中铁隧道集团二处有限公司河北三河065201
摘要：就全国范围来讲，每个地区的工程地质条件和水文地质条件不尽相同，地铁基坑开挖降水也具有地域性的特点。而地下水水位下降会导致地表的沉降，对地面上已有的建筑物也构成一个潜在的危险源。本文以郑州地铁2号线黄河路站为例，分析了基坑开挖过程中的降水技术。
关键词：地铁车站；深基坑开挖；降水技术；基坑监测
引言
地铁车站基坑开挖需要在无水或不影响施工的环境下进行，开挖之前必须采取降水或止水方式，保证地下水位降到开挖面以下1m,否则会影响地铁车站的正常施工。地铁车站降水工程不同于一般的基坑降水，具有施工周期长，降低水位深、施工难度大的特点。而且地铁线路往往修建在城市繁华街道下面，地下管线复杂，周围建筑物众多，地铁降水不可避免要对地表沉降和周围建筑物产生影响。本文以郑州地铁2号线黄河路站为例，详细介绍了基坑降水对周边环境影响的定量分析方式及影响规律，提出了降水对地表和周围建筑物产生破坏的评估方式，对后期类似工程施工具有一定的借鉴作用。
1、工程概况
1.1地理位置及周边环境
黄河路站为2号线一期工程的第7个车站，为轨道交通2、5号线的换乘站，5号线为近期实施线路。2号线车站位于花园路与黄河路路口南侧花园路下，5号线车站位于路口东侧黄河路下，成“L”型换乘。
黄河路站车站有效站台中心里程：YDK17+513.300，车站设计起点里程：YDK17+412.700，车站设计终点里程：YDK17+600.400，全长187.7m。标准段基坑宽度为22.1m，盾构段基坑宽度为25.9m，基坑全长为187.7m，基坑深度为24.63m，主体围护结构采用明挖法施工，基坑支护采用1.0m厚地下连续墙+内支撑支护体系。
1.2水文地质
1.2.1地下水类型及地下水位
根据本场地水文观测孔观测结果、结合区域水文地质资料，场地地下水类型为潜水。地下水主要赋存于③-1层以下的粉土和粉砂层中。稳定水位埋深为自然地面下6.10～6.50m，地下水位年变化幅度为1.0～1.5m。
1.2.2抗浮设计水位
根据调查近十年的水位变化，参照郑州地铁1号线紫荆山站的抗浮水位，地下结构进行抗浮验算时，抗浮水位标高可暂取90.0m。
1.2.3水的腐蚀性评价
场地环境类型为Ⅱ类，按弱透水层中的地下水B类考虑。
1.3地下管线情况
黄河路站主体基坑开挖范围内共有Φ600污水、1000×700雨水、DN1000给水、DN200给水、DN219燃气、DN89燃气、900×450供电、DN70路灯管线8条，需对管线进行临时迁改或废除。
2、基坑内降水施工技术
2.1降水设计
2.1.1地下水影响分析
本站场区内稳定水位埋深为自然地面下6.1～6.5m，对应水位标高为88.01～88.00m，地下水位年变化幅度为1.0～1.5m。开挖基底标高为69.97m，水位面高于开挖面18.54m。根据设计要求的开挖作业期间保持坑内水位在开挖面下1m，需进行降水。
黄河路站围护结构采用地下连续墙，兼做止水帷幕，地下连续墙底均已进入相对隔水的⑥-1层Q3-2al+pl粉质粘土层中（粉质粘土层垂直渗透系数0.15m/d，水平渗透系数0.2m/d）。本站降水采用基坑内降水，基坑内降水时无地下水补给，将基坑范围内的地下水抽排完即可。
2.1.2降水方法选择
根据本车站地质条件、施工环境、水位降深要求等因素，综合考虑采用深井管井降水为主（基坑开挖施工前）、集水井明排为辅（基坑开挖施工期间）的方法。考虑到粉土、粉质粘土层渗透系数均小于1.0m/d，采取提前降水、多打设降水井的方法，达到降水目的。
2.1.3基坑涌水量预测
根据国家标准《地下铁道、轻轨道交通岩土工程勘察规范》（GB50307-1999）表1中的公式对该车站最高地下水位时的基坑涌水量进行计算。
具体如下表：
2.1.4单井最大允许出水量计算
（建筑与市政降水工程技术规范）
式中：q—管井出水能力，m3/d；
l’—过滤器有效长度，取2.4m；
d—过滤器外径，500mm
α’—经验系数，取130（参照建筑与市政降水工程技术规范）。
计算得，q=222m3/d
2.1.5井点管埋设深度
井点管的埋深主要取决于的基坑的开挖深度、降水区域内地下水水力坡度、降水后水面距离基坑底部的高度、降水期间地下水位变化幅度、过滤管和沉砂管的长度等，井点管埋设深度可按以下公式计算：
Hw=Hw1+Hw2+Hw3+Hw4+Hw5+Hw6
式中：Hw1——基坑深度，取24.63m；
Hw2——降水水位距离基坑底要求的深度，为1m；
Hw3——iγ0，i为水力坡度，取1/15，γ0为降水井分布等效范围，为4m；
Hw4——降水期间地下水位的变度，取1.5m；
Hw5——降水井过滤器有效长度，取2.4m；
T——沉砂管的长度，取1m；
计算得井点管的埋设深度为：24.63+1+（1/15*4）+1.5+2.4+1=30.8m
2.1.6井点数量的确定
n=1.2*Q/q
式中：n——管井数量，口；
Q——基坑涌水量，4331m3/d；
q——管井单井出水量，222m3/d；
所需管井数量：=1.2*4331/222≈23
降水井设计数量为23口。
具体数量应在试抽水阶段，通过观察井检验降水井数量及间距是否能满足要求，如不能达到将水位降至基坑地下1m，应适当加密降水井。
2.1.7井点间距的计算
井点间距按下式计算：
其中：a—井点布设间距；
l—基坑长，取187.7m；
n—布设点数，取23；
通过计算得井间距为：8m。
2.1.8抽水设备的选择
根据单井每天出水量（222m3/d）及各种水泵的流量，扬程等参数，选择每小时15～20m3流量，扬程24～45m的水泵做为降水井的抽水设备，抽水设备每井一套，另外预留5套备用。抽水泵配备减压启动箱和水位调节自动开关。当抽水泵由于某种原因发生缺相、过载、欠压、堵转时，减压启动箱能及时切断电源，有效避免电动机的销毁，可有效确保和延长水泵的使用寿命。水位调节自动开关能根据井内水位变化及时开启或闭合水泵电路，保证降水效果。
2.2降水施工技术
2.2.1施工准备
（1）降水区地下构筑物、管线及周边建筑物调查
黄河路站主体基坑开挖范围内共有Φ600污水、1000×700雨水、DN1000给水、DN200给水、DN219燃气、DN89燃气、900×450供电、DN70路灯管线8条，需对管线进行临时迁改或废除。周边最近建筑物为人行河南省分行验线，距离为22m。
（2）抽水试验
在车站基坑两端设置两口试验井，通过现场抽水试，获取水位线位置、单井最大出水量等技术参数，为下一步降水井的实施提供参考依据。
2.2.2施工工艺流程
降水井施工流程为：施放井位→钻进成孔→下水泥井管→填充滤料→粘土封井→安装空压机及潜水泵→洗井抽水→降水。
2.2.3井位测量放样
（1）降水井井位施放时必须详细调查核实场区地下管线分布情况，确认地下无各种管线后方可施工。
（2）为避开各种障碍物，降水井间距可作局部调整。
2.2.4成孔
钻机就位桩位对准后，机台应安装稳固水平，钻头、转盘与孔的中心三点成一垂线后开始钻孔，钻到2m深度时，埋置钢护筒，护筒采用10mm厚钢板加工，内径比设计孔径大100mm，护筒应高出地面300mm，四周用粘土分层夯实。护筒埋置完毕后，继续钻孔。钻进成孔径为φ750mm，一径到底，钻孔施工达到设计深度时，多钻0.3m。做好钻探施工地质及水文描述记录，在钻进过程中，如发现实际地质情况与勘察时提供的资料不一致时应对成井深度进行及时调整，确保井管壁的安放位置能够有效的进水。钻进开孔时应吊紧钻头钢丝绳，轻压慢转，钻进过程中要确保钻机的水平，以保证钻孔的垂直度，钻进过程中形成的浆水护壁不另加膨润土调浆。当提升钻具或停工时，始终保持孔内充满浆水，以防止孔壁坍塌。
2.2.5清孔
成孔完毕下井管前进行清孔换浆，钻进至设计标高后，在提钻前将钻杆提至离孔底0.50m，进行冲孔，清除孔内杂物，同时将孔内的泥浆比重逐步调至接近1.05，使孔底沉淤小于30cm，返出的泥浆内不含泥块为止。
2.2.6井管安装
井管进场后，应检查过滤器的圆孔是否符合设计要求。井管采用无砂混凝土滤水管，在预制混凝土管上放置井管，缓缓下放，当管口与井口相差200mm时，接下一节井管，井管接头处采用尼龙网裹严，以免挤入泥砂淤塞井管，竖向用4～5条30mm宽、长2～3m的竹条用2道铁丝固定井管。为防止上下节错位，在下管前将井管依井方向立直。吊放井管要垂直，并保持在井孔中心，为防止雨污水、泥砂或异物落入井中，井管要高出地面300mm，并加盖或捆绑防水雨布临时保护。
2.2.7填砾料封堵孔口
井管下入后立即在井管外侧填入滤料。滤料具有一定的磨圆度，滤料含泥量（包括含石粉）≤3%，粒径3～5mm，宜采用石英砂。填砾料时，滤料沿井管外四周均匀填入，保持连续。避免填料速度过快或不均造成滤管偏移及滤料在孔内架桥现象，洗井后滤料下沉及时补充滤料，要求实际填料量不小于95%理论计算量。砾料填充至车站含水层以上3～5m，填充至孔口时改用粘土回填，回填高度不小于2米。
2.2.8洗井
采用“泵放入井底抽水法”洗井，其原理如下：
成井完毕后立即下入高扬程底吸式潜水泵至井底抽水，如井内有沉淀，可在水泵抽水的同时人力上下串动水泵，扰动井内沉淀让水泵带出，直至水泵能下到井底。井内水抽干后拔出水泵，以防井外细颗粒进入井内造成埋泵，待井内水位上升至静止水位时重复上述操作。至井内没有新的沉淀并且水清后即可。洗井完毕在井管内填入0.5m高的干净滤料封堵井底，防止井底出现涌泥透砂。
2.2.9试抽水
成井施工结束后，应及时下入潜水泵，铺设排水管道、电缆等，抽水与排水系统安装完毕，即可开始试抽水。电缆与管道系统在设置时应注意避免在抽水过程中损坏。
开始抽水时，因出水量大，为防止排水管网排水能力不足，可以间隔的逐一启动水泵。抽水开始后，逐一检查单井出水量、出水含砂量。
抽水含砂量控制：为防止因抽地下水带出地层细颗粒物质造成地面沉降，抽出的水含砂量必须保证：粗砂含量<1/50000；中砂含量<1/20000；细砂含量<1/10000。当含砂量过大，可将水泵上提，如含砂量仍然较大，重新洗井。
连网统一抽降后连续抽水，不应中途间断，需要维修更换水泵时，逐一进行。
2.2.10质量检验
施工质量检验主要执行《建筑与市政降水工程技术规范》（JGJ/T111-98）、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202-2002）与《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）。
管井施工质量检验标准表2
2.3降水周期
考虑到基坑内土层渗透系数较小，在基坑开挖前20天即开始进行降水。为满足车站在施工中的抗浮要求，车站在施工期间一直保持降水，直至顶板结构施工完毕，并回填完成后方能停止降水。
2.4地面排水系统
2.4.1管路的安装
车站施工降水管线沿基坑围护结构支撑顺接至车站基坑以外的排水沟内，降水管路穿过车站便道时，在便道上开挖宽0.3m，深0.4m的管沟，对管路进行保护。
2.4.2供电电缆敷设及配电系统安装
（1）抽水井的供电电缆与排水管路一并沿围护结构支撑顺延至基坑边缘，基坑边缘设置降水井开关箱，开关箱由基坑周围的动力配电箱供电。
（2）供、配电系统用的电力开关柜、动力配电箱、开关箱安放要牢固稳妥。
（3）为保证降水工程连续运行，需备足25%用电设备备件，以便及时换修用电设备。
（4）电力开关柜、动力配电箱及开关箱要上锁，应做好防雨、防砸等防护工作，并须安装围栏，并在围栏不同方向悬挂警示标志，其放置地点要安全、平整，周围无杂物堆放。
（5）供、配电系统设有三级保护装置。电力开关柜中设有过流、短路、过热保护的自动开关。动力配电箱中设有过流、漏电保护开关，开关箱内设有漏电保护开关，所用电缆设计为三相五线制双“O”线。用电设备应做好接“零”保护。
2.5降水井封井处理
布置在基坑内降水井，由于停水后水位回升，对基坑安全仍有一定的危害，降水结束后采取可靠措施进行封井，具体措施如下：
（1）在施工底板砼前井口放置直径550mm厚度为3mm钢护筒，安装高度为高出底板顶面100mm，钢护筒底部1周采用地板防水板包裹，并在防水板4周缠绕1圈及底板中心钢管上缠绕一周遇水膨胀橡胶止水条，防止地下水从钢管与砼接缝处渗漏水，当施工侧墙高出地下水位后，停泵开始封井。
（2）封井时井内浇筑比底板强度高一等级的微膨胀混凝土，在距筒口150mm处焊一块4mm厚钢板，钢板与护筒焊满封严，将高出板面的护筒切除，剩余部分同样用比底板砼高一等级的微膨胀混凝土浇筑并振捣密实。
（3）深基坑内布井时尽量绕开底板梁及钢筋较密的部位，对不能绕开的底板钢筋穿过井口时采用绕行的办法。若绕行有困难时，切断后在四周加设构造钢筋进行加强处理。
2.6基坑残留水处理
基坑内在潜水层分布范围有可能会出现少量的残留滞水，采取在基坑开挖面周边设排水沟，将残留水引入坑底积水坑集中排走的措施进行处理。基坑开挖过程中，沿地下连续墙及时设置排水沟与集水井，用QY80抽水机及时将集水井内的水抽到基坑两侧的排水沟内。排水沟每隔20m左右设置一个直径80cm的集水井。基坑向下边挖边加深排水沟与集水井深度，保持沟底始终低于基坑开挖面50cm左右，集水井低于排水沟底不小于50cm，集水井内的水应随集随排。
2.7降水辅助措施
2.7.1降水监测
（1）降水监测内容
基坑降水施工期间主要监测内容如下：
①降水过程中，地下水位的变化；
②降水过程中，单井的出水、含砂量；
③基坑周边地表沉降、建筑沉降和倾斜监测；
④基坑周边燃气、雨污水、给水、电力等管线沉降监测；
（2）水位观测孔及沉降观测点的布置
①水位监测孔布置
②在垂直与平行水流的方向，根据车站降水井间距，平行于水流方向的两口降水井之间布置4个水位观测孔，垂直于水流方向的，降水井两侧布置8个水位观测孔。
③水位观测孔直径一般50～70mm之间，井深达到预测最大下降水位以下2-3米。
（3）房屋、管线监测点的布置
降水施工前对车站周边影响范围内的基坑两侧地下埋设管线的中心线上布置沉降观测点，并在降水之间测量其初始值。
（4）监测频率
水位监测：
①抽水开始后，在水位未达到设计降水深度之前，每天观测3次水位及单井出水量；
②当水位已达到设计降水深度，且趋于稳定时，每天观测1次；
③在受到雨季影响的情况下，观测次数宜每天2-3次；
（5）建筑物及管线监测：
①抽水工作开始后，基坑影响范围内的建筑物及管线每天进行2次观测，早、晚各一次；
②基坑开挖期间或降水井有异常情况时每天进行3～4次观测。
2.7.2备用电源措施
为了保证降水期间抽水持续作业，防止长时间停电造成水位回升，影响地下结构施工，降水施工期间考虑备用电源，采取如下措施：
（1）在原有供电系统上，采取第二路供电系统应急备用电源，并配有自动切换装置。
（2）如因现场无法实施第二路供电系统时，须配备作为应急备用电源，并配有自动切换装置。
（3）现场配备不小于150kVA的发电机作为备用电源。
2.7.3降水管理措施
成立专门降水班组对降水进行管理，班组设3人，8小时轮班，对抽水设备完好性、抽水管道畅通性负责，并记录好每口井的抽水情况，发现问题及时向技术部门进行报告，保证抽水作业顺利进行，并达到基坑内降水效果。
3、车站监测方案设计
3.1地表沉降
控制网建立和监测方法同建筑物控制网建立相同，在进行沉降测点的埋设时，水泥地面：先用冲击钻在地表钻孔取芯，然后放入沉降测点，测点采用Ф20～30mm，长1000～1200mm半圆头钢筋制成。测点四周用水泥砂浆填实固牢。原始地面：埋设普通测量标石。在基坑周边选择典型位置垂直中线方向布置5个测点，通过监测找出基坑周边地表横向沉降规律。
3.2地下水位变化
地下水位观测设备采用电测水位仪，观测精度为±1mm，其工作原理以水为导体，当测头接触到地下水时，预警器发出预警信号，此时读取与测头连接的标尺刻度，此读数为水位与固定测定的垂直距离，再通过固定测点的标高及与地面的相对位置换算成从地面算起的水位埋深及水位标高。水位管的埋设与安装应遵守下列原则：
（1）成孔：水位观测孔采用清水钻进，钻头的直径为Φ150mm，沿铅直方向钻进。在钻进过程中，应及时、准确地记录地层岩性及变层深度、钻进时间及初见水位等相关数据；钻孔达到设计深度后停钻，及时将钻孔清洗干净，检查钻孔的通畅情况，并做好清洗记录。
（2）井管加工：井管的原材料为内径Φ100、管壁厚度为2.5mm的PVC管。为保证PVC管的透水性，在PVC管上端3～4m开始至管底加工蜂窝状Φ10的通孔，孔的环向间距为12mm，轴向间距为12mm，并包土工布滤网，井管的底部比基坑深3～5m。
（3）井管放置：成孔后，经校验孔深无误后吊放经加工且检验合格的内径Φ100的PVC井管，确保有滤孔端向下；水位观测孔应高出地面0.2m，在孔口设置固定测点标志，并用保护套保护；
（4）回填砾料：在地下水位观测孔井管吊入孔后，应立即在井管的外围填粒径不大于5mm的米石；
（5）洗井：在下管、回填砾料结束后，应及时采用清水进行洗井。并做好洗井记录。
结束语
地铁工程一般位于城市繁华地段，总体具有周边和地下环境复杂，建筑物及地下管线密集、施工周期长、地下水位较高等特点。基坑降水是防止地基液化、基坑管涌，有效减小地下水渗透压力，防止地基隆起的必要措施。施工过程需依据所在区域地质及地下水位存储特点，有效制定降水措施和地下水位监测方案，确保基坑降水在满足现场施工基础上，保证周边建（构）筑物、管线安全可控。本文以郑州地铁2号线黄河路站的施工降水为例，对基坑降水设计、过程施工及水位监测的全过程进行了详细阐述，以期为类似工程施工提供借鉴作用。
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