王占生 李 伟 朱 宁 王道钢 童立元

(1.苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州; 2.东南大学岩土工程研究所,210096,南京;3.江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室,210096,南京//第一作者,教授级高级工程师)

苏州地区基坑微承压水特征及其工程控制技术研究*

王占生1李 伟2,3朱 宁1王道钢1童立元2,3

(1.苏州市轨道交通集团有限公司,215004,苏州; 2.东南大学岩土工程研究所,210096,南京;3.江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室,210096,南京//第一作者,教授级高级工程师)

苏州地铁4号线附属结构及出入口基坑开挖深度为10 m左右。基坑底一般坐落于微承压含水层中,由于开挖深度较浅,第一承压含水层对基坑无突涌威胁。对基坑开挖有直接影响的主要为潜水和微承压含水层。通过苏州地铁深基坑工程实践,分析总结归纳了苏州地区微承压水的特征,并采用有限元方法预测分析了降微承压水对周边环境的影响规律。在此基础上,总结提出了苏州地区基坑地下微承压水层对环境影响的控制技术。

苏州地铁; 基坑; 微承压水; 控制技术

随着地铁基坑越来越深，越来越大，承压水及微承压水对基坑工程的影响成为控制地铁深基坑安全的重要问题。由于基坑降水会引起周围一定范围内的地表沉降,严重时还会造成邻近建筑物/构筑物的破坏，因此，如何有效地控制降水对周边环境影响已成为研究的热点[1-8]。

苏州地铁4号线的附属结构及出入口基坑开挖深度多为10 m左右,其坑底位于微承压含水层中。由于开挖深度较浅,无坑底第一承压含水层的突涌威胁。对基坑开挖有直接影响的含水层主要为潜水含水层和微承压含水层。不考虑后果地将降水目的含水层全部隔断,往往是盲目而不准确的,同时还可能造成经济上的浪费。

本文以苏州地铁4号线某车站出入口基坑降水为例,对止水帷幕插入微承压含水层的相对深度不同(止水帷幕进入微承压含水层深度为其厚度的0%、30%、50%、70%和100%)时，降水对周围环境的影响进行预测分析,以便为类似情况的工程提供一定的参考。

1 苏州地区微承压水特征

苏州地铁建设沿线的微承压含水层有不同的地层分布。苏州地铁1、2号线的微承压含水层主要以④1粉土、④2粉砂为主。苏州地铁4号线的微承压含水层主要以③3粉土、④2粉砂夹粉土和④3粉砂夹粉质黏土为主。其中，④2粉砂层为良好的赋水和透水地层,且处于车站主体基坑开挖范围内,对地铁基坑开挖施工有直接影响。微承压含水层隔水顶板主要为③黏性土层,隔水底板主要为⑤1粉质黏土层。微承压含水层层顶埋深一般为6.0～12.0 m,厚度通常为6.0～15.0 m,且含水量较大。微承压水具微承压性,其渗透系数通常为1.5×10-3～5.0×10-3cm/s,属中等透水性土层。

部分区域⑤层隔水层缺失(如苏州地铁4号线宝带东路站)。此时，微承压含水层(③3粉土、④2粉砂夹粉土、④3粉砂夹粉质黏土)与深层第一承压含水层(⑤2粉土夹粉砂)构成厚度较大的承压水含水层组。

2 不同帷幕深度设计下降微承压水对环境影响分析

2.1 工程概况及场地地质条件

2.1.1 工程概况

苏州地铁4号线宝带东路站为地下双层岛式平行换乘车站,周边主要为鱼塘、农田、河道等。车站基坑平面示意图如图1所示。该车站基坑沿纵向被地下连续墙隔断分为3个独立分区。基坑采用分区开挖的方式。其中，出入口基坑开挖深度为9.75 m，地下连续墙深度为16 m。该站7号出入口基坑开挖面积约为500 m2,开挖深度约为10 m。7号出入口基坑设置了3口井深为15 m的疏干井。根据苏州地区降水施工经验,单井有效降水面积取200 m2,降水井进入到基坑底3～6 m。

图1 车站基坑平面示意图(部分)

2.1.2 工程地质条件

场地地表以下70.30 m深度范围内的土层均为第四纪松散沉积物。按其成因类型、岩性和工程性能,土层可划分 7个工程地质层(见表1)。其地质剖面图见图2。

2.1.3 水文地质条件

根据埋藏条件,地下水可分为潜水和微承压含水层。潜水含水层主要分布在填土及浅层黏土层中,主要接受大气降水入渗补给,其水位随季节变化。据区域水文资料,苏州市潜水位标高为0.21～2.63 m,勘察期间实测潜水稳定水位约为1.23～1.41 m。本工程中对基坑可能造成影响的地下水类型仅为潜水含水层和微承压含水层。其中，微承压水水头标高为1 m左右,其层顶埋深为8～10 m,厚度为5～7 m。

经工程实际监测，完全隔断微承压含水层时,基坑外地表最大沉降量为8 mm,最大降水深度为1.6 m。

表1 场地工程地质条件

图2 宝带东路站地质剖面图

2.2 数值分析模型

根据场地地质条件,结合基坑降水实际影响范围观测资料,为车站出入口基坑降水方案建立1∶1有限元计算模型(如图3所示)。计算模型尺寸为800 m×700 m×60 m,以便消除计算过程中地下水边界效应产生的影响。计算单元采用3D实体单元,8节点自由度。场地地层参数按表1取值。止水帷幕采用已完工的地下连续墙。在计算模型中,地下连续墙墙体采用C30钢筋混凝土,渗透系数为1×10-9cm/s。四周边界条件设置为定水头边界,初始总水头取0 m，降水井位置设置低水头边界(按照降水深度取值)。

图3 车站出入口基坑降水三维数值分析模型

2.3 降水对周边环境影响分析

在有限元计算模型的基础上,对地下连续墙插入微承压含水层深度不同时降水对周边环境的影响进行预测分析。计算采用控制变量的方法,即在其余条件均相同的情况下,设置不同的地下连续墙进入微承压含水层的相对深度(按地下连续墙插入承压含水层深度为含水层厚度的0%、30%、50%、60%、70%、80%及100%计),以模拟地下连续墙插入深度不同时降水对周围环境的影响大小及范围,并对各种不同情况下计算结果进行对比分析。计算结果如图4、图5及表2所示。

图4 地下连续墙插入深度不同时基坑外地表沉降

从计算结果可以看出，如不设止水帷幕,直接进行降水以疏干微承压含水层④2粉砂夹粉土层,则基坑外最大沉降值约为3.8 cm,距基坑150 m处的地表沉降约为6.5 mm,降水引起地表沉降的影响范围约为150 m；在无止水帷幕的情况下，附属结构基坑降水对周围环境的影响比主体结构基坑降水较小。

图5 地下连续墙进入微承压含水层相对深度不同时基坑外地表沉降

表2 地下连续墙进入微承压层相对深度不同时对坑外地表沉降及其相应影响范围

地下连续墙进入微承压含水层的相对深度对控制基坑周边地表沉降起着重要作用。具体影响如下：

(1) 当地下连续墙插入微承压含水层相对深度小于30%时,由于未能有效隔断基坑内外微承压含水层之间水力联系,地下连续墙隔渗效应基本可以忽略。此时，基坑降水对周围环境的影响较大。随着地下连续墙插入深度的增加，基坑外地表沉降变化趋势变得平缓。基坑外最大地表沉降值约为3.8 cm,影响范围半径约为150 m。

(2) 当地下连续墙插入微承压含水层的相对深度达到50%以上时,地下连续墙对于基坑内外的微承压水渗流具有明显的阻隔效应,基坑外地表沉降随地下连续墙插入深度的增加迅速减小；且当相对深度超过70%时,其变化趋势更加明显，基坑外地表沉降值减小到1.4 cm,影响范围半径约为30 m。

(3) 当地下连续墙插入微承压含水层的相对深度大于70%时，地表沉降值以较大的速率线性减小,基坑降水对周围环境的影响进一步减小。

(4) 当地下连续墙完全隔断微承压含水层时,基坑外最大地表沉降值仅为5.0 mm。此时基坑降水对周边环境已基本无影响。

3 微承压水控制方案

由于案例车站出入口基坑开挖深度范围内仅为潜水和微承压含水层,且不受坑底第一承压含水层的突涌威胁,故此类基坑降水的重点和难点是对微承压含水层的处理。结合苏州地区微承压含水层特征及上述计算分析结果,此类基坑微承压含水层处理应注意以下几点：

(1) 对于基坑深度不小于15 m且面积大于2 000 m2的大型基坑,其隔水帷幕插入微承压含水层的相对深度不小于70%。对于深度不大于9 m并且面积不大于500 m2的小型基坑,其隔水帷幕插入微承压含水层的相对深度建议不小于50%;同时，还应设置管井降水和回灌井,并加强对坑外水位和地表沉降以及建筑物变形等监测。

(2) 主体基坑中的微承压含水层,一般应完全隔断。当因微承压含水层厚度较大、埋深较大或技术经济原因等不能完全隔断时,其隔水帷幕插入微承压含水层的相对深度也应不小于70%。对于车站出入口、停车线等附属结构基坑，且基坑深度小于6 m时,隔水帷幕插入微承压含水层的相对深度应达50%以上。

(3) 坑内降水方案。当隔水帷幕插入微承压含水层的相对深度达50%时,隔水帷幕对基坑内外承压水渗流具有明显的阻隔效益。当隔水帷幕进入微承压含水层底板以下的弱透水层时,隔水帷幕已完全阻断了基坑内外承压含水层之间的水力联系。此时，可采用基坑内减压降水方案。

(4) 坑外降水方案。当隔水帷幕插入微承压含水层顶板以下3～6 m，或者插入深度小于微承压含水层厚度的20%～30%时,由于降水帷幕未在降水目的承压含水层中形成有效的隔水边界,故可采用基坑外降水方案,并密切监测基坑周边环境变化。

4 结语

本文以苏州地铁4号线车站为例,总结分析了苏州地区微承压水层的特征,并以实际车站出入口基坑降水工程为例,采用有限元的方法,总结了止水帷幕插入微承压含水层不同深度时降水对坑外地表沉降的影响规律。在此基础之上,进一步总结了苏州地区基坑工程中微承压水控制技术,可供苏州地区以后类似工程项目建设参考。

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Features of Feeble Confined Water and Controlling Technologies in Suzhou Area

WANG Zhansheng,LI Wei,ZHU Ning,WANG Daogang,TONG Liyuan

The excavation depth of the subsidiary structure and entrance is about 10 m on Suzhou metro Line 4, the bottom of the foundation pit is generally located in the feeble confined water layer. Due to the shallow depth of excavation, the first confined aquifer suffers no sudden surge threat to the pit, and the impact on excavation is mainly coming from the unconfined aquifer and feeble confined aquifer. Based on the practice of Suzhou metro excavation, the features of the feeble confined water in Suzhou area are systematically analysed, the finite element method is used to prodict and analyze the environmental impact caused by dewatering the feeble confined water. On this basis, countermeasures to control the influences of dewatering groundwater (feeble confined water)in Suzhou area are summarized.

Suzhou metro; foundation pit; feeble confined water; control technology

Suzhou Rail Transit Co.,Ltd.,215004,Suzhou,China

*国家自然科学基金项目面上项目(6521000121);苏州轨道交通集团有限公司科学基金资助项目(SZGDKY201303)

TU 46+3

10.16037/j.1007-869x.2017.03.029

2015-06-06)