昆明地铁深厚强透水层深基坑降水方案研究.docx
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昆明地铁深厚强透水层深基坑降水方案研究
昆明地铁深厚强透水层深基坑降水方案研究
lⅣ▲道勘测设计
昆明地铁深厚强透水层深基坑降水方案研究
刘智勇
（qz铁第四勘察设计院集团有限公司城建院武汉430063）
【摘要】对于基坑施工期间的地下水控制方法,主要根据渗透系数和降水深度来选择,大体上中粗砂以
上粒径的土层用堵截法结合管井降水,本文结合昆明地铁白云路站深基坑施工所采用的截水帷幕和管井
井点降水方案的设计情况,对竖向悬挂式防渗帷幕与水平封底式防渗帷幕的比较方案进行了探讨.
【关键词】深基坑降水有效带深度大井法潜水非完全井迭西渗透公式
引言
在地下水位较高的地区开挖地铁深基坑,必须
要采取有效的降水措施,以保证施工干作业的需要.
管井降水法以其施工方便,降深大,降水效果好,能
迅速降低地下水位,提高边坡的稳定性,防止基坑出
现流砂,管涌,虽然其施工成本,运行费用较高,但对
渗水量大,基坑挖深大的工程来讲,管井法具有其它
降水措施无法比似的优点.涌水量大的基坑,在坑
外形成的降水漏斗影响范围很大,地面沉降与建筑
物的不均匀沉降问题不容忽视,因而很多时候实施
截水帷幕工程后再进行降水是很有必要的Ⅲ.
1工程概况
昆明地铁白云路站位于北京路和白云路交叉
路口处,沿北京路路中布置,车站南端头布设单渡
线.站位附近交通流量大,建筑物密集;其西北侧
为国美电器3层营业场所;其东北侧为一栋22层
楼高的商住楼;其东南侧为金星宾馆及多栋3～9
层的建筑物,多为砖混结构,部分为钢混结构;其西
南侧为心景假日楼盘,有一最高层25层的连体裙
楼建筑.车站主体基坑总长度262.6m,标准段总宽
发l./m,墨:
墙作为围护
工程所
●圈铁惜鼬.
地下连续
向主干断
裂形成的断陷河湖相沉积盆地,上覆地层主要有:
第四系全新统人工填土层（Q4r|I）,以杂填土为主;第
四系全新统冲洪积层（Q讲）,以粘土为主;第四系
上更新统冲洪积层（Q）,以粘土和圆砾土为主.
场地土层从上至下为:
①杂植土:
褐黄色或褐灰色,平均层厚3.5m,土
质松散,稍湿,固结差,以粘性土为主,夹碎石,建筑
垃圾等硬杂质,局部夹有生活垃圾,腐质物等.
②粘土:
褐黄色或灰黄色,以硬塑状态为主,
局部可塑状态.湿,具中压缩性,局部夹少许砾石
颗粒.层顶埋深0.2～1.7m,层厚0.5～1.8m,平
均1.35m,渗透系数为0.05m/d.
②:
淤泥质粘土:
灰,深灰,褐灰,局部黑灰色.
软塑状态为主,局部流塑状态.饱和,具高压缩性.
层顶埋深1.2～3.5m,层厚0.3～3.5m,平均1.74m,
渗透系数为0.005m/d.
③.粘土:
灰,黄灰,褐灰色,可塑状态.湿,具
中压缩性,局部夹少量砾石.层顶埋深4.5～8.6m,
层厚0,4～2.9m,平均1.8lm,渗透系数为0.1m/d.
③.圆砾:
褐灰,灰色,黄灰,兰灰色,中密一密实,
饱和,具中～低压缩性.粒径大于2mm的砾石含
量占60%以上,砾石成份以砂岩,玄武岩,石英砂岩
为主,磨圆度较高.主要为粉土,粉砂充填,局部粘
性土充填.层项埋深4.8～8.7m,初勘35m深的钻
孔未揭露层底,渗透系数为48.5m/d.
该车站深基坑工程降水的特点可描述为:
含水
层为圆砾石层,渗透性好,涌水量大;围护结构没有
ANDDESIGN20'10（5）
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隔断透水层;工程水文地质条件不明,地表水和地
下水水力联系复杂;周边建筑密集,地面沉降控制
要求高;车站降水没有地区经验可循.
2基坑降水方案设计研究
降水疏干方案选择得正确与否对整个工程影
响甚大,疏干效果的好环直接影响着基坑开挖和基
坑边坡的稳定.水位降深在满足施工要求的时候,
应尽量选择较小水位的降深.依据此项原则,本次
设计水位降深为将水位降到基坑开挖底线以下
1.0m,这样可最大程度上避免降水对地层的影响,
不至于造成地基承载力的下降.
2.1水文地质模型建立
本工程地质基本可认为分层各向同性,地下水
为潜水,二维层流状态,垂直方向将稳定潜水位以
下薄层粘土和厚大圆砾土视为同一含水层,由于管
井未能达到相对不透水层,因此在采用"等代大井
法"时按潜水非完整井计算.由于本工程水位降深
达l5.4米,基坑挖深范围大,从基坑边缘向外延伸
5倍影响半径,并未见明显阻隔等边界条件变化,故
视为无限边界条件,因此采用管井法降低地下水位.
取综合渗透系数,按面状基坑,均质含水层,潜水非
完整井计算基坑涌水量和干扰条件下的单个降水
井的出水量.
2.2有效带深度的确定
采用管井法计算时能否和实际情况相符合,满
足工程降水的要求,计算参数的选取便显得十分重
要.在大井法计算中,潜水完整井法已有十分完善
的理论,算法比较成熟,而非完整井法则由于算法
十分复杂,没有系统的理论解,在实际计算时引入
含水层抽水"有效带"的概念,将非完整井转换为设
计理论较成熟,计算方法相对简单的"等效"完整井
计算.
有效带是指在非完整井抽水时,其影响深度不
能达到含水层的底部,只能影响到一定深度,这一
深度视为抽水的"有效带".有效带深度可假定为
与非完整井流量及水位降深相同时的等效完整井
◇◇◇令今今
含水层厚度.一般经常以近似的方法来计算有效
带深度,见表:
.
表1有效带深度近似计算
SoHo
0
0+,,
0_21_3（,）0.51.7（0+,）
0_31.5（.+,）0.81.85（0+,）
由于地质条件千差万别,采用此近似计算的结
果也可能有较大的误差,为此在非完整井群降水时
的单井涌水量计算的近似解基础上,推导出了有效
带深度验证公式:
圭-n㈩
式中:
H0为有效带深度（m）;Q基坑总涌水量,
（m/d）;k为含水层渗透系数（m/d）;n为降水
井数量;R为降水影响半径,R=1.95Sa/KH.,（m）;
x.为基坑当量半径,=,,A为基坑的面积（m）;
So为抽水井水位降深,（m）;d为管井滤管直径,（m）;
S为基坑中心水位降低深度,（m）.
2.3基坑涌水量估算方法
（1）大井法估算基坑涌水量,计算公式如下:
lg
+
156I1185一.+l+.12二I
m0I4m0J
（2）
式中:
一基坑总涌水量（m/d）;
K——土的渗透系数（m/d）;
S——抽水时坑内水位下降值;
H——抽水前坑底以上的水位高度;
R——抽水影响半径;
mo_一从坑底到下卧不透水层的距离.
（2）潜水非完整井公式估算基坑涌水量.计算
公式如下:
-36羽H2_h,.2
式中:
卜_过滤器有效工作部
铁道勘测与设计RAILWAYSURVEYANDDESlG
2（_j）
/
的长.
In1n,c,■■暖R●曩■
—l厶魈勘测i;|计
——
潜水含水层厚度与动水位以卜含水层厚
度的平均值.
（3）达西渗透公式估算基坑涌水量.计算公式
如下:
O=K?
i?
A（4）
式中:
一土的渗透系数;
卜__水力坡度;
——
基坑面积.
2.4基坑降水设计思路
本站设计水位降深为15.4m,主要含水层为渗
透系数高达48.5m/d的③圆砾层,计算厚度约为
50m.主体围护结构采用地下连续墙,深度为
28.54m,当不采用任何帷幕措施,若在基坑开挖过
程中直接降水,因地下连续墙形成的绕流长度较短,
不能有效降低水力坡度,一方面达不到减小基坑涌
水量的目的,另一方面在基坑外形成的漏斗影响范
围仍较大,地面沉降与建筑物的不均匀沉降会成为
问题.因而,实施防渗帷幕工程后再进行降水是有
必要的.
2.5竖向悬挂式防渗帷幕与水平封底式防渗帷
幕的方案比较
2.5.1竖向悬挂式防渗帷幕按最小帷幕深度考
虑时
①悬挂帷幕嵌固深度按抗渗稳定条件进行确
定:
h≥1.2丫o一,）（5）
本站基坑深度h=16.4m,地下潜水位埋深h
=2.Om,基坑重要性系数70—1.1,则满足抗渗稳定
条件的地下连续墙嵌固深度≥19.O08m.而本站
围护结构深度为28.4m,嵌固深度h=28.4—16.4
:
12m<19.O08m.
为满足抗渗透稳定性要求,沿地下连续墙内侧
设置3~800@600高压旋喷桩,与围护结构结合
形成悬挂防渗帷幕,桩长9m（其中2m为与地下连
续墙搭接段）.将三种方法估算的基坑涌水量结果
汇十表2.
圜铁诺
表2涌水量计算结果表
综合考虑各项公式的计算结果,采用上述不同
计算方法的平均值涌水量进行降水工程初步设计,
即Q=66194.86m/d.
②单井出水量计算及降水井数量确定
根据《基坑支护技术规程》中管井出水量经验
公式,对管井的出水量进行计算:
q=1207tr,3√尼（6）
从上式可以看出,过滤器进水部分长度越长,
井点半径越大,则管井的出水能力越强,但管井出
水能力应与水泵抽水能力相联系.
综合考虑深井施工及现有潜水水泵出水能力,
扬程等因素,选用滤水管直径为50cm,深井井点半
径r=0.25m,深井过滤器进水部分长度,=12m.
q=1207crj34-~-=4122.36=171.77
则井点数:
=兰=l6.06≈l7口,考虑一定数
量的备用井,取n=24口（井间距约为17.4m）.
③群井干扰验算基坑涌水量
多个相互之间距离在影响半径范围内的深井
井点同时抽水时的总涌水量可按下式计算:
.366
式中:
.卜井点群重心处水位降低数值（m）;
Xl,.X:
…——各井点至井点群重心的距离.
当:
24时,…）:
:
1.65,
则考虑群井干扰时的涌水量
P=57938_3l<66194.86,不满足降水要
求.
当=28（井距约为15m）时,
卟X2~~.X3）=百46.06=1.645,则考虑群井干扰
时的涌水量Q=57750.40<66194.86,不
与设计PAlLWAYSURVEYANDDESIGN2010（5）
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满足降水要求.
经过多次试算,当1"/=42（井间距约为lOm）
时,（1g,…）:
69.43:
1.653,群井干扰时的
涌水量Q=58051.65l/<66194.86,仍不
能满足降水的要求.
2.5.2竖向悬挂式防渗帷幕按最大施工深度考
虑时
①考虑现有高压悬喷桩悬挂帷幕深度最大施
工能力,最大施工深度可达50m.本站基坑深度h
=16.4,围护结构深度为28.4m.沿地下连续墙内
侧设置3~800@600高压旋喷桩,与围护结构结
合形成悬挂防渗帷幕,桩长23.6m（其中2m为与地
下连续墙搭接段）.
②设计计算
综合考虑各项公式的计算结果,采用三种计
算方法的平均值涌水量进行降水工程初步设计,
即Q=46139.5m/d.
选用滤水管直径为273mm,深井过滤器进水部
分长度,=12m.
q=120n,=2252=93.83
则井点数:
n==20.49~21IS],考虑一定数
量的备用井,取=25口.
当:
25时,g,）:
:
1.646,
则考虑群井干扰时的涌水量
Q=58165_43>46139.5m/,,i献水要求.
通过上述计算可知,当悬挂帷幕深度达到50m
时,在满足井距的情况下,采用深井降水的方式方
能达到降水目的.
2.5.3水平封底式防渗帷幕
①方案描述
拟采取在基底下一定深度处用旋喷桩+注浆形
成水平防渗帷幕,旋喷厚度2m,采用,~8oo@8oo旋
喷桩搭接而成,旋喷桩问压密注浆且旋喷桩下lm
厚全注浆,允许渗透进一定的水量.在基坑内环向
布置18口管井为降水井,井深24.4m.
◇令令今令
②设计计算
水平帷幕埋深和厚度采用压重平衡法,即采用
水平帷幕和上覆土的重量来平衡水压力.计算公
式如下:
研+研≥（8）
则底板的厚度为:
二
Y
式中:
H——底板厚度
h——底板上覆土厚度
3广底板上覆土容重
】一底板容重
P厂单位面积承受的浮托力
本站基坑开挖深度为16.4m,天然潜水位埋深
为2.Om,则基坑内的水位降深为15.4m.则计算得
底板厚度H≥7.44m.综合考虑各项不利因素以后,
取基坑底下8m为设置旋喷桩顶标高.
考虑水平帷幕实施后,基坑内含水层的渗透系
数将大幅度减小,利用达西定律计算涌水量.根据
以往的工程经验,设置此类水平帷幕后,含水层的
渗透系数k将达到0.1~o.5m/d,取减小后的渗透系
数k=O.3m/d则:
i一半=5.13,Q=K.f.A=0.3X-5.13×
5007=7706m3/d
综合考虑深井施工及现有潜水水泵出水能力,
扬程等因素,选用滤水管直径为273mm,深井过滤器
进水部分长度/=5m.采用一井一泵的方式进行抽水:
g=l20兀rf4~-=938_32=39.1
则井点数:
—8.21≈9口,考虑一定数量的
备用井,取n=l6口.
当:
16时,g,X2…）:
126.24:
1.64,
则考虑群井干扰时的涌水量
Q=12062m~d>7706m~d,满足降水要求.
2.5.4竖向悬挂式防渗帷幕与水
帷幕的方案比选
方案一（"悬挂帷幕"）降水的原
铁道勘测与设计RAILWAYSURVEYANDDESIGN
I,\l/yr多一
在于增加水
!
o10（5）圜
l5魈勘测设计
流的绕流路径,进而降低水力坡度,达到减小基坑
涌水量的目的.方案二（"水平帷幕"）的高压旋喷
桩施工后,形成的水平防渗帷幕同四周的围护结构
一
起构成全封闭的帷幕体系,基本切断了基坑内外
的水力联系.基坑开挖过程中在基坑内进行降水,
在基坑围护结构外形成的降深及影响范围较小,对
基坑周边建筑物及道路的影响也较小.
方案一与方案二的主要工程量及概算见表3.
表3降水工程主要工程数量及概算表
序号单项工程名称单位工程量概算（万元）备注
l高压旋喷桩水泥用量t29988-33
2高压旋喷桩造孔m112650.00
方案一3
（1）600降水管井m900.
00共25口井,井深36m（竖向悬挂
l
4706
式帷幕）4
（1）600回灌井m299.O0共23口井,井深13m
5过滤器总长m300.O0每口井过滤器长12m
6日最大降水量m46l39.5运行期14个月
1高压旋喷桩水泥用量t6259.2
2高压旋喷桩造孔m239414
3注浆量m34386.1水泥净浆
方案二4注浆孔数孔9100
（水平封底2220
式帷幕）5（I）600降水管井m390.40共l6口井,井深24.4m
6
（1）600回灌井ml95.00共l5口井,井深13m
7过滤器总长m80.O0每口井过滤器长5m
8日最大降水量m37706运行期l4个月
为达到理想的降水效果,竖向悬挂式帷幕施工
深度较大,帷幕形成质量较难控制,运行期间涌水
量大且造价高.而水平封底式帷幕技术可行性相
对较好,运行期间涌水量小且造价低,因此,综合推
荐水平封底式帷幕为截水措施.
3结束语
在目前基坑降水设计中,大多根据管井底部是
否达到隔水层而采用潜水完整井或非完整井来估
算基坑涌水量.本站基坑底下存在巨厚且渗透性
大的圆砾土层,针对这一复杂的水文地质状况,引
入含水层抽水"有效带"的概念,将非完整井转换为
设计理论较成熟,计算方法相对简单的"等效"完整
井来计算.另外,综合考虑了大井法,潜水非完整
井公式和达
地铁车
筑物,道路,±
■匝■毫妻{酋勤.
式来估算基坑涌水量.
施工期间,为确保基坑周围建
的安全及正常使用,对于深厚
强透水层地基需通过降水,回灌等对地下水的控制
措施,及时降低基坑开挖范围内土层的含水量,防
止流砂,管涌等不良现象的发生.为了减小基坑涌
水量,可设置竖向悬挂式防渗帷幕或水平封底式防
渗帷幕,本文从技术性和经济性等方面对这两种帷
幕体系进行了比较,发现对于类似本工程水文地质
条件的深基坑降水应优先选用水平封底式防渗帷
幕作为隔水措施.
参考文献
【1】中国人民共和国行业标准.建筑基坑支护技术规程
（JGJ120.99）
[2】中国人民共和国行业标准.建筑与市政降水工程技
术规范（JGJ厂r1l1—98）
【3]江景波.建筑施_T-[M】上海:
同济大学出版社,1990
【4]姚天强,石振华.基坑降水手册[M】北京:
中国建筑
工业出版社2006
[5】江正荣.简明施工工程师手册[M】北京:
机械工业出
版社2004
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