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【摘要】根据深基坑降水方案设计的基本原则以及工程地质、水文地质条件,介绍了合理的现场抽水试验及水文地质参数的计算方法,在此基础上分析了地铁车站深基坑开挖所采用的管井井点降水方案的设计情况。
【关键词】承压水疏干井降水井
一、工程概况
上海城际轨道交通12号线七莘路站位于上海闵行区莘庄镇顾戴路七莘路，车站沿顾戴路大致呈东西走向。车站结构形式为地下二层两柱三跨箱形框架结构。车站形式为：车站主体外包总长458.1m，标准段外包宽度23.2m。车站标准段开挖深度约16.08m，东、西端头井基坑开挖深度18.03m。
二、水文条件
上海地下水类型主要为第四纪松散沉积土层孔隙水。孔隙水按形成时代、成因和水力特征可划分为潜水含水层、承压含水层，对本工程有影响的地下水类型可分为潜水和承压水。
本场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水，水位随季节而变化。年平均地下水位在0.5～0.7m。本场地下部第⑦层为承压含水层，根据上海市已有资料，承压水的水位均低于潜水水位，年呈周期性变化，埋深3.0～11.0m。参考上海轨道交通12号线工程详勘报告，第七层承压水层的水头埋深为地下6.6m。参考类似工程，本次方案第七层承压水水位按不利原则考虑取6.00m。
三、降水方案设计
1、地下水风险分析
场地28.00m左右见第七层承压含水层，垂向上距离各端头井开挖面仅10m左右。根据已经掌握的勘察资料，本工程⑦1层砂质粉土层、⑦2粉砂层、⑨粉砂层上下相互连通，可认为是同一承压含水层，含水层厚度较大，约70m。因此，在工程施工过程中，承压水突涌是本工程施工过程中最大的风险之一。
2、基坑抗突涌稳定性验算
基坑底抗突涌验算示意图如下所示。
基坑底板抗突涌稳定性条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：Σh•γs ≥ Fs•γw•H h — 基坑底至承压含水层顶板间各层土的厚度(m)；γs — 基坑底至承压含水层顶板间的各层土的重度(kN/m3)；H — 承压含水层顶板以上承压水头高度(m)；γw — 水的重度(kN/m3)，取10kN/m3；Fs — 安全系数，一般为1.05～1.20，本工程取1.10；
基坑底抗突涌验算示意图
根据相关资料，本场区对施工可能造成影响的下部承压含水层为⑦1层砂质粉土层、⑦2层粉砂层，故需对⑦1、⑦2层进行基坑抗突涌稳定性验算，附属结构由于开挖深度较小，而⑦1、⑦2层埋深较大，经初步估算无需进行基坑抗突涌性验算。
主体结构针对⑦层进行基坑抗突涌性验算，按不利原则考虑，承压水水位埋深取6.00m，⑦层层顶标高取-23.20m，为便于计算，本次方案设计以中端头井为界将本基坑东西两侧分为东段基坑、西段基坑，则两段基坑的标准段分别为东标准段、西标准段，计算结果如下表：
基坑抗突涌稳定性验算表（⑦层）
工程部位 开挖标高（m） 承压水顶托力（kPa） 上覆土压
力（kPa）
水位降深
需求（m） 控制水位
标高（m） 控制水位
埋深（m）
西端头井 -12.783 244.2 190.8 4.85 -5.85 10.85
西标准段 -11.133 244.2 219.8 2.22 -3.22 8.22
东端头井 -12.883 244.2 189.0 5.02 -6.02 11.02
东标准段 -11.933～-12.133 244.2 202.2～205.8 3.49～3.82 -4.49～-4.82 9.49～9.82
根據以上计算结果，本工程主体结构需考虑对⑦层进行降压处理。
针对上述计算结果，为了保证基坑稳定，根据公式Σh•γs ≥ Fs•γw•H，计算基坑开挖时基坑稳定临界开挖深度。
计算结果如下表：
基坑临界开挖深度(⑦层)
工程部位 地面标高(m) 承压水顶托力（kPa) 临界开挖标高(m) 临界开挖深度(m)
主体结构 +5.000 244.8 -9.75 14.75
由以上计算显示，当主体结构各部位基坑开挖等于或大于14.75m时，需开启⑦层降压井。
四、降水设计思路
针对基坑开挖范围内的浅部含水层，需要布设若干口疏干井，为保证一定的水力梯度，疏干井普遍深入开挖面以下4～6m，附属结构位于落深区的疏干井深度均控制在加固面以上。
根据有关资料分析，场地⑦1层与⑦2层具有水力联系性，可认为是同一承压含水层。根据基坑各部位降压需求的不同，在降水设计时，应考虑不同的降压井间距和数量。
针对端头井区域，因地墙围护仅深入⑦1承压含水层约4m，故在端头井区域采取以坑外为主，坑内为辅的第⑦层降压井布设方式；在标准段，鉴于坑内已布设一定数量的疏干井，若将第⑦层降压井布设在坑内，则坑内的井数较多，对土方开挖，基坑施工影响较大，同时井管易被破坏，且标准段区域地墙围护仅深入第⑦1层约1m，含水层绕流作用较小，故综合考虑在中间盾构推进一侧，第⑦层降压井布设在坑内，其余区段降压井均布设在坑外。
五、主要施工工艺控制措施
1、降水井注重事项
严格密封降水并井管，保证真空管路系统在土方开挖前真空度达到-0.06Mpa以上，土方开挖过程中，真空度会有所下降，但须控制在-0.03MPa以上。
降水井随着基坑开挖，暴露井管随时割除封堵。为方便挖掘机在基坑内作业，井管随着土方开挖而分段割除，并用粘土回填密实，保证有足够抽水能力的真空度。
2、降压井注重事项
基坑开挖阶段：根据基坑不同部位在不同开挖深度分别计算需降低承压含水层的承压水水头高度。由基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力，计算得基坑开挖阶段承压水位需降低值根据计算，在基坑的不同部位开挖到危险深度时，应开启相应部位的降压井进行抽水，并及时观测相邻部位停抽井的实测水位深度来调整是否需增开相邻部位的降压井。
主体结构施工阶段：上体结构底板混凝土浇筑完成并达到相应强度后，底板与地下墙连成整体共同作用，其抗剪强度和抗弯强度经验算能够满足大于下伏承压水顶托力的要求，故主体底板浇筑完成并达到相应强度后可停止降承压水。
六、经验总结
本工程结合地质条件，运用疏干井及降压井等措施，比较好的处理了微承压水与承压水联合作用的难题。在降水过程中可以发现土体空隙中的自由水一般在30天内基本被抽出，且前期抽出量大，后期抽出量小。降压井抽水可明显看出承压水补给量很大，必须使降压井的影响半径足够，并保持一定的抽水速度，来保证整个基坑底板稳定。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
【关键词】承压水疏干井降水井
一、工程概况
上海城际轨道交通12号线七莘路站位于上海闵行区莘庄镇顾戴路七莘路，车站沿顾戴路大致呈东西走向。车站结构形式为地下二层两柱三跨箱形框架结构。车站形式为：车站主体外包总长458.1m，标准段外包宽度23.2m。车站标准段开挖深度约16.08m，东、西端头井基坑开挖深度18.03m。
二、水文条件
上海地下水类型主要为第四纪松散沉积土层孔隙水。孔隙水按形成时代、成因和水力特征可划分为潜水含水层、承压含水层，对本工程有影响的地下水类型可分为潜水和承压水。
本场地浅部地下水属潜水类型，主要补给来源为大气降水，水位随季节而变化。年平均地下水位在0.5～0.7m。本场地下部第⑦层为承压含水层，根据上海市已有资料，承压水的水位均低于潜水水位，年呈周期性变化，埋深3.0～11.0m。参考上海轨道交通12号线工程详勘报告，第七层承压水层的水头埋深为地下6.6m。参考类似工程，本次方案第七层承压水水位按不利原则考虑取6.00m。
三、降水方案设计
1、地下水风险分析
场地28.00m左右见第七层承压含水层，垂向上距离各端头井开挖面仅10m左右。根据已经掌握的勘察资料，本工程⑦1层砂质粉土层、⑦2粉砂层、⑨粉砂层上下相互连通，可认为是同一承压含水层，含水层厚度较大，约70m。因此，在工程施工过程中，承压水突涌是本工程施工过程中最大的风险之一。
2、基坑抗突涌稳定性验算
基坑底抗突涌验算示意图如下所示。
基坑底板抗突涌稳定性条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：Σh•γs ≥ Fs•γw•H h — 基坑底至承压含水层顶板间各层土的厚度(m)；γs — 基坑底至承压含水层顶板间的各层土的重度(kN/m3)；H — 承压含水层顶板以上承压水头高度(m)；γw — 水的重度(kN/m3)，取10kN/m3；Fs — 安全系数，一般为1.05～1.20，本工程取1.10；
基坑底抗突涌验算示意图
根据相关资料，本场区对施工可能造成影响的下部承压含水层为⑦1层砂质粉土层、⑦2层粉砂层，故需对⑦1、⑦2层进行基坑抗突涌稳定性验算，附属结构由于开挖深度较小，而⑦1、⑦2层埋深较大，经初步估算无需进行基坑抗突涌性验算。
主体结构针对⑦层进行基坑抗突涌性验算，按不利原则考虑，承压水水位埋深取6.00m，⑦层层顶标高取-23.20m，为便于计算，本次方案设计以中端头井为界将本基坑东西两侧分为东段基坑、西段基坑，则两段基坑的标准段分别为东标准段、西标准段，计算结果如下表：
基坑抗突涌稳定性验算表（⑦层）
工程部位 开挖标高（m） 承压水顶托力（kPa） 上覆土压
力（kPa）
水位降深
需求（m） 控制水位
标高（m） 控制水位
埋深（m）
西端头井 -12.783 244.2 190.8 4.85 -5.85 10.85
西标准段 -11.133 244.2 219.8 2.22 -3.22 8.22
东端头井 -12.883 244.2 189.0 5.02 -6.02 11.02
东标准段 -11.933～-12.133 244.2 202.2～205.8 3.49～3.82 -4.49～-4.82 9.49～9.82
根據以上计算结果，本工程主体结构需考虑对⑦层进行降压处理。
针对上述计算结果，为了保证基坑稳定，根据公式Σh•γs ≥ Fs•γw•H，计算基坑开挖时基坑稳定临界开挖深度。
计算结果如下表：
基坑临界开挖深度(⑦层)
工程部位 地面标高(m) 承压水顶托力（kPa) 临界开挖标高(m) 临界开挖深度(m)
主体结构 +5.000 244.8 -9.75 14.75
由以上计算显示，当主体结构各部位基坑开挖等于或大于14.75m时，需开启⑦层降压井。
四、降水设计思路
针对基坑开挖范围内的浅部含水层，需要布设若干口疏干井，为保证一定的水力梯度，疏干井普遍深入开挖面以下4～6m，附属结构位于落深区的疏干井深度均控制在加固面以上。
根据有关资料分析，场地⑦1层与⑦2层具有水力联系性，可认为是同一承压含水层。根据基坑各部位降压需求的不同，在降水设计时，应考虑不同的降压井间距和数量。
针对端头井区域，因地墙围护仅深入⑦1承压含水层约4m，故在端头井区域采取以坑外为主，坑内为辅的第⑦层降压井布设方式；在标准段，鉴于坑内已布设一定数量的疏干井，若将第⑦层降压井布设在坑内，则坑内的井数较多，对土方开挖，基坑施工影响较大，同时井管易被破坏，且标准段区域地墙围护仅深入第⑦1层约1m，含水层绕流作用较小，故综合考虑在中间盾构推进一侧，第⑦层降压井布设在坑内，其余区段降压井均布设在坑外。
五、主要施工工艺控制措施
1、降水井注重事项
严格密封降水并井管，保证真空管路系统在土方开挖前真空度达到-0.06Mpa以上，土方开挖过程中，真空度会有所下降，但须控制在-0.03MPa以上。
降水井随着基坑开挖，暴露井管随时割除封堵。为方便挖掘机在基坑内作业，井管随着土方开挖而分段割除，并用粘土回填密实，保证有足够抽水能力的真空度。
2、降压井注重事项
基坑开挖阶段：根据基坑不同部位在不同开挖深度分别计算需降低承压含水层的承压水水头高度。由基坑底板的稳定条件：基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力，计算得基坑开挖阶段承压水位需降低值根据计算，在基坑的不同部位开挖到危险深度时，应开启相应部位的降压井进行抽水，并及时观测相邻部位停抽井的实测水位深度来调整是否需增开相邻部位的降压井。
主体结构施工阶段：上体结构底板混凝土浇筑完成并达到相应强度后，底板与地下墙连成整体共同作用，其抗剪强度和抗弯强度经验算能够满足大于下伏承压水顶托力的要求，故主体底板浇筑完成并达到相应强度后可停止降承压水。
六、经验总结
本工程结合地质条件，运用疏干井及降压井等措施，比较好的处理了微承压水与承压水联合作用的难题。在降水过程中可以发现土体空隙中的自由水一般在30天内基本被抽出，且前期抽出量大，后期抽出量小。降压井抽水可明显看出承压水补给量很大，必须使降压井的影响半径足够，并保持一定的抽水速度，来保证整个基坑底板稳定。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。