看，基坑內部干燥，基坑圍護結構及坑底保持穩定，無不良事故發生，元中區間的降水設計及降水施工方法是成功的。
參考文獻
［1］ 江蘇省地方標準《南京地區地基基礎設計規范》.85頁.DB32/112-99.1999
［2］ 基坑工程手冊(第二版). 北京：中國建筑工業出版社，1997

文章出處：《城市交通隧道工程最新技術》