摘 要：城市地下铁路工程经常使用明挖法施工，为了保证安全作业，基坑土方开挖前需要将地下水位降至基底以下。文章介绍了基坑降水的四种类型，并以实际案例分析了坑内降水、坑外降水在工程中的应用。
关键词：地铁；基坑降水；案例；分析
1 地下水
根据地下埋藏条件的不同，地下水可分为上层滞水、潜水和承压水三大类。上层滞水是由于局部的隔水作用，使下渗的大气降水停留在浅层的岩石裂缝或沉积层中所形成的蓄水体。潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层上的地下水，通常所见到的地下水多半是潜水。承压水是埋藏较深的、赋存于两个隔水层之间的地下水，这种地下水往往具有较大的水压力。
降水施工对地铁基坑工程起着重要的作用，降水效果不好会产生一定的危害，主要表现形式有：坑底隆起、坑底突涌、坑壁渗漏、底侧突涌、降水引发地层沉降、斜坡滑移、坍塌等。
2 基坑工程降水类型
根据基坑工程地质特征、隔水帷幕（围护结构）的插入深度、降水井的位置等，可以将基坑降水分为以下四种类型[1]：
2.1第一类基坑工程降水——隔水帷幕隔断降水含水层（降水井在坑内）
该类降水工程由于隔水帷幕深入到降水含水层隔水底板中，阻断了坑内外含水层之间的水力联系，因此采用坑内降水方式，即降水井设置在基坑内侧。如果降水目的含水层为潜水含水层，则是疏干降水；如果降水目的含水层为承压含水层，则降水前期是降压，后期是疏干。由于主要抽水坑内地下水，很容易达到降水目的，降水效果明显，且降水影响范围小，对周边环境影响小。地下水流特征：由于隔水帷幕隔水，基坑内、外地下水无水力联系，坑内降水时，基坑外的地下水位不受影响。
2.2第二类基坑工程降水——隔水帷幕底位于承压水含水层隔水顶板中（降水井在坑外）
与第一类基坑工程降水有本质的区别，第一类工程降水是一种疏干降水，即是把基坑隔水帷幕和隔水底板封闭的含水土体内的地下水排干。第二类工程降水则是将位于基坑开挖面以下的承压含水层中的水位降低到一定程度，防止基坑底板隆起或突水，满足基坑开挖安全的需要，属于典型的降压降水。该类工程隔水帷幕位于降水目的含水层以上，未将基坑内、外承压含水层分开，坑外降水与坑内降水的效果基本相同，为了坑内施工方便，通常可将降水井布置在基坑外侧。 该类工程降水影响范围较大，但降落漏斗平缓，因此抽水的地面沉降为均匀沉降。
2.3第三类基坑工程降水——隔水帷幕底位于承压水含水层中（降水井在坑内）
该类降水工程由于隔水帷幕深入到降水含水层中，部分隔断基坑内、外的水力联系，因此无论是在基坑内还是在基坑外设置降水井，基坑内、外含水层中地下水的流动都必然受到不可忽视的阻挡，渗流边界变的非常复杂，地下水呈三维流态，降水设计时往往需要借助三维渗流计算软件进行分析计算。对于含水层厚度大、周边环境较为复杂地区，常采用此类方法进行地下水位控制，由于受围护结构绕流阻水的影响，坑内降水时，基坑内、外往往会产生较大的水位差。
2.4第四类基坑工程降水——无隔水帷幕基坑降水（降水井在坑外）
该类降水工程，基坑周边通常未设置止水帷幕或隔水帷幕不完全，对地下水流动阻碍作用不明显，降水影响范围较大，因此要求周边环境条件较好，没有重要管线（尤其是煤气管、上下水管等）及重点保护的建（构）筑物，降水设计时主要以降低水位为目的，不考虑对环境的影响。
3 杭州地铁2号线人民广场站换乘节点承压水降水工程案例
3.1工程概况
人民广场站换乘节点位于钱塘江南岸、萧山市区市心路与金城路交叉口，周边环境复杂，是地铁2号线与规划5号线换乘节点，地下三层框架结构，基坑面积约为758m2，开挖深度25.11m，是杭州地铁最深的一个基坑工程。承压含水层卵石粒径大、渗透性强（K=246m/d)、涌水量大（基坑水位降至安全水位时，总涌水量达到20000m3/d)，对基坑开挖构成了严重的威胁。围护结构（隔水帷幕）为1000mm厚地下连续墙，深50m。
3.2地质及水文地质条件
承压含水层主要由深部的粉砂夹粉质粘土和圆砾组成，承压水头埋深约为9m，含水层顶板埋深约30m，距离基坑开挖面约4m。
3.3降水方案
由于围护结构（隔水帷幕）底位于承压水含水层中，属于第三类基坑工程降水。编制降水施工方案时在基坑内设8口降压井，坑外设4口井观测兼降压备用井，井深48m，底部1m为沉淀管，进入圆砾层5m，滤管浅于连续墙底端3m。
在基坑内施工3口降压井J1、J8、J4、基坑外施工1口观测井J11后（见图1），进行了现场抽水试验。从抽水试验结果上看，单井出水量很小，而且观测井水位降深也很小（平均41m3/h），没有达到预期的效果，考虑到48m以上的圆砾层中充填较多的粘土，再结合抽水试验结果，调整了降水方案：将降水井滤管加长到50m，底部与围护结构齐平，进入圆砾层8m。 施工一口降压井后，进行了单井抽水试验，水量增加明显，单井出水量达到180m3/h，效果明显改善。
按调整后的方案施工完6口降压井后，开启了基坑内7口井进行了一次群井抽水试验，抽水时间48小时，基坑内水位降至埋深25.30m，满足基坑开挖要求，基坑外水位降深仅为2.5m。抽水试验期间，对基坑周围进行了地面沉降监测，监测结果表明地面沉降量小，平均为1.0mm左右。
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图1 人民广场站换乘节降水井平面布置图
3.4降水运行
降水运行过程中为了避免过多地抽取承压水，减少不必要的浪费，严格进行了按需降水、科学降水。跟据计算，在基坑开挖至17m以前不需要减压降水，开挖至17m时，开启降压井进行降水工作，详见表1。
表1 降水运行水位控制与水泵开启顺利表
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根据抽水试验观测资料，承压水位恢复速率快，停止抽水后水位迅速上涨，在2min坑内水位恢复到60%左右，坑外水位恢复到50%左右；在10min坑内水位恢复到84%左右，坑外水位恢复到67%左右，给基坑降水带来了很大的风险。为保证降水运行安全，在现场配置了备用发电机，并且实现自动切换（45s内能完成网电与备用电源转换）。
4 南京纬七路过江隧道梅子洲出口明挖段坑外降水工程案例
4.1工程概况
梅子洲明挖段全长340m，开挖深度约0～18.5m，端头工作竖井为长26m×宽49.4m×深26.5m。围护方式为：JN01~JN03为放坡开挖、JN04~JN11为钻孔灌注桩、JN12~JN15及工作竖井为地下连续墙。基坑周边为大片农田及葡萄园，周边分布民房，最近处约50m，大部分在150m左右。
4.2 水文地质条件
梅子洲场地自上而下以粉细砂地层为主，厚度55m左右，地下水水位埋深0.5m左右，含水层厚度H取54.5m，根据抽水试验资料，含水层渗透系数K取18m/d，影响半径在450～500m，保守取450m。
4.3降水井的布置
考虑到周边环境较为简单，采取了第四类基坑工程坑外降水。降水施工方案编制时采取“承压—潜水井”公式计算基坑涌水量：
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单井出水能力为2000~2400 m³/d（18.5kw泵抽水），根据基坑涌水量计算结果，设计了68口降水井，见图2。降水井采用多孔混凝土花管，井管内径400mm，外径500mm，泥孔径800mm，井深40m。
降水井主要布置在工作竖井和暗埋段周围，实际降水时，先期开启了全部井68口井，后期只开启了37口降水井，满足基坑开挖要求。
图2 隧道梅子洲出口明挖段降水井平面布置图
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根据上述降水井布置方式，竖井内降深达到30m（设计水位降深为28m），暗埋段水位降深达到20~28m（设计水位降深18~26m），水位降深满足基坑安全要求。
4.5地面沉降
距离竖井越远地下水水位降深越小，在围绕竖井周围地下水水位降深呈漏斗状。其中，距离竖井35m以内，漏斗坡度较陡，35m之外降位漏斗坡度变缓，35m为拐点。如50m到60m之间10m距离，水位下降差1.267m，引起的差异沉降仅为4.49mm。距离竖井越远漏斗坡度越缓，其差异沉降也越小，这种沉降量不会对民房造成破坏性的影响。
5 总结
1)降水施工方案应该根据工程周边环境、设计图纸的围护结构（隔水帷幕）等客观因素，科学合理地选择降水类型，并通过现场抽水试验进行必要的调整，确保取得良好的降水效果，满足基坑开挖的要求；
2)降水运行过程中充分做到按需降水、科学降水，减少不必要的浪费，同时也能避免因地下失水过多造成地表更大的沉降。
3)在建筑密集区的城市地铁深基坑工程，应采用坑内降水，有利用基坑周边环境的保护。若在郊区周边环境允许的地方，宜优先选用坑外降水。允许坑外降水的首要条件就是基坑周边无重要建筑物及重要管线，降水对非重要建筑物也不会造成大的影响。
4)使用坑内（外）降水时，在坑外（内）合理布置观测井、备用井可以辅助降水，增强基坑内的降水效果。另一方面，在基坑周边环境复杂时，利用备用井进行回灌能有效控制坑外的地下水位，防止地表沉降。
5)坑内降水和坑外降水的详细对比分析见表2：
表2 坑外降水和坑内降水的对比
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参考文献
[1]全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会．市政公用工程管理与实务[M]．4版．北京：中国建筑工业出版社，2014:104-106.
论文作者:罗臣立
论文发表刊物:《基层建设》2015年32期
论文发表时间:2016/8/24
标签：基坑论文; 含水层论文; 水位论文; 工程论文; 地下水论文; 帷幕论文; 竖井论文; 《基层建设》2015年32期论文;