承壓水作用下基坑工程的設(shè)計分析

□文/趙麗君

承壓水作用下基坑工程的設(shè)計分析

□文/趙麗君

文中以天津地鐵3號線某車站的基坑工程設(shè)計為例，探討了基坑抗承壓水的幾個方案，并重點介紹了減壓井的設(shè)計，以期為今后的此類基坑設(shè)計提供有益的參考。

基坑；承壓水；減壓井

承壓水是存在于兩隔水層間的有壓地下水，其特征是上面有隔水層，具有明顯的補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)與泄水區(qū)，補(bǔ)給區(qū)與泄水區(qū)相距很遠(yuǎn)，具有壓力，一般埋藏較深。承壓水對基坑開挖的影響是不容忽視的，是造成工程事故的主要原因之一。天津地區(qū)的承壓水對基坑安全有影響的為淺層承壓水，按其埋藏深度可分為2種存在形態(tài)：一種是下部淺層承壓水，一般埋藏在⑨2粉土，⑨4粉砂，⑨5細(xì)砂層中，埋深約35m，它上面的隔水層是⑨1粉質(zhì)粘土，⑨3粘土層，另外中間還有多個粘土、粉質(zhì)粘土夾層；另一種上部淺層承壓水，埋藏一般較淺，約地面下16m，它上面的隔水層是⑤1、⑥1粘土層。其中，淺層承壓水多分布于滲透性較小土層中，出水量不大，但這些土層多數(shù)離建筑物、地鐵車站等基坑底較近，當(dāng)承壓水頭較大、上部覆土層較薄時，極易造成承壓水沖潰坑底從而引起基坑失穩(wěn)的事故。如果基坑基底是粉砂地層，下面的土層是承壓水隔水層并且厚度較小時更為危險。因為粉砂顆粒較小，其有效重度γ也較小，承壓水在隔水層薄弱處極易造成管涌和流砂，帶走基底下部的土顆粒，從而造成基坑邊坡失穩(wěn)和整個地基懸浮流動。而且，水土流失會使地基土進(jìn)一步擾動，造成基坑失穩(wěn)。

基坑抗承壓水方案

當(dāng)設(shè)計基坑的坑底地層不能滿足抗承壓水安全要求時，必須采取安全可靠的地基處理措施。首先考慮將圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水帷幕加深至承壓水層以下的不透水層，將承壓水層隔斷。此時若止水帷幕加深太長，則不經(jīng)濟(jì)，應(yīng)考慮采取其他方法。已應(yīng)用的方法如下。

（1）采取水泥土攪拌樁或旋噴樁加固坑內(nèi)土層，使之與周邊圍護(hù)形成整體的抗承壓水底板；采用化學(xué)注漿法，沿圍護(hù)結(jié)構(gòu)底面以上形成不透水加固土層，承壓水以上加固土層重應(yīng)與其下面承壓水壓力相平衡。

（2）在基底范圍內(nèi)采用深井點降低承壓水水壓；必要時采用坑外回灌法以控制地表沉降，保護(hù)周邊環(huán)境設(shè)施。

降承壓水方案設(shè)計

降承壓水水頭計算

對于具有承壓水層的地鐵車站施工，GBJ0007-2002《地基基礎(chǔ)規(guī)范》明確規(guī)定：當(dāng)坑底以下有承壓水時，必須采取坑底加固或降低承壓水頭等必要的治理措施，以保證基坑底穩(wěn)定?；拥装逯脸袎汉畬禹敯迕娴膲毫?yīng)大于承壓水的浮托力，即

式中：γm——透水層以上土的飽和重度，kN/m3；

t+△t——透水層頂面距基坑底面的深度，cm；

PW——含水層壓力，kPa。

當(dāng)不能滿足基坑底板抗?jié)B穩(wěn)定性要求時，就應(yīng)降低承壓含水層水頭，降低值可由公式（1）反算求得。對于承壓含水層頂板的深度變化較大的地鐵站，應(yīng)分區(qū)進(jìn)行計算，以求得各區(qū)需降低的承壓含水層水頭。

設(shè)置減壓井

減壓井結(jié)構(gòu)見圖1。

基坑涌水量計算

由于濾水管位于含水層上部，屬于非完整井，考慮含水層的各向異性及透水層補(bǔ)給的影響，基坑涌水量采用公式（2）計算

式中：Q——基坑總涌水量，m3/d；

k——滲透系數(shù)，m/d；

M——承壓含水層厚度，m；

S——基坑水位降深，m；

R——降水影響半徑，m；

r0——基坑等效半徑，m；

l——降水井過濾器底部至含水層頂板的距離，m。

計算參數(shù)的選定

當(dāng)施工場地承壓含水層無水文地質(zhì)參數(shù)時，應(yīng)在場地內(nèi)進(jìn)行抽水試驗，以確定公式（2）中k、m等。

另外，降水影響半徑和基坑等效半徑均可通過JGJ 120-99《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中公式計算求得。

降水井的布置及驗算

綜合考慮現(xiàn)場的施工條件及周圍重要建筑物、構(gòu)筑物的情況及需降壓水頭和確定的計算參數(shù)，布置降壓井。

通過公式（2）計算基坑總涌水量，再根據(jù)單井涌水量求算降水井?dāng)?shù)量；下面以某車站基坑為例，來全面分析基坑抗承壓水的設(shè)計方案。

工程概括

天津地鐵3號線某車站長188.7m，寬約20.6m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為18m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻。標(biāo)準(zhǔn)段地下連續(xù)墻埋深為32.5m，地下連續(xù)墻墻頂標(biāo)高為1.6m。支撐采用φ608mm鋼管，共5道。

土層分布情況見圖2，主要物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

表1 主要土層物理力學(xué)性能指標(biāo)

其中⑥2、⑥4、⑦2、⑦4粉土、粉砂為上部淺層承壓水層，⑨2、⑨4、⑨5粉土、粉砂、細(xì)砂為較下部淺層承壓水層；上部淺層承壓水頭埋深為2.57m，下部淺層承壓水頭埋深為5.2m。

從土層分布情況和基坑挖深來看，坑底所處土層為粉土、粉砂即上部淺層承壓水層。而下面為粘土、粉質(zhì)粘土隔水層，再下面的土層為下部淺層承壓水層。

根據(jù)計算，圍護(hù)結(jié)構(gòu)埋深需30m，考慮距上部淺層承壓水層底較近，設(shè)計將圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水帷幕加長至32.5 m，穿透此承壓水層，進(jìn)入其下面的不透水層。因此，需驗算基坑在下部淺層承壓水作用下坑底是否穩(wěn)定，若不穩(wěn)定應(yīng)采取減壓降水措施。

基坑穩(wěn)定計算

如果基坑按原設(shè)計開挖至坑底，根據(jù)地質(zhì)報告可知下部淺層承壓水層（透水層）頂面埋深約30.5m。由基坑開挖后透水層頂面以上各土層的重度與承壓水頭壓力的平衡條件可知安全系數(shù)為

一般來說，此平衡的安全系數(shù)K取1.1~1.3，由式（3）計算可知，安全系數(shù)不能滿足基坑穩(wěn)定性的要求。由公式（1）反算求得

其中h為該承壓水層（透水層）的水頭差，因此需將下部淺層承壓水水頭的埋深由5.2m降至10m，才能保證坑底穩(wěn)定。

減壓井的設(shè)計

當(dāng)基坑不能滿足抗承壓水壓力時，一般采取深井點降低承壓水頭的措施。本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水帷幕已穿透上部淺層承壓水，減壓井僅為減⑨2、⑨4層承壓水壓力，因此減壓井必須伸至⑨2、⑨4層中，減壓井深度為38.5m。根據(jù)式（2）可求得基坑總涌水量，再根據(jù)所選水泵及單井出水量，可求得減壓井個數(shù)。經(jīng)計算，基坑內(nèi)間隔20m設(shè)一個減壓井即可。

結(jié)論與建議

（1）基坑設(shè)計和施工前必須進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，了解承壓水分布情況。一旦地質(zhì)資料反映有承壓水存在，一定要驗算承壓水頭與上部覆土重的平衡是否滿足，如果滿足必須有一定的安全系數(shù)。如果不滿足基坑的抗?jié)B設(shè)計要求，應(yīng)采取措施降低承壓水水頭或?qū)⒊袎核畬痈魯唷?/p>

（2）天津地區(qū)的承壓水一般距離基坑的坑底較近，而且其上覆隔水層一般較薄，在基坑開挖施工過程中，承壓水極易沖破地層薄弱處形成管涌或流砂。所以在施工過程中，即便在降低承壓水頭的情況下，也必須加強(qiáng)對基坑坑底，尤其是地下墻附近角隅處的觀察，發(fā)現(xiàn)情況立即采取注漿封墻。

（3）由于承壓水上部隔水層一般較薄，承壓水極易穿透粘土層的薄弱處與上部滲水性較大的土層貫通，降低承壓水的過程中易把隔水層上部土層中的水抽出，引起地面沉降。所以，在降低承壓水的過程中應(yīng)加強(qiáng)對附近房屋及重要地下管線的觀測。

（4）施工中影響基坑的因素很多，加上實際情況的復(fù)雜性和計算的不完善性，任何設(shè)計都不可能把所有的影響因素全部考慮進(jìn)去。因此，變形的監(jiān)測和對監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時分析是非常重要的。

TU46

C

1008-3197（2010）02-20-03

2010-04-01

趙麗君/女，1966年出生，高級工程師，天津市市政工程設(shè)計研究院，從事地鐵及民用建筑設(shè)計工作。