临近水库、泄洪渠与住宅区的地铁深基坑工程专项水文勘测研究及地下水处理技术分析

张清坤，商 浩

（1.中交一公局集团有限公司，北京 100024；2.大连彤阳市政工程集团有限公司，辽宁 大连 116021）

地铁车站施工中，常见施工方法有明挖法、盖挖法、暗挖法3 种施工方法，其中明挖法施工应用较为广泛，但同时受基坑周边环境、设计方案、地下水等因素影响，存在较大施工安全风险。尤其针对地下水环境变换较大地区，如临近水库、河流、湖泊等，水文勘察时机选择尤为关键，是设计方案选择的重要依据。地下水处理方案选择对防止基坑突涌管涌、周边建筑物构筑物沉降、基坑坍塌等安全事故发生至关重要。

1 依托工程概况

1.1 车站基本概况

前牧站为大连地铁4 号线第三座车站，位于甘井子区牧川路与规划路交叉路口西北侧地块内，沿东西向布置。车站为地上一层、地下一层岛式车站，站厅层位于地上一层。地上建筑长191.3 m，宽26.1 m，开挖深度11.7 m，采用明挖施工，施工现场北侧为新建住宅小区，南侧为现有道路。前牧站与水库、泄洪渠的位置关系如图1 所示，前牧站放坡开挖坡顶线与新建住宅小区位置关系如图2 所示。

图1 车站与水库、泄洪渠的位置关系

图2 车站与住宅小区的位置关系

1.2 地质水文情况

车站基坑穿越地层主要为填土、第四系上更新统坡洪积层角砾、碎石，下覆震旦系长岭子组石灰岩。

勘察场地地下水类型分为第四系松散层的孔隙水、岩溶水。孔隙潜水主要赋存在杂填土、角砾、碎石层中，该土层渗透性强，贯通性较好，水量中等～丰富。岩溶水主要赋存于强～中风化石灰岩层溶蚀裂隙及溶洞中，岩溶水受溶蚀裂隙及溶洞发育程度影响较大，岩溶水水量变化较大。岩体溶蚀不发育区域，储水量及地下水连通性弱，水量较小～中等。岩体溶隙及溶洞发育区域，连通性较强，储水性较强，为导水通道，水量中等～丰富。

按地下水埋藏条件分类，场地地下水类型为潜水。勘探期间稳定地下水位埋深2.4～8.3 m，水位高程14.2～18.8 m。本车站场地地势较为低洼，四周为低丘陵地貌，南高北低。雨季存在地下水位升高、涌水等危险。本场地距离牧城驿水库泄洪道仅百米左右，牧城驿水库泄洪时基坑周边水文环境会发生较大变化，水量剧增，会对基坑的止水和抗浮有较大的影响。

1.3 基坑支护形式

车站基坑采用两级放坡+喷锚支护，一级放坡坡率为1∶1，土钉采用Φ25，L=6.0 m，@2.0×1.5 m；二级放坡坡率为1∶0.5，土钉采用Φ20，第四道土钉长度L=6.0 m，@2.0×2.5 m；坑底两道土钉长度L=5.0 m，@2.0×1.5 m。坡顶采用3%的硬化散水坡进行排水。车站基坑开挖横断面设计如图3 所示。

图3 车站基坑开挖横断面设计

1.4 研究背景

2017 年6 月详勘时受周边临近住宅小区基坑开挖施工降水影响，破坏了车站基坑开挖范围内的地下水平衡，此时地下水稳定水位埋深为4.2～8.3 m，平均水位6.4 m。

2022 年4 月补勘时，周边基坑施工完成，地下水补给恢复到初始状态。补勘钻孔勘探期间稳定地下水位埋深2.4～4.8 m，平均水位4.2 m。补勘后对比2017年6 月详勘地下水位变化较大。

2 专项水文勘测研究

2.1 抽水试验及涌水计算

地下水处理方案的比选，首先要确定地下水含量及周边环境。根据地形、地貌、地质情况及地下水分布等综合因素考虑，对地下水进行专项勘察。传统地下水勘察采用单观测孔形式，为了更加精准地计算地下水含量，项目于2022 年7 月对实地勘察采用双观测孔抽水试验。沿车站两侧分别布置2 组水文钻孔，每组水文钻孔包括主抽水孔和2 个观测孔。抽水井按设计要求施工成孔、孔径为600 mm，施工完成后，下放300 mm 钢制排水管，外圈缠绕2 圈60 目纱布滤网，井周边投放滤料，进行抽水试验。观测孔布置距离10～20 m，采用108 mm 成孔，下放75 mm 塑料花管，井周边投放滤料，在抽水试验时观测降深。采用双观测孔的抽水试验法，可以较为精确地计算地层的水文地质参数。抽水孔施工如图4 所示。

图4 抽水孔施工

原始水位标高约17.82～18.52 m，2 组抽水孔最大降深为2.49、3.25 m，水位标高16.03、14.57 m，降水量与地下水补给量达到平衡状态，此时稳定水位距基坑底约2.3～4 m。停泵后1 min 左右，地下水迅速补充至原始水位标高，地下水补给能力强。基坑实际开挖后地下水量丰富并且补给能力强。若发生强降雨、河道泄洪等特殊情况，基坑可能发生大面积涌水、突水等情况。抽水试验测得的渗透系数为综合值，钻探揭露含水层富水性及渗透性极不均匀，随着地层深度的加深渗透性整体呈增大趋势，土岩交界处附近水量丰富，施工及设计单位应注意。

试验计算第四系孔隙水出水量及碎石层渗透系数，抽水试验基本原理是通过现场测试水位降深S随时间T 的变化以及稳定流量Q，计算得出水井含水层的渗透系数K。具体工作方法是在提前准备好的水井中，选用合适泵量的水泵进行抽水，在抽水的瞬间开始计时，并且分别记录0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60、80、100、120、180、240 min 时的水位，以后每隔1 h 测一次，至少测量稳定降深水位8 h。当水位下降到一定深度后稳定或在一定范围内波动时，通过水箱量取此时的出水量。当水位维持在某一深度超过4 h，并且出水量无变化，可视此次抽水试验成功。停止抽水瞬间重新计时，对水位恢复进行记录。对于同一个抽水试验井，至少要采用3 个不同泵量的水泵进行抽水，即3 次不同降深。

依据《供水水文地质手册》（第二册）潜水完整井渗透系数计算公式

式中：K 为含水层的渗透系数，m/d；Q 为试验涌水量，m3/d；H 为含水层厚度，m；r1、r2 为分别为观测孔与抽水孔间距，m；s1、s2 分别为观测孔水位降深，m；R 为抽水影响半径，m。

车站开挖段地下水类型为第四系松散层的孔隙水。根据抽水试验数据计算得到的平均渗透系数，并按JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》附录E 估算基坑涌水量，车站坑道长度为192.3 m，宽度为26.7 m，降水至基坑底板以下0.5 m，涌水量计算公式

式中：Q 为基坑降水总涌水量，m3/d；k 为渗透系数，m/d，取各岩土层渗透系数的厚度加权平均值；H 为潜水含水层厚度，m；Sd为基坑地下水位的设计降深，m；R 为降水影响半径，m，可按计算；r0为基坑等效半径，m，可按计算，A 为基坑面积，m2。

基坑涌水量估算成果见表1。

表1 基坑涌水量估算成果表

2.2 历史数据对比

通过专项水文勘测研究，证实了补勘的水文情况变化，水位埋深较详勘阶段升高2.2 m，基坑涌水量为原阶段的2 倍有余。具体见表2。

表2 水文勘测对比

3 地下水处理技术

3.1 拟采取的方案选择

3.1.1 方案1：降水方案

车站基坑施工期间采用坑外管井降水，降水井直径600 mm（井管400 mm），井深为基底以下7 m，沿车站基坑呈四周布置、车站横向中心线布置一排，井距6 m，降水深度为不小于基坑底1.0 m。基坑降水井抽水管管径DN200。

3.1.2 方案2：帷幕止水方案

车站基坑四周设置双排咬合式旋喷止水帷幕Φ800@600 mm。桩长度为入强风化岩2 m，桩径800 mm，咬合200 mm，沿基坑四周布置。

3.2 对比分析研究

3.2.1 方案安全性分析

通过专项水文勘察预计基坑涌水量5 603.7 m3/d，本车站计划工期15 个月，总计抽水量约165.5 万m3，周边地下水位平均降深9.5 m。地下水长时间抽排，将对周边建筑物构筑物造成较大影响。并且基坑外降水无法保证将施工区域内的地下水降低至基坑底标高以下，涌水、滑坡、坍塌等施工风险较大。同时周边牧城驿水库不定时泄洪、强降雨等不确定因素对地下水位影响较大。采用止水帷幕方法施工，对原始地下水无较大影响，可确保周边建筑物构筑物影响，基坑安全性可得到更大保证。

3.2.2 经济性分析

降水方案造价依据相关定额计算费用约780 万元。止水方案造价依据相关定额计算费用约954 万元。从经济性角度分析，造价费用相差较小。

4 结束语

本项目综合考虑基坑临近新建住宅小区的安全性，以安全性作为优先保证，采取双排咬合式旋喷止水帷幕。

针对类似项目，提出如下建议：

1）临近水库、泄洪渠或者河流等具备外部水资源补给的深基坑工程，在实施之前要制定专项补勘及水文勘测研究方案，不可直接运用历史详勘数据指导现场施做。

2）临近住宅小区建设过程中，深基坑开挖会影响地铁项目水文，要进行充分研判。

3）在富水地层中开挖，且临近建筑物的深基坑工程，具备咬合式止水帷幕施工条件的项目，可从基坑开挖对临近建筑物安全考虑，采用止水帷幕方案。