王住刚
（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安 710018）
临近既有线地铁车站深基坑降水施工分析
王住刚
（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018）
针对复杂地质情况下临近既有线的深基坑降水施工，通过建立基坑降水数值模拟模型进行降水设计和计算，并对既有线采取自动化监测技术，确定合理的降水方案，提出了减少降水对周围环境影响的防治措施。采取坑外管井降水和自动化监测技术在临近既有线降水施工中获得了良好的效果，可为今后类似工程提供参考和借鉴。
渗透系数降水井自动化监测既有线
工程降水是基坑工程的一个难点，在地下水位较高的地区开挖地铁深基坑时，由于含水层被切断，在压力差的作用下，地下水会不断地渗流入基坑，将会造成基坑涌水、涌砂、坍塌等事故发生。降水使原有地下水位降落，使临近基础下水的浮托力减少，亦使地基土的荷载增加，在大多数情况下，由于附加荷载增加而使土固结，从而造成建筑物的下沉。在临近既有线地铁车站深基坑降水施工中，通过建立基坑降水数值模拟模型确定了管井井点降水方案，对既有线采取自动化监测技术，使得降水对周围环境的影响达到最小。
1 工程概况
1.1工程简介
西安市地铁四号线行政中心站位于张家堡广场内，沿凤城八路方向东西向布置，为二号线与四号线换乘车站，二号线已于2011年投入运营，张家堡广场南北长约326米，东西长约328米，广场内除二号线既有车站及主变电站外无其他重要建构筑物，广场内影响车站的管线在二号线施工时已改至广场以外。车站基坑长度255米，基坑标准段宽32米，深约22米，局部开挖深度24.05～26.41m，车站中部换乘节点在二号线车站施工时已预留。车站采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用钻孔灌注桩，基坑内设钢筋混凝土和钢管支撑，结构设计均为现浇钢筋混凝土箱型框架结构，结构外设置外包防水层。
1.2工程地质及水文地质条件
车站位于渭河一级阶地后缘带，地势平坦，场地在勘探深度50.0m范围内的地层主要为第四系堆积物，即由全新统人工填土（Q4m l）、冲击（Q4al）黄土状土、粉质黏土、粉细砂、中砂、粗砂和上更新统冲击（Q3al）粉质粘土、中砂、粗砂组成。
地下水潜水位埋深14.70～17.00m，水位高程366.97～368.37m，地下水位受区域内降雨量的年度不均匀分布影响。根据勘察及区域地质资料，车站覆盖层为第四系松散层，含水层主要为强透水的中砂、粗砂和弱透水的黏性土，潜水含水层底板埋深大于80m。
2 降水施工风险分析
地下开挖势必引起周围岩体、既有二号线以及地表沉降和变形，而这种变形达到一定程度时，将会影响二号线正常运营，一旦发生工程事故，造成的影响和后果将会特别严重；本工程降水段处于砂层，砂层致密，从前期二号线的降水情况来看，降水对周边环境影响不大，但是局部有粉细砂，在降水施工过程中容易出现渗水、涌水及涌砂现象。
3 降水方案选择
拟建工程为地下工程，车站主体基坑开挖深度22.0m左右，局部深度为22.95～26.41m，地下水位埋深在14.0m左右，按地下水位保持在基坑底部以下0.5～1.0m要求，水位降深最大约13.5m。根据工程地质条件、水文地质条件、施工方法及基坑周边建筑物环境条件，结合西安地铁二号线及邻近场地基坑降水工程经验，本区间降水采用坑外管井降水。
3.1降水设计计算
3.1.1渗透系数选用
主要含水层为中砂，结合该地区及周边地区的降水经验，该车站及明挖段计算时采用的综合渗透系数取30m/d。
3.1.2计算模型
根据本区间结构特征、周边建筑物情况、地层地质特点，周围水文地质条件及降深，同时结合地铁施工降水的特点，该部分设计分两个区间进行计算（二号线的东侧和西侧），同时考虑降水对已有二号线的影响，在设计中考虑将二号线水位也降至原基坑开挖深度下1m。计算模型：按潜水完整井，基坑远离边界。用理正降水软件进行计算分析。
3.1.3西侧基坑降水计算
西侧基坑长88m，标准段宽31m，局部段宽12.5m，为不规则块状基坑；行政中心车站西侧基坑基本参数见表1；根据文献［2］潜水完整井，基坑远离边界时，涌水量按公式E.0.1计算。
（1）计算参数：降水井成井直径700mm，井管直径500mm，井深35m；任意点降深计算公式采用文献［2］，计算水位降深14（m），水头高度21（m），渗透系数30（m/d），过滤器半径0.275（m），单井出水量360（m3/d）。
（2）计算结果：
①基坑涌水量计算：降水影响半径R=702.794（m）；基坑等效半径r0=29.662（m）；基坑涌水量=11536（m3/d）。
②降水井的数量计算：按文献［2］计算：单井出水量按360（m3/ d）计算，需要降水井的数量：28口。
③单井过滤器进水长度计算：按文献［2］计算：单井过滤器进水长度=6.569（m）。
④各点降深计算：降深根据文献［3］按井数、井位、各井抽水量计算：指定范围内最小降深=8.214（m），最大降深=15.012（m），降水区域内各点降深均可达到设计要求降深。
建立地下水动态监测网，确定监测井6口，平均分布于降水区域内；对水位、出水量、是否携带泥沙、降水泵运转情况等进行实时监测，及时分析降水过程中不正常状况及产生原因，提出调整及补充措施，确保达到设计降水深度。
表1 行政中心车站西侧基坑基本参数
表2 行政中心车站东侧及明挖段基坑基本参数
图1 降水井平面布置图（西侧）
图2 降水井平面布置图（东侧）
3.1.4东侧基坑降水计算
本部分将车站东部和明挖段降水整体考虑，基坑长182m，车站长约124m，标准段宽37m，局部段宽慰12.6m，明挖段长约58m，宽度范围为12.1～24.1m，为不规则块状基坑；行政中心车站东侧基坑基本参数见表2；根据文献［2］潜水完整井，基坑远离边界时，涌水量按公式E.0.1计算。
（1）计算参数：降水井成井直径700mm，井管直径500mm；井深35m；任意点降深计算公式采用文献［2］，计算水位降深12（m），水头高度21（m），渗透系数30（m/d），过滤器半径0.275（m），单井出水量360（m3/d）。
（2）计算结果：
①基坑涌水量计算：降水影响半径R=602.395（m）；基坑等效半径r0=42.255（m）；基坑涌水量=12466（m3/d）。
②降水井的数量计算：按文献［2］计算：单井出水量按360（m3/ d）计算，需要降水井的数量=41口。
③单井过滤器进水长度计算：按文献［2］计算：单井过滤器进水长度=8.762（m）。
④各点降深计算：降深根据文献［3］按井数、井位、各井抽水量计算：在指定范围内：最小降深=8.073（m），最大降深=14.866（m），降水区域内各点降深均可达到设计要求降深。
建立地下水动态监测网，确定监测井8口，平均分布于降水区域内；对水位、出水量、是否携带泥沙、降水泵运转情况等进行实时监测，及时分析降水过程中不正常状况及产生原因，提出调整及补充措施，确保达到设计降水深度。
3.2管井位置确定
根据车站结构尺寸等因素综合考虑确定降水井距的位置。考虑地下结构施工操作空间及尽量避免降水井置于结构中（以免与结构施工发生矛盾）。因此，确定降水井中心距基坑外边缘不小于3m。根据工程地质及水文地质情况，结合水位降深要求，设置降水井深度35m，平均井间距约10～14m。具体布井详见图1、图2。
地铁二号线目前正在运行，施工时，二号线两侧的降水井应同时开启，防止出现过大的不均匀沉降影响二号线的正常运行。
4 自动化监测技术
4.1监测目的与内容
4.1.1监测目的
（1）为了对受施工影响范围内运营地铁车站段进行变形变位自动、连续、跟踪监测，准确测量出隧道结构局部或整体变形的准确位置、变形量值、变形方向和变化速率，实时动态并准确地掌握非地铁施工过程中对地铁结构和地铁运营安全影响的程度，以便采取针对性的预防措施，防止车站结构局部或整体变形变位扩展。
（2）为了检验对运营地铁隧道结构的安全保护设计及施工是否达到保护目的，及时消除影响隧道结构安全的隐患。
4.1.2监测内容
从基坑开挖至主体结构完成整个期间，测量施工影响范围内的地铁二号线隧道结构的沉降、轨道水平位移、轨距监测、道床沉降四项监测项目。
4.2测量机器人自动化监测系统
测量机器人自动化监测系统以基于一台测量机器人有合作目标（照准棱镜）的变形监测系统为基本单元，可以由多个基本单元通过网络连接起来组合形成一个测量机器人远程网络监测系统。
系统组成：远程无线遥控测量机器人变形监测和分析系统主要由3个单元组成，控制单元一般在办公室内，通过具有固定IP的万维网发送指令和接收数据；数据传输及数据采集单元通过有线形式连接，将控制单元的指令转发给数据采集单元并将数据采集单元的数据简单处理后转发给控制单元，数据采集单元置于作业现场，根据控制单元的指令采集相应数据。其监测系统，详见图3。
图3 自动化监测系统
5 降水施工出现的问题与应对措施
5.1不均匀沉降控制措施
根据既有二号线自动化监测结果及基坑变形监测结果，若基坑周围建筑物或其他构筑物沉降变形达到警戒值，立即通报各施工单位，同时停止施工，必要的时候进行回填反压，增加变形监测的频次，阻止事态的进一步发展。待建筑物或地面沉降变形趋缓后，再采取相应的加固措施，把降水对地基的变形影响降至最低。
5.2降水井涌砂控制措施
此处地下水均位于砂层，砂层致密，压缩模量较大，且根据地铁2号线行政中心站的沉降监测资料，一般抽水造成的地面沉降小于10mm，且周边无重要建筑物，因此在不涌砂的条件下，基坑降水对周边的环境影响不大。
但若发生涌砂，产生的次生灾害将极为严重，可能会引起大规模地面沉降、塌陷等，故降水井严禁发生涌砂，本工程采取的防止涌砂措施：
（1）采取合适的成井工艺。采取无泥浆清水反循环钻进成井工艺、滤料厚度10cm、滤料粒径3～5mm。
（2）加强包封处理。滤水管通常用2层60目的纱网进行包封，需用铁丝固定防止脱落；并需特别注意管井间的连接处理。
（3）加强封井措施。井底可采用1m厚3～5mm砾石或应采用不小于0.5m厚度的低含水量素混凝土封底。用混凝土封底时需要注意封填方式，建议采用带封口的麻袋放至井底附近再打开。
（4）采用低泵型抽水泵抽水，局部将深比较大的地方采用稍大抽水泵，出水量控制在15～25m3/h，防止抽水对地层扰动大。
（5）控制抽水泵的位置。水泵不宜放置位置太低，距离井底3m出为宜。
（6）35m以下砂层较厚，打穿后水量太丰富，因此设计采用缩小井间距，减少井深来满足降水要求。
（7）在基坑周边及坑内设置水位观测井，密切注意井中水位的变化，一旦满足降水要求，就不在进行大幅度降低水位。同时观测井同降水井结构，水位将深不满足施工要求时，可将观测井作为降水井使用。
5.3基坑壁渗水控制措施
如基坑壁出现渗水现象，则先在渗水部位垒沙袋并设置排水孔，在排水孔周围设置反滤层，确保排出的水体为清水，不得携带泥沙。如果是由于其他原因造成的坑壁渗水，则应加强渗水部位外侧的降水强度，使该部位水位下降。
6 结语
在地铁的建设过程中，不可避免的会碰到临近既有线深基坑降水的问题。在基坑开挖过程中，如土层的地下水位位于基坑开挖地层标高以上时，将不可避免的会遇到基坑降水止水问题。为了减少基坑降水对周边环境的影响，有必要对基坑降水进行研究，发现并解决一些基坑降水止水问题。本文主要研究临近既有线基坑降水方案选择和既有线自动化监测技术。本文获得的主要成果如下：
（1）基坑降水方案的选择应充分考虑工程地质条件、水文地质条件、施工方法及基坑周边建筑物环境条件，根据主要含水层为中砂，综合渗透系数30m/d，确定采用坑外管井降水方案。
（2）采用对地质资料分析并建立了基坑降水数值模拟模型，计算模型：按潜水完整井，基坑远离边界；使用理正降水软件进行计算分析，确定基坑涌水量及降水井设计参数。
（3）基坑降水期间对既有线结构的沉降、轨道水平位移、轨距、道床沉降等进行自动化监测，实时掌握施工对既有线的影响，并及时采取相应措施，保证地铁安全运营。
（4）通过工程实践，提出了基坑降水过程中不均匀沉降、降水井涌砂、基坑壁渗水等防治措施。
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王住刚（1985—），男，陕西干县人，2006年毕业于西安建筑科技大学土木工程专业，学士，工程师，现从事地铁工程安全质量管理工作。
