天津地區(qū)地鐵基坑降水設計及地面沉降分析

1、<p>　　天津地區(qū)地鐵基坑降水設計及地面沉降分析</p><p>　　摘要：隨著社會經(jīng)濟發(fā)展的不斷前進，日益擁堵的地面交通己難提供更便捷、舒適的出行環(huán)境，城市交通建設逐漸開始向地下尋求發(fā)展空間，地下軌道交通以其無可比擬的優(yōu)越性，在城市交通網(wǎng)絡中占有越來越重要的地位。在城市地鐵建設蓬勃開展的同時，其基坑開挖深度也相應增加了，地下工程的施工深度增加會引起許多工程問題，地下水問題便是其中極為重要的一個，本文

2、以天津市地鐵6號線一中心醫(yī)院站基坑工程為例，結(jié)合基坑圍護結(jié)構(gòu)設計和工程地質(zhì)條件等方面，詳細介紹了在天津這種富水、軟土地區(qū)的基坑降水方案設計，以及降水對周邊建構(gòu)筑物的影響和分析，希望能對類似工程提供參考。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：天津地區(qū)；降水設計；突涌；地表沉降 </p><p>　　中圖分類號：U231+.2文獻標識碼：A </p><p><b>

3、;　　引言 </b></p><p>　　天津地區(qū)地下水非常豐富，在基坑開挖時必須進行降水，基坑降水主要有兩個目的:一是在基坑開挖過程中保持干燥的作業(yè)環(huán)境，二是保證基坑的防滲流穩(wěn)定性。本地區(qū)工程影響范圍內(nèi)的地下含水層按埋藏深度分為潛水含水層層、第一承壓含水層和第二承壓含水層。由于天津地區(qū)地下水位較高，基坑開挖時需要首先降低潛水水位、疏干坑內(nèi)土體，以方便開挖。對于承壓含水層，應通過計算驗算承壓含水層的突

4、涌、管涌等滲透破壞穩(wěn)定性是否滿足，如不滿足應設置減壓井等措施降低承壓含水層水頭。降水過程中及降水完成后一段時間內(nèi)，往往會因降水引發(fā)地面沉降，由于地鐵車站站位一般都位于交通繁忙、周邊建筑物和地下管線教密集的地方，所以在降水方案設計中應充分考慮降水對地面沉降的影響，根據(jù)含水層的特性、降水深度、周邊建筑物的遠近、地下水位等因素，對周邊建筑物地基沉降量及差異沉降進行評估，確保周邊建（構(gòu)）筑物的安全。[1] </p><p&g

5、t;　　工程水文地質(zhì)及工程概況 </p><p>　　工程水文地質(zhì)[2] </p><p><b>　　區(qū)域水文地質(zhì)條件 </b></p><p>　　天津的地下水受基底構(gòu)造、地層巖性和地形、地貌、氣象以及海進、海退等綜合因素的影響，水文地質(zhì)條件復雜。按地下水類型又可分為：松散巖類孔隙水，賦存于第四系、第三系松散堆積層中；基巖裂隙水，賦存于碳酸

6、鹽巖溶裂隙中。 </p><p>　　天津地區(qū)在天然條件下，總的地下水補、徑、排特點是：在水平方向上，淺層水和深層水由北向南形成補給，在垂向上，下伏含水巖組接受上覆含水巖組的滲透補給。 </p><p>　　場地地下水類型及特征 </p><p>　　根據(jù)地基土的巖性分層、室內(nèi)滲透試驗結(jié)果，場地埋深50.00m以上可劃分為3個含水層： </p><

7、;p><b>　　1）潛水含水層 </b></p><p>　　人工填土層(Qml)、上組陸相沖積層(Q43al)及海相沉積層(Q42m)，可視為潛水含水層。 </p><p>　　2）第一承壓含水層 </p><p>　　全新統(tǒng)下組陸相沖積層砂質(zhì)粉土（⑧2-1）、粉砂（⑧2）層透水性好，含水量大，可視為第一承壓含水層。上更新統(tǒng)第五組陸相

8、沖積層粉質(zhì)粘土（⑨1）、上更新統(tǒng)第四組海相沉積層粉質(zhì)粘土（⑩1）、上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉質(zhì)粘土（&#9322;1）透水性差，可視為承壓含水層隔水底板。承壓含水層水頭大沽標高約為-0.05m。 </p><p>　　3）第二承壓含水層 </p><p>　　上更新統(tǒng)第三組陸相沖積層粉砂（&#9322;2、&#9322;4）層透水性好，含水量大，可視為第二承壓含水層

9、。上更新統(tǒng)第二組海相沉積層粉質(zhì)粘土（&#9323;1）透水性差，可視為承壓含水層隔水底板。承壓含水層水頭大沽標高約為-0.50m。工程地質(zhì)縱斷面如下圖1。 </p><p>　　圖1 工程地質(zhì)縱斷面圖 </p><p><b>　　工程概況 </b></p><p>　　車站為地下雙層外掛結(jié)構(gòu)，外掛部分為地下雙層，與主體結(jié)構(gòu)一起開挖，同

10、期實施；整個車站結(jié)構(gòu)型式為雙層五跨明挖結(jié)構(gòu)，車站總長度為180.6m，車站標準段寬度為39.2m，高度為13.51m。車站計算站臺中心位置頂板覆土厚度約3.0m。 </p><p>　　車站采用明挖法施工，基坑標準段深度約16.76m，寬度40.6m；盾構(gòu)井段深度約18.46m(對應雙層風道處深度約16.86m)，全寬42.6m。主體圍護結(jié)構(gòu)采用0.8m厚地下連續(xù)墻，車站圍護結(jié)構(gòu)已截斷第一層承壓水下組陸相沖積層粉

11、土(⑧2-1)、粉砂(⑧2)，避免了該層承壓水對基坑開挖的影響。但是由于第二層承壓水層陸相沖積層粉砂（&#9322;2、&#9322;4）較厚，并未截斷。 </p><p><b>　　基坑降水設計 </b></p><p>　　為方便施工和保證基坑開挖安全，應對基坑影響范圍內(nèi)潛水含水層及承壓水含水層進行降水或降壓，做好詳細、可行的降水設計方案，并根據(jù)

12、抽水試驗及降水過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整降水方案，以達到預期的降水效果。 </p><p>　　在天津富水軟土地區(qū)的基坑工程中，對地下水的處理方法一般采用的是止-排水相接合的方法。基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，連續(xù)墻起到擋土和止水的雙重作用，地下水通常采用井點降水。由于圍護結(jié)構(gòu)地連墻隔水的隔水作用，基坑內(nèi)外地下水無水力聯(lián)系，降水時，基坑外地下水不受影響，從而降水對周邊影響范圍較小，基坑安全更容易保證。[3] <

13、/p><p>　　潛水疏干井設計計算 </p><p>　　本基坑場地淺層潛水含水層主要由人工填土(Qml)、新近沖積層(Q43Nal)、上組陸相沖積層(Q43al)及海相沉積層(Q42m)等粉質(zhì)粘土層構(gòu)成。該層水位埋深淺，潛水含水層水平、垂直向滲透性差異較大，當局部地段夾有粉砂薄層時，其富水性、滲透性相應增大?；娱_挖前，應通過合理的降水設計，為后期基坑土方開挖提供有利條件。提前做好科學、合

14、理、有效的降水設計至關(guān)重要，現(xiàn)就降水設計中幾個關(guān)鍵部分分述如下： </p><p>　　1）基坑內(nèi)疏干總涌水量的估算 </p><p>　　根據(jù)詳勘資料及本工程圍護結(jié)構(gòu)設計，本工程疏干的土體主要為淺部的潛水含水層和坑底以下1m范圍內(nèi)的第一承壓含水層?；觾?nèi)疏干井總的涌水量主要由疏干土體的容積儲存量和基坑開挖過程中的補給量兩部分組成。 </p><p><b&g

15、t;　　其中， </b></p><p>　?、伲喝莘e儲存量的計算： </p><p><b>　　，其中： </b></p><p>　　A—為基坑面積（m2），取A=7388.76m2； </p><p>　　h—基坑水位降深，取h=15.76m； </p><p>　　—潛水含水

16、層的給水度，參考《基坑工程手冊》，粘土層給水度經(jīng)驗值為0.02~0.035；粉土層給水度經(jīng)驗值為0.035~0.06；粉質(zhì)粘土給水度經(jīng)驗值為0.03~0.045；結(jié)合本地區(qū)經(jīng)驗本工程??；[4] </p><p><b>　　m3 </b></p><p>　　圖2 基坑降水橫剖面圖 </p><p>　?、冢貉a給量的計算： </p>

17、<p>　　補給量主要包括兩部分，降雨補給量和越流補給量。降雨補給量由于受資料所限，尚無準確的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，另外由于上部潛水含水層的透水性較弱，降雨后一般地表水在短時間內(nèi)很快會沿著明排措施排入市政雨水管道，因此降雨補給量在計算中可忽略[5]。以下為越流量的計算： </p><p><b>　　，式中： </b></p><p>　　A—為基坑面積（m2），取

18、A=7388.76m2； </p><p>　　k—第二承壓含水層與潛水之間弱透水層的垂向滲透系數(shù)(m/d)，參考詳勘報告取值為0.02m/d； </p><p>　　△h—第二承壓含水層與潛水層水頭差(m)，第二承壓含水層水頭標高為-0.5m， </p><p>　　L—越流路徑，墻底附近相對隔水層底板與坑底之間的厚度，取L=21m； </p>&l

19、t;p>　　t—疏干降水時間（天）。 </p><p>　　由上述參數(shù)計算越流補給量如下： </p><p>　　根據(jù)上述計算，得到基坑總涌水量： </p><p><b>　　m3 </b></p><p>　　從上式可知，隨著施工周期t值的不斷增加，基坑總涌水量是不斷增加的。 </p><p

20、>　　根據(jù)工程經(jīng)驗，一般在基坑開挖前15~20d啟動水泵，對基坑進行抽水。本工程計劃提前15d開啟疏干井，則基坑總涌水量為： </p><p><b>　　m3 </b></p><p>　　2）單井涌水量的確定 </p><p>　　單井涌水量的確定主要依據(jù)的是管井的出水能力和所選取的水泵型號。目前基坑疏干降水一般選用QDX3-25-0

21、.75型流量為3.0m3/h的潛水泵，其出水能力最大為3.0m3/h，由于本場地的潛水含水層的滲透性較差，無法滿足每臺泵均能保證3.0m3/h的出水能力，根據(jù)類似工程經(jīng)驗，單井出水量平均取為12m3/d。 </p><p>　　根據(jù)基坑總涌水量得到每天基坑涌水量為3827.74/15=255.2m3。 </p><p>　　根據(jù)天津市《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》中疏干數(shù)量計算公式[6]: &l

22、t;/p><p>　　N=1.1Q/q=1.1×255.2/12=23.4口。 </p><p>　　經(jīng)驗面積法復核[7]： </p><p><b>　　n=A/a </b></p><p>　　式中：A——基坑開挖面積（m2） </p><p>　　a——單井有效疏干面積（m2），按經(jīng)驗

23、，取300~400m2。 </p><p>　　則，n=A/a=7388.76/320≈23口。 </p><p>　　考慮基坑平面形式，施工過程中損壞等意外因素，保障降水效果，疏干井實際布置29口。以下為疏干井布置平面圖。 </p><p>　　圖3 基坑降水井平面布置圖 </p><p><b>　　疏干效果預估 </b&

24、gt;</p><p>　　根據(jù)計算的疏干井數(shù)量，結(jié)合土層分布概況，預估疏干效果。在類似工程中，抽水前期（25天內(nèi)），疏干井單井平均流量基本呈圖4-1中所示趨勢。 </p><p>　　圖4 疏干井流量變化趨勢圖 </p><p>　　根據(jù)以上疏干井流量變化趨勢，估算基坑疏干降水效果。疏干井降水效果見表3。 </p><p><b>

25、;　　圖5 預估疏干度 </b></p><p><b>　　減壓井設計計算 </b></p><p>　　基坑圍護結(jié)構(gòu)地連墻已將場區(qū)內(nèi)第一承壓含水層完全截斷，故第一承壓含水層無抗突涌安全問題。地連墻未截斷第二承壓含水層，根據(jù)基坑圍護結(jié)構(gòu)與地質(zhì)剖面關(guān)系，現(xiàn)將基坑抗突涌安全分析分為以下兩部分： </p><p><b>　　

26、1）、標準段 </b></p><p>　　根據(jù)地勘報告，第二層承壓水水頭大沽標高為-0.50m，即第二層承壓水水頭埋深3.55m。 </p><p><b>　　， </b></p><p>　　承壓水層上土壓力為 </p><p><b>　　承壓水水頭壓力為 </b></p&

27、gt;<p>　　滿足抗承壓水穩(wěn)定要求，不需降低承壓水。 </p><p><b>　　2）、盾構(gòu)井段 </b></p><p><b>　　， </b></p><p>　　承壓水層上土壓力為 </p><p><b>　　承壓水水頭壓力為 </b></p

28、><p>　　滿足抗承壓水穩(wěn)定要求，不需降低承壓水。 </p><p>　　根據(jù)計算可知，第二層承壓含水層穩(wěn)定性滿足要求，無抗突涌安全問題，不需設置減壓井。 </p><p>　　降水引起的地面沉降分析 </p><p>　　基坑的降水會引起地表沉降，究其原因主要是由于地下水位下降使得地層孔隙中的靜水壓力減少，這就相當于給地基土施加了一個附加應力

29、，導致土層壓縮變形，這種變形傳播到地面上就表現(xiàn)為沉降。[8]在降水的同時，應防止降水造成鄰近建筑物及地下管線沉降等不利影響。 </p><p>　　降水引起的地層沉降計算 </p><p>　　降水引起的地層變形計算可以采用分層總和法。計算建筑物地基變形時，按分層總和法計算出的地基變形量乘以沉降計算經(jīng)驗系數(shù)后的數(shù)值為地基最終變形量。沉降計算經(jīng)驗系數(shù)是根據(jù)大量工程實測統(tǒng)計出的修正系數(shù)，以修正

30、直接按分層總和法計算的方法誤差。降水引起的地層變形，直接按分層總和法計算的變形量與實測變形量也往往差異很大。由于缺少工程實測統(tǒng)計資料，暫時還無法給出定量的修正系數(shù)對計算結(jié)果進行修正。如采用現(xiàn)行國家標準《建筑地基基礎(chǔ)設計規(guī)范》GB50007中地基變形計算的沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，則由于兩者的土中附加應力產(chǎn)生的原因和附加應力分布規(guī)律不同，也就不能直接引用。[9]目前，降水引起的地層變形計算方法尚不成熟，只能在今后積累大量工程實測數(shù)據(jù)及進行充分研究

31、后，再加以改進充實。現(xiàn)階段，宜根據(jù)本地基坑降水工程的經(jīng)驗，結(jié)合計算與工程類比綜合確定降水引起的地層變形量和分析降水對周邊建筑物的影響。 </p><p>　　1）規(guī)范沉降計算法[9] </p><p>　　降水引起的地層變形量可按下式計算： </p><p>　　&#61669;&#61501; </p><p>　　式中：s

32、──降水引起的地層變形量(m)； </p><p>　　ψw──沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，應根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗取值，無經(jīng)驗時，宜取ψw＝1； </p><p>　　zi──降水引起的地面下第i土層中點處的附加有效應力(kPa)；對粘性土，應取降水 </p><p>　　結(jié)束時土的固結(jié)度下的附加有效應力； </p><p>　　Δhi──第i層土的厚度(

33、m)； </p><p>　　Esi──第i層土的壓縮模量(kPa)；應取土的自重應力至自重應力與附加有效應力之和 </p><p>　　的壓力段的壓縮模量值。 </p><p>　　2）有限元模擬計算 </p><p>　　按照計算的平面范圍、水文地質(zhì)條件，考慮將地層概化，以及初始條件、邊界條件、抽水井、觀測井、帷幕在離散模型中的空間位置，

34、根據(jù)以上條件建立三維可視化模型。其中，根據(jù)地層、抽水井濾管位置及帷幕深度進行了分層，在網(wǎng)格劃分中，對計算區(qū)域進行了局部加密，保證計算區(qū)域結(jié)算結(jié)果的精確性，根據(jù)勘察提供地層特征，將50m深度范圍內(nèi)的地層概化為5層：第一層為填土層①~⑥4潛水層；第二層為⑦~⑧1相對隔水層；第三層為⑧2-1~⑧2第一承壓含水層；第四層為⑨1~⑾1相對隔水層；第五層為⑾2~⑾4第二承壓含水層。在數(shù)值計算模型中地連墻視為不透水部分。 </p>&l

35、t;p>　　根據(jù)預估，抽水運行360天后降水誘發(fā)的周邊沉降等值線見下圖。 </p><p>　　圖6 基坑疏干降水360天后地表沉降等值線圖（單位：m）（0.0013~0.0079） </p><p>　　從上圖可以看出通過疏干井降水360天，基坑內(nèi)水位疏干時，地表沉降量在0.0013~0.0079m之間。臨近管線最大沉降約為7.9mm；星環(huán)里住宅樓最大沉降約為6.6mm；西北角已有

36、建筑最大沉降約為5mm；南側(cè)紅旗劇場最大沉降約為3.4mm。從數(shù)據(jù)來看，降水對地表沉降及周邊建筑物沉降影響不大。 </p><p>　　降水對環(huán)境影響控制措施 </p><p>　　由于地連墻的止水帷幕作用，只要施工中地連墻接縫施工質(zhì)量能夠保證，降水對坑外環(huán)境的影響較小。因此在降水運行過程中，一定要做到“按需降水”，防止過量抽取地下水，即浪費地下水資源又對環(huán)境造成危害。[10] </

37、p><p>　　對此，主要的控制措施有： </p><p>　　1）降水過程中應全過程監(jiān)測，監(jiān)測范圍包括坑外潛水觀察井、承壓水觀察井和基坑周邊地表沉降、周邊構(gòu)（建）筑物及周邊管線。監(jiān)測數(shù)據(jù)同時上傳監(jiān)測平臺，當某項數(shù)據(jù)預警時，應立刻分析原因采取措施，保證降水施工的安全。必要時采取回灌水措施。 </p><p>　　2）在降水運行過程中隨開挖深度與范圍逐步調(diào)整疏干井中水泵的

38、位置，避免過早抽水，做到“按需抽水”。抽水過程中即時觀測水位降深情況，合理控制潛水水位，在滿足基坑開挖要求前提下，防止水位降低幅度過大，使降水對周邊環(huán)境的影響減少到最低限度。 </p><p>　　3）對每日的監(jiān)測數(shù)據(jù)應注意分析，一旦監(jiān)測坑外水位發(fā)生較大下降，應立即停止開挖與抽水，找出水位下降原因，采取有效措施恢復坑外水位，防止地面不均勻沉降。由于降水引起的沉降從時間上有一個滯后效應，當降水結(jié)束后可能沉降仍會繼續(xù)

39、發(fā)展，因此，當坑內(nèi)地下水位降水降到設計降水深度后，仍應嚴格監(jiān)測。 </p><p>　　4）當所有降水井以及觀測井施工完畢后，應進行降水試運行試驗，單獨統(tǒng)計涌水量、水位變化、時間以及水位回復， 同時監(jiān)測坑外水位的變化情況。試驗的目的是檢驗當抽取潛水時，坑外水位會不會有明顯的水位變化。并與土方開挖前要求進行的滲漏檢測結(jié)果驗證，以確定地連墻不會有滲漏情況發(fā)生。 </p><p><b&g

40、t;　　結(jié)論與建議 </b></p><p>　　天津地區(qū)地下水位較高，基坑工程的安全在很大程度上取決于對地下水的控制，根據(jù)地區(qū)水文地質(zhì)特點，基坑降水設計應注意以下幾點： </p><p>　　1）根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)地連墻的插入比計算，結(jié)合第一層承壓含水層的位置，圍護結(jié)構(gòu)一般要截斷第一層承壓含水層，完全切斷基坑內(nèi)外第一層承壓含水層的水力聯(lián)系，這樣就確保了第一層承壓含水層的穩(wěn)定。對于天

41、津地區(qū)的地層，由于第二層承壓含水層一般埋藏較深，且厚度較大，地連墻一般未能穿透，理論上存在第二層承壓含水層突涌的問題，但是由于該層承壓含水層埋藏較深，根據(jù)突涌計算可以滿足穩(wěn)定性要求的，在基坑范圍內(nèi)不建議設置針對承壓水層的減壓井及觀測井，如果突涌計算需要設置減壓井但需減壓的水頭較小的情況下，也可以在坑外布置減壓井，對承壓水頭進行觀測，減壓井不主動降壓，以減小地面沉降。盡量較少坑內(nèi)的減壓井，減少坑內(nèi)對承壓含水層的擾動，以免起到反效果，不但沒

42、降低承壓水頭反而把第二層承壓水引上來。 </p><p>　　2）由于地鐵車站方案調(diào)整，車站站位變動，可能會有些前期的勘探孔位于基坑范圍內(nèi)，為避免地下水從勘探孔進入基坑，要注意基坑范圍內(nèi)勘察孔的封堵?？碧娇椎姆舛驴刹捎盟嗨Ａщp液注漿封孔或其他可靠的封堵措施。 </p><p>　　3）潛水降水井深入底板以下地層不要太深，尤其是當?shù)谝粚映袎汉畬虞^厚時，應盡量避免深入第一層承壓含水層，因

43、為當?shù)剡B墻接縫施工質(zhì)量出現(xiàn)問題時，坑內(nèi)外的第一層承壓含水層就不能被完全截斷，坑外的第一層承壓水就會補給到坑內(nèi)而被潛水降水井抽出，這樣會導致第一層承壓含水層水頭降低，進而引發(fā)地面沉降。如果接縫滲漏嚴重還會導致潛水井水頭降不下去，影響潛水層的疏干。 </p><p>　　4）降水井抽水初期應注意監(jiān)測所抽出水的含砂率，確保抽水井能正常工作。應對每口井的抽水量、抽水速率嚴格記錄并分析，如單井涌水量或基坑總涌水量偏離計算值

44、太多，應分析原因，及時處置。 </p><p>　　5）降水設計根據(jù)地區(qū)水文地質(zhì)的不同差異較大，降水設計時，除了遵照國家的規(guī)范及理論計算外還應根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗來綜合確定，有時候地區(qū)經(jīng)驗的常規(guī)做法，更能有效的保證降水效果。 </p><p>　　參考文獻（References）： </p><p>　　[1]張永波，孫新忠.基坑降水工程[M].北京：地震出版社，2000：

45、10-15 </p><p>　　[2]天津地鐵6號線一中心醫(yī)院站巖土勘察報告.天津市勘查院.2013. </p><p>　　[3]楊建民.基于水文地質(zhì)的天津市區(qū)基坑降水設計及地面沉降分析碩博學位論文[D].天津：楊建民2006年. </p><p>　　[4]劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊[M].北京：.中國建筑工業(yè)出版社，2009 </p><

46、;p>　　[5]趙志縉.應惠清.簡明深基坑工程設計施工手冊[M].北京..中國建筑工業(yè)出版社，1999 </p><p>　　[6]天津市城鄉(xiāng)建設和交通委員會.DB29-202-2010建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程[S].天津:.天津市城鄉(xiāng)建設和交通委員會，2010:20-23 </p><p>　　[7]章昕.深基坑降水技術(shù)淺析[J].巖土工程學報，2010，32（2）:23-25 <

47、;/p><p>　　[8]郭菊彬.宋吉榮.基坑降水引起建筑物地基沉降計算探討[J].工程勘察.2006，12：40-42 </p><p>　　[9]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.JGJ.120-2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程.北京.中國建筑工業(yè)出版社，2012：101-102 </p><p>　　[10]許錫金,李東霞.基坑降水引起地面沉降計算方法研究[J].巖土工