基坑的支護(hù)體系及降水方法

趙 敏 孫 琦，2 許 越，3

(1.西安工業(yè)大學(xué)，陜西 西安710032；2.慶安集團(tuán)有限公司，陜西 西安710077；3.建業(yè)住宅集團(tuán)〈中國(guó)〉有限公司，河南 鄭州450000)

0 引言

如果基坑工程中存在的地下水水位較高，又未采取一定的降水措施，那么地下水就有可能因壓力過(guò)大而大量滲入基坑內(nèi)。 當(dāng)土骨架因過(guò)大的滲透力遭到破壞時(shí)，常常會(huì)引起許多不良地質(zhì)狀況，如流砂、管涌、坑底突涌等，這對(duì)基坑的安全將造成很大危害，嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生地層的不均勻沉降、基坑下陷、塌方等眾多安全隱患。采取一定的技術(shù)手段降低地下水位，能夠使基坑內(nèi)外的水頭差減少，從而有效增強(qiáng)土體強(qiáng)度。此外，減小基坑底部的水壓力，也可以避免流砂、管涌、坑底突涌等現(xiàn)象的發(fā)生。因此，尤其是深大高水位的基坑工程，為了確?；拥撞康淖鳂I(yè)面干燥，減少作用在支護(hù)結(jié)構(gòu)上的壓力，保證工程的順利完成，有必要預(yù)先進(jìn)行地下水的抽取。 本文將重點(diǎn)介紹基坑的支護(hù)體系和不良地質(zhì)狀況以及降低地下水的方法。

1 基坑開(kāi)挖與支護(hù)

1.1 開(kāi)挖形式

1.1.1 放坡開(kāi)挖

深基坑開(kāi)挖的形式方法眾多，通?？煞譃榉牌麻_(kāi)挖、支護(hù)開(kāi)挖兩種類型。在設(shè)計(jì)開(kāi)挖前需參考相關(guān)規(guī)范、周邊建筑物要求、工程地質(zhì)勘查報(bào)告等諸多因素， 初步確定出技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上合理的基坑開(kāi)挖方式。 放坡開(kāi)挖擁有經(jīng)濟(jì)和快捷等特點(diǎn)，也成為基坑工程中一種較為常見(jiàn)的開(kāi)挖形式。

放坡開(kāi)挖的適用條件應(yīng)符合：

1）基坑土體性質(zhì)一般為粘性土或粉土、密實(shí)碎石土和風(fēng)化巖石等；

2）地下水位相對(duì)較低，或者采取了人工降水等降低地下水措施的基坑；

3）工程施工的場(chǎng)地需具備足夠放坡開(kāi)挖的空間，以避免放坡開(kāi)挖對(duì)臨近建筑物以及地下市政設(shè)施造成的不利影響。

為了增強(qiáng)基坑邊坡穩(wěn)定性，同時(shí)降低工程量，可以在放坡開(kāi)挖的過(guò)程中可增設(shè)簡(jiǎn)易支護(hù)。

1.1.2 支護(hù)開(kāi)挖

支護(hù)開(kāi)挖是在通過(guò)一定的支護(hù)條件下展開(kāi)的基坑施工。相比較放坡來(lái)挖，支護(hù)開(kāi)挖能夠適應(yīng)更為復(fù)雜的工程環(huán)境，為主體結(jié)構(gòu)的施工以及周邊的建筑物和公共設(shè)施提供安全的保障。

支護(hù)開(kāi)挖一般適用于城市建筑物密集、地下管線橫縱復(fù)雜交錯(cuò)或不允許采用放坡的的基坑。

1.2 支護(hù)形式

1.2.1 懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)

懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)一般使用木樁、鋼板樁、地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土樁等作為支護(hù)體系。 依靠懸臂結(jié)構(gòu)深埋土中獲得的較強(qiáng)抗彎能力，它能夠很好地保持基坑整體穩(wěn)定性。懸臂式結(jié)構(gòu)對(duì)開(kāi)挖深懸臂式支護(hù)結(jié)構(gòu)適用于土質(zhì)較好、淺挖的基坑工程。

1.2.2 重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)

重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)一般分為水泥式和格構(gòu)式兩種。水泥式支護(hù)體系是利用水泥和其周圍的土層形成的重力式擋土墻，來(lái)保證基坑的穩(wěn)定性；格構(gòu)體系則能夠適應(yīng)不同承載力。 重力式支護(hù)結(jié)構(gòu)同樣適用于淺挖的基坑。

1.2.3 拉描式支護(hù)結(jié)構(gòu)

拉錨式支護(hù)體系是由支護(hù)體系和錨桿構(gòu)成。 依據(jù)基坑的不同深度，可按實(shí)際情況采用單層、雙層和多層錨桿。拉描式支護(hù)結(jié)構(gòu)適合砂土、粘土或者基坑土體能夠提供較強(qiáng)錨固力的基坑。

1.2.4 土釘墻支護(hù)結(jié)構(gòu)

土釘墻支護(hù)是在基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，在土坡和坡面上分別設(shè)置土釘和鋼筋網(wǎng)，并在鋼筋網(wǎng)上噴射混凝土形成混凝土面板。 土釘墻支護(hù)體系適用于開(kāi)挖深度在地下水位以上的卵石土層、粘性土層、粉土層、雜填土層等地基土層。

2 深基坑工程中地下水因引起的不良地質(zhì)現(xiàn)象

基坑開(kāi)挖到了一定的深度時(shí)，當(dāng)承壓水的浮托力大于承壓含水層頂板與基坑底部之間的土體壓力時(shí)，坑底就可能產(chǎn)生管涌、流砂、坑底突涌等。 這也是常見(jiàn)的地下水引起的不良地質(zhì)現(xiàn)象。

2.1 管涌

在水位差的作用下，當(dāng)深基坑中土體顆粒級(jí)配不連續(xù)，顆粒粒徑差別較大，且在基坑坑底的土層中有承壓含水層的存在時(shí)，滲透水流便滲入基坑土體中。 在水流滲透力作用的影響下，由于土體顆粒大小不一，使得土體中某一部分的顆粒產(chǎn)生劇烈的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，這就導(dǎo)致了入滲水流把填充在土體骨架孔隙中的細(xì)顆粒帶走，由此構(gòu)成若干條涌水通道，即管涌（又被稱作泡泉或翻沙鼓水）。 隨著高強(qiáng)度水流的沖擊， 當(dāng)滲透水流把主滲漏涌水通道上的細(xì)粒土幾乎全部被帶走后，主通道雙側(cè)的細(xì)顆粒逐漸進(jìn)入涌水通道，使涌水主通道漸漸擴(kuò)張。 涌水通道的寬度越寬，管涌持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，越發(fā)容易產(chǎn)生劇烈涌水使地基變形失穩(wěn)，乃至發(fā)生塌方事故。

2.2 流砂

流砂一般為細(xì)顆粒、飽和、顆粒勻稱、疏松的非粘性土體較易產(chǎn)生的一種不良現(xiàn)象。 土體中存在的一些松散顆粒被地下水飽和后，由于土體中水的高差，在動(dòng)力水壓作用下就會(huì)使這些散落的顆粒產(chǎn)生懸浮運(yùn)動(dòng)，這就意味著單位土顆粒自身向下的重力小于或等于其受到的方向向上的滲透力， 即滲流力－單元體自重應(yīng)力=γωi-γ′h＞0， 則流砂形成。 式中，γw 為水的重度，γ′為土體的浮重度。

流砂主要發(fā)生在顆粒級(jí)配較為均勻的砂性土中， 同管涌差不多，也是被動(dòng)水流通過(guò)一個(gè)類似管道的通道沖刷走，不同的是，流砂的發(fā)生一般是突發(fā)的，所帶來(lái)的危害主要有使基礎(chǔ)發(fā)生滑移，地面產(chǎn)生不均勻沉降，基坑坍塌等。

2.3 基坑突涌

基坑突涌是指在開(kāi)挖基坑后，基坑底面以下的承壓水水頭壓力大于下部不透水土層的自重應(yīng)力而導(dǎo)致基坑底部土體突起，同時(shí)產(chǎn)生涌砂噴水的現(xiàn)象。 即，H>γω/ γ′·h。 式中：H 為不透水層厚度，m；γω為水的重度，kN/m3；γ′為浮重度，kN/m3。

突涌現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，坑底將存在樹(shù)狀或網(wǎng)狀的縫隙，使得攜帶地下顆粒的地下水從縫隙中突涌而來(lái)，從而地基發(fā)生“沸騰”的噴水現(xiàn)象，造成基坑內(nèi)的地基土由于積水而遭到破壞， 給邊坡的穩(wěn)定性帶來(lái)危害。

3 降水方法以及適用條件

基坑工程中，如果基坑的底部高程低于地下水位，就有可能對(duì)工程造成影響。 而預(yù)先降排地下水又有可能造成基坑周圍滲流場(chǎng)的改變，以及地表、周圍建筑物、地下管線等的變形與沉降。因此，既要保證施工的進(jìn)展順利，又要確保工程的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，務(wù)必有效的對(duì)地下水進(jìn)行控制。在眾多的降排水方法中，其作用范圍和使用條件也不盡相同。因此，在對(duì)工程足夠了解，能夠因降水對(duì)周圍結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的影響比較準(zhǔn)確預(yù)測(cè)的前提下，正確選擇合理、安全、經(jīng)濟(jì)的降水方案對(duì)工程的順利完成意義重大。

目前常見(jiàn)的對(duì)地下水進(jìn)行治理主要有降低地下水位和堵截地下水兩個(gè)方面。 降水方法大致分為兩種類型，即集水坑明溝排水法與井點(diǎn)降水。 其中井點(diǎn)降水通常包括輕型井點(diǎn)法、噴射井點(diǎn)法、電滲井點(diǎn)法、管井井點(diǎn)法以及自滲降水法等。

3.1 集水坑明溝排水法

集水坑明溝排水法指的是依靠水泵將安置于基坑里的集水井或明溝中的水抽到基坑外。 在挖土面逐步下移的同時(shí)，新的開(kāi)挖面需要重新設(shè)置的集水井和明溝。

集水坑明溝排水方法的適用條件是基坑開(kāi)挖深度、降水深度和水量均比較小，坑壁土體相對(duì)穩(wěn)固，一般不會(huì)發(fā)生管涌、流砂與坍塌等現(xiàn)象。

這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于投資小、施工和管理方便等。 但也存在一定弊端：

（1）一旦地下水隨著基坑的坡面冒出，很有可能出現(xiàn)基坑底部軟化、泥濘等現(xiàn)象；

（2）由于坑底滲水的速度較慢從而容易影響施工進(jìn)度；

（3）當(dāng)土體中存在粉性土層時(shí)，則易造成地下水的潛蝕作用，從而為基坑邊坡的安全帶來(lái)不穩(wěn)定因素。

集水井或者溝渠的截面尺寸通常是由基坑涌水量的數(shù)值確定，其涌水量必須滿足式（1）：

式中：V 為排水量（m3/d）；Q 為基坑涌水量（m3/d）。

3.2 井點(diǎn)降水法

井點(diǎn)降水， 是一種人為的采用各種手段來(lái)使地下水位下降的方法。 這種方法是在基坑工程的開(kāi)始階段，在基坑周邊設(shè)置若干口濾水管（井），使用降水裝置連續(xù)地抽水，使基坑范圍地下水位低于設(shè)計(jì)深度，這樣能夠一直維持所挖土體的干燥狀態(tài)。

井點(diǎn)降水方法的特點(diǎn)在于適用于各種不同類型的基坑，并且能夠有效阻止流砂等不良地質(zhì)狀況，保持基坑的穩(wěn)定性。 再加上井點(diǎn)降水方便機(jī)械施工，工期短，成為目前廣泛使用的降水方法。如今普遍使用的井點(diǎn)降水的類型有：輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)、電滲井點(diǎn)、管井井點(diǎn)等。

3.2.1 輕型井點(diǎn)降水

輕型井點(diǎn)降水法是隨著基坑的周邊或單側(cè)把半徑較細(xì)的井管置入比基坑的含水層略深的位置，然后將井管上部和總管對(duì)接。 依靠總管聯(lián)通排水設(shè)施將地下水從井管內(nèi)連續(xù)地真空抽出，從而將初始的地下水位控制在基底以下。

輕型井點(diǎn)降水的作用原理是在抽水力與重力共同影響下，使得在真空區(qū)域范圍以外的地下水和井點(diǎn)地下水之間構(gòu)成水頭差，引起地下水位的降低。

輕型井點(diǎn)降水適用于降水的深度、面積均不大，弱透水性或中等透水性含水層的基坑降水。

輕型井點(diǎn)降水具備的優(yōu)點(diǎn)有：

（1）材料設(shè)備簡(jiǎn)單，方便操作，易于維護(hù)、管理；

（2）能夠降低基坑邊坡坡率，減少基坑開(kāi)挖產(chǎn)生的土方量；

（3）已完成的基坑施工環(huán)境良好，各項(xiàng)工序施工便捷，大幅提升了基坑施工的效率；

（4）已完成的基坑坑內(nèi)整潔、干燥，從而使得基坑底部的承載力有所增強(qiáng)；

（5）特別是應(yīng)用于軟土路基，且地下水比較充沛的區(qū)域，施工效果更加明顯。

3.2.2 噴射井點(diǎn)降水

噴射井點(diǎn)降水是在井點(diǎn)管中設(shè)置特殊的發(fā)射裝置，依靠抽水設(shè)備和空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生高壓，或通過(guò)壓縮空氣產(chǎn)生的水汽射流，繼而把井點(diǎn)內(nèi)、外管之中的空隙全部排出。

噴射井點(diǎn)降水方法適用廣泛、使用設(shè)備簡(jiǎn)單，排水深度大，最大可達(dá)20 米，比多層輕型井點(diǎn)降水使用的設(shè)備不多，基坑土方工作量少，工期快，成本低。 它適用基坑開(kāi)挖較深、降水深度大于6 米、土滲透系數(shù)為0.1～20m/d 的填土、粉土、黏性土、砂土中使用。

3.2.3 電滲井點(diǎn)降水

電滲井點(diǎn)排水是采用輕型或噴射井點(diǎn)管， 沿基坑外邊緣設(shè)置，以鋼管（φ45-70mm）或鋼筋（不小于φ20mm）作為陽(yáng)極，以自身作為陰極，垂直埋置于井點(diǎn)之中。陰陽(yáng)兩極用電線串聯(lián)為回路，并對(duì)陽(yáng)極兩極分別作用強(qiáng)交流電電流。采用降低電壓比的方法使擁有負(fù)電離子電荷的土體顆粒朝著陽(yáng)極緩慢地游離（即電泳作用）；則擁有正電離子電荷的孔隙水朝著陰極不斷集聚，引發(fā)電滲現(xiàn)象。 在真空和電滲的共同影響下，強(qiáng)制粘土中的水在井點(diǎn)管周圍快速聚集，并依靠井點(diǎn)管迅速抽出。通過(guò)這樣的方法使井點(diǎn)管不斷地排放地下水，隨著水位緩緩下降，電極之中的土層便形成止水幃幕， 能夠抵抗地下水從四周向坑內(nèi)涌入。

采用電滲井點(diǎn)降水的條件通常為滲透系數(shù)不大于0.1m/d 的飽和粘土、粉質(zhì)粘土。

3.2.4 管井井點(diǎn)降水

管井井點(diǎn)降水是通過(guò)鉆孔，沿基坑邊緣每間隔一段距離便安置一個(gè)管井，各個(gè)管井均獨(dú)自使用一臺(tái)抽水設(shè)備持續(xù)抽取地下水以達(dá)到水位下降的方法。

這種降水方法的優(yōu)點(diǎn)在于設(shè)備簡(jiǎn)單、排水量較大，能夠起到多組輕型井點(diǎn)的共同作用。 此外，將水泵設(shè)置于地表，便于維護(hù)、修理。

管井井點(diǎn)降水工藝常用于滲透系數(shù)不小于（20～200m/d）、降水深度和降水面積較大的中等透水性或強(qiáng)透水性含水層，以及地下水含量?jī)?chǔ)存充沛，或明溝排水法易導(dǎo)致土體顆粒流失量較大，易發(fā)生邊坡坍塌基坑工程。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）介紹了基坑開(kāi)挖過(guò)程中的開(kāi)挖方法與支護(hù)體系的多種形式。

（2）介紹了基坑工程中存在地下水較高的情況下容易出現(xiàn)的管涌、流砂和坑底突涌等不良地質(zhì)狀況。采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，即基坑降水，能夠有效控制這些安全隱患。

（3）闡述了當(dāng)前較為常見(jiàn)的若干種基坑降水的方法以及各方法的適用條件。

［1］宋建學(xué)，周乃軍，鄧攀.基坑降水引起的環(huán)境變形研究[J].建筑科學(xué)，2006:26-30.

［2］羅曉輝，葉火炎.考慮基質(zhì)吸力作用的土坡穩(wěn)定性分析[J].巖土力學(xué),2007,09:1919-1922.

［3］趙民，于開(kāi)寧，萬(wàn)力，等.基坑降水環(huán)境影響評(píng)價(jià)體系研究[J].施工技術(shù),2011,06:142-146.

［4］陳忠漢.深基坑工程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

［5］徐幫樹(shù)，張芹，李連祥，等.基坑工程降水方法及其優(yōu)化分析[J].地下空間與工程學(xué)報(bào),2013,05:1161-1165.

［6］謝康和，應(yīng)宏偉，楊偉，等.基坑降水對(duì)周圍地表沉降的影響分析[C]//第七屆全國(guó)地基處理學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集.北京,2002：373-377.

［7］鄧鵬,馮曉臘,唐彥，等.深基坑降水設(shè)計(jì)及降水對(duì)周邊環(huán)境影響的分析[J].安全與環(huán)境工程,2012,03:116-120.

［8］沈珠江,胡再?gòu)?qiáng),謝定義.結(jié)構(gòu)性黃土的本構(gòu)模型[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2005,04:565-569.

［9］GB50007-2002 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.

［10］張茂花.濕陷性黃土增（減）濕變形形狀實(shí)驗(yàn)研究[D].西安:長(zhǎng)安大學(xué),2002.