杭州地铁1号线过江隧道江北风井降水工程实践中建立的数值模型的分析研究

沈 敏

（上海隧道工程股份有限公司，上海 200331）

1 工程概况

杭州地铁1号线滨江站-富春路站区间拟建工程位于滨江站（江南大道与江陵路交叉处桩号K5+886.50）至富春路站（富春路与婺江路交叉处桩号K8+838.70）之间，横穿钱塘江，设计使用年限为100 a，区间全长2 952.20 m。隧道最大纵坡为25‰，为地下双线单圆盾构隧道，隧道外径6.2m。在南北两岸各设置一座中间风井，江中设置区间联络通道；钱塘江中段盾构区间走向基本与钱塘江流向方向垂直，长度约1 310m（见图1）。

图1 杭州地铁1号线工程线路示意图

工程开挖深度及围护深度见表1所列。

表1 工程开挖深度及围护深度汇总表（单位：m）

2 江北风井降水概况

2.1 降水方案设计简介

潜水：上部砂土层厚度20.60 m，层底埋深22.87m，主井底板位于土性较好的⑨1a粉质粘土层中，附属井底板位于③6层粉砂层中，围护将潜水含水层隔断。

承压水：承压含水层顶板埋深32.77 m（标高-24.93m），距离基坑开挖面6.364m。承压含水层初始水头埋深7.92 m（标高-0.08 m，详勘报告），承压含水层水头高度为25.01m。

水头压力：Pwy×1.1=（24.93+0.08）×10×1.1=275.11（kPa）。

基坑开挖到底时承压含水层上伏土压力：Pcz=6.364×19.0=120.92（kPa）。

Pcz/Pwy<1.1，需要降低承压水水头14.02 m，基坑开挖到基坑底板时按照1.1的安全系数考虑需要控制承压水水头埋深在21.94 m（以下），控制承压水水头标高为-14.10m。

同时根据水土压力平衡条件，计算得基坑临界开挖深度为18.29 m，标高为-10.45 m。位于第四、第五道混凝土支撑中间。即第四道混凝土支撑（底标高-9.415 m，深度17.255 m）养护完毕进行下一层土体开挖时，便需要考虑承压水减压。

根据场区的工程地质及水文地质条件，结合工程实际情况，采用坑内布置降压井（见图2～图4）。

图2 坑内降水井平面布置图

图3 江北坑内、坑外预测水位降深曲线图

图4 江北预测水位降深等值线图

预测结果表明，降水方案可行，可以满足基坑降承压水要求。

2.2 降水效果

根据降水方案设计组织降水井施工，并且于2008年10月19日晚进行坑内群井试验，采用逐个开启降压井的抽水运行方式，Y1抽水2 h后增开Y4，2 h后增开Y2，逐步开启坑内Y1、Y4、Y2。观测坑内Y3水位降深变化情况。抽水时间拟定6 h。

群井试验工况见表2所列，坑内水位埋深变化见图5所示。

表2 群井试验工况表

同时根据坑外水位观测井G1的水位变化，坑内水位降深15.58m时，坑外水位降深0.90m。

2009年2月19日坑内降压降水开始抽水运行，之前已经建立了风险可控的承压水降水运行风险控制系统，至6月10日，江北风井成功实现封底后降水运行结束。北风井成功实现降水明挖，证明了圆砾层承压水通过悬挂式止水帷幕＋井点降水的施工方案是可行的。

3 水文地质模型

以江北风井的工程地质、水文地质为背景，承压含水层为圆砾层，渗透性好，水量丰富。含水层埋深33 m，厚度为28 m，承压水水头要求降低12m（见图6）。

4 数值计算结果（见表3）

（1）止水帷幕由34 m增加到41 m过程中，每加深1 m，基坑总涌水量减少超过10%；由44 m增加到52 m过程中，每加深1 m，基坑总涌水量减少基本呈线性变化，减少比例约为7%。

图5 坑内水位埋深－时间变化曲线图

图6 止水帷幕33～52 m深模型剖面示意图

（2）从基坑承压水降水考虑，基坑围护深度应超过40m为宜，布井数量少于5口。对于小面积基坑具有合适的布井位置，且围护结构已经进入承压含水层超过7 m，井结构设置时，可以降井的深度浅与地墙深度。

（3）从围护结构施工难度考虑，当地下墙在圆砾层施工时，越深难度越大，一般在不超过45m位置时可以采用普通的成槽设备，且难度不大，成本可以按照正常的连续墙施工成本进行控制。当连续墙施工超过45 m时，成槽难度加大，单价增加；因此成槽不超过45m深为宜。

表3 数值计算结果表

（4）从排水角度考虑，基坑涌水量不超过7200m3/d，每小时不超过300 m3时，现场一般比较容易解决。因此运用三维流理论进行本基坑降水工程时，地下墙深度宜超过41m。

综上，该工程在降水－围护一体化设计时，围护墙深度应控制在40～45 m较为合适。江北风井工程围护深度选择为42 m。

5 结语

江北风井通过有效控制圆砾层承压水水位，成功实施基坑明挖施工，避免了采取超深地下连续墙全断面隔断圆砾层承压水，以及采取水下开挖施工方案。该方案既节约了工程造价，缩短了施工工期，又大大减小了超深基坑工程施工风险与环境安全风险，取得了显著的经济与社会效益。该工程在实践中建立的数值模型为类似工程提供了一种可靠的计算和设计思路。