超深基坑中承壓水減壓降水應(yīng)用

趙敬法，杜耀進，沈竹駿，李 凱

ZHAO Jingfa，DU Yaojin，SHEN Zhujun，LI Kai

(浙江省建工集團有限責(zé)任公司，浙江 杭州310012)

1 工程概況

某銀行工程位于杭州市錢江新城核心區(qū)。該工程總建筑面積約9 萬m2，高度近100 m，地上22 層，地下室5 層，基礎(chǔ)底板底大面標(biāo)高為-24.400 m，局部電梯井坑中坑底標(biāo)高為-30.000 m。地下結(jié)構(gòu)采用基坑圍護與地下室外墻相結(jié)合“二墻合一”式地下連續(xù)墻(設(shè)計厚度1 m，深度62～65 m，設(shè)計將承壓含水層隔斷)，并結(jié)合五道鋼筋混凝土水平內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)體系。 ±0.000 m 相當(dāng)于85 高程絕對標(biāo)高7.30 m。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件情況

2.1 工程地質(zhì)

根據(jù)鉆探揭露及原位測試和室內(nèi)試驗結(jié)果，依據(jù)工程特性及成因條件，將場區(qū)地基土劃分為9 個工程地質(zhì)層，22 個亞(夾)層，各層的厚度、分布規(guī)律，以及減壓井和圍護剖面詳圖見圖1。

2.2 水文地質(zhì)

擬建場地潛水主要賦存于上部①填土層及②粉土、砂土層中。本次詳勘期間測得潛水水位埋深在2.60～3.90 m，相當(dāng)于85 國家高程2.38～4.25 m。年水位變幅約1～3 m。擬建場地承壓水主要分布于深部的⑩-1 粉砂和○12層砂礫層(本工程○12層砂礫層的綜合滲透系數(shù)取用1.0×10-1cm/s)中。本次詳勘期間在承壓水抽水試驗孔中測得承壓水頭埋深8.4～8.8 m，相當(dāng)于85 國家高程-1.56～-1.96 m。區(qū)域承壓水年變幅3 m 左右。

3 降水目的及思路

3.1 降水目的

根據(jù)本工程的基坑開挖及基礎(chǔ)底板結(jié)構(gòu)施工的要求，降水設(shè)計的目的為:及時降低下部承壓含水層的承壓水水頭高度，防止基坑底部突涌的發(fā)生，確?；釉谒麻_挖之前的干開挖施工時坑底的穩(wěn)定性。

3.2 承壓降水思路及要求

(1)針對中等液化及輕微液化地層，及時消除液化，保證基坑開挖順利進行;

(2)嚴(yán)格控制承壓水降壓，減少不均勻沉降，防止圍護墻水平位移過大，造成變形;

(3)針對承壓含水層的特點，根據(jù)合理的降水井布置原則，使降壓結(jié)果達到預(yù)定效果;在本基坑內(nèi)設(shè)計減壓深井，合計10 口(水平間距控制在20～30 m 之間)。

圖1 減壓井剖面詳圖

要求:由于本項目面積大，地質(zhì)起伏大，且承壓水隨季節(jié)變化大，施工前應(yīng)進一步作調(diào)查研究試驗，編制專項降水方案，以確?；蛹爸車h(huán)境安全。施工過程中可根據(jù)工程進度、監(jiān)測數(shù)據(jù)及基坑降水實際情況，調(diào)整井點。地下墻施工完成后，土方開挖前須進行承壓水抽水試驗，以檢驗地下墻封閉承壓含水層的效果，及時調(diào)整降水方案。

4 基坑承壓水抗突涌簡要分析

基坑開挖后，基坑底部距離承壓含水層頂板距離減小，相應(yīng)的承壓含水層上部土壓力也隨之減小;當(dāng)基坑開挖到一定深度后，承壓含水層上部土壓力可能小于其含水層中承壓水頂托力，導(dǎo)致基坑底部失穩(wěn)，發(fā)生突涌現(xiàn)象，嚴(yán)重危害基坑安全。因此，需要對基坑在開挖過程中的開挖面穩(wěn)定性進行驗算?；拥卓雇挥框炈闶疽鈭D見圖2。

圖2 工程基坑底抗突涌驗算示意圖

基坑底板穩(wěn)定性驗算:基坑底板的穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。即

式(1)中:h 為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m;

γs為基坑底至承壓含水層頂板間的土的重度，本次計算取平均值得19 kN/m3;

H 為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離;

γw為水的重度，取10 kN/m3;

Fs為安全系數(shù)，一般為1.0～1.2，本工程取1.10。

根據(jù)上述公式計算，結(jié)果為需降水位≥11.0 m。

5 基坑承壓水降水計算簡要分析

根據(jù)周邊一些地鐵站線路等相關(guān)類似工程建設(shè)中發(fā)現(xiàn)的一些該地區(qū)圓礫層地下水井流的滲流規(guī)律，對基坑滲流理論是一個很好的完善。類似工程的施工經(jīng)驗和承壓水減壓技術(shù)及風(fēng)險控制技術(shù)的施工經(jīng)驗均對本工程具有重要參考比較價值。

5.1 減壓降水計算

本工程設(shè)計地下連續(xù)墻將含水層全部隔斷。由于圓礫層承壓水水量極為豐富，基坑開挖深度深，根據(jù)地下水滲流的特點:向壓力小的薄弱區(qū)涌動釋放，給基坑施工帶來很大風(fēng)險。本基坑承壓水減壓方案設(shè)計的重點也是方案設(shè)計的難點在于井位布置，安全控制承壓水位，地下工程承壓水危害綜合治理技術(shù)和風(fēng)險控制系統(tǒng)尤為重要。

5.1.1 地層及水文降深要求 承壓含水層為砂層和圓礫層組成的承壓含水層組，滲透性好，水量豐富。含水層頂板埋深約35 m，厚度為25 m 左右。

5.1.2 基坑涌水量的計算 根據(jù)浙江省標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程(DB33/T 1008—2000)》［1］，按照均質(zhì)含水層承壓水非完整井進行驗算，基坑涌水量公式為:

式(2)中:Q 為基坑涌水量，m3/d;

K 為滲透系數(shù);

M 為含水層厚度;

l 為濾水管長度;

r0為基坑等效半徑，矩形基坑為0.29(a +b)，其中a、b 為基坑的長和寬，其中A 為基坑面積——適合標(biāo)準(zhǔn)段二及北端頭井部位;

基坑涌水量計算簡圖見圖3。

圖3 基坑涌水量計算簡圖

含水層厚度取25 m，綜合滲透系數(shù)(各項異性的綜合)100 m/d，減壓井濾水管長度10 m，基坑長99 m，寬67 m，設(shè)計降深11 m。

5.1.3 計算結(jié)果 由以上公式估算得到基坑涌水 量，見表1。

表1 基坑涌水量

5.1.4 降水井?dāng)?shù)量估算 該種地層透水性好，圍護隔斷承壓含水層，單井涌水量減少，初步按照600 m3/d(已按1.1 系數(shù)考慮)估算整個基坑約需要布置承壓水減壓井的數(shù)量。見表2。

表2 隨壓水減壓井?dāng)?shù)量

以上計算為理論計算結(jié)果，計算過程采用了較多的假設(shè)與經(jīng)驗，現(xiàn)場施工時，必須進行抽水試驗，檢驗降水方案的科學(xué)合理性，必要時調(diào)整降水井的數(shù)量和結(jié)構(gòu)。

5.2 本工程承壓井位布置

坑內(nèi)共布置減壓井10 口。井位應(yīng)盡量布置在圍護結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)角，接縫較難處理的地方及其根據(jù)圍護結(jié)構(gòu)施工的具體情況，有意識地將井位靠近接縫質(zhì)量受到施工影響的地方。此初步方案設(shè)置降水井的深度約為45 m，統(tǒng)一深度。井管采用直徑為273 mm 的鋼制井管(管壁3 mm 厚，如遇到地下水腐蝕較強情況可適當(dāng)增加管壁厚度)，井管采用強度高的鋼制井管，坑內(nèi)降水井在第一道支撐和圈梁上打設(shè)安全平臺，基坑開挖的過程中，注意井管保護，防止再遭到破壞。降壓井平面布置圖見圖4。承壓井剖面布置圖見圖5。

圖4 降壓井(Y1～Y10)平面布置圖

圖5 承壓井剖面布置圖

說明:減壓井布置根據(jù)現(xiàn)場支撐結(jié)構(gòu)及工程樁等現(xiàn)場實際進行布置，間距不大于30 m。Y2～Y4平臺在第四道支撐上搭設(shè)。

6 承壓井施工要求要點［2］

本工程成孔的施工機械設(shè)備選用8QZJ-400 及GPS-10 型工程鉆機及其配套設(shè)備。成孔時采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進泥漿護壁的成孔工藝。

6.1 深井材料要求

(1)井壁管 鋼制井管井壁管均采用焊接鋼管。降壓井(含觀測備用井)采用外徑為φ273 mm鋼制管。

(2)過濾器(濾水管) 降水井分段設(shè)計，所有濾水管外均包一層30～40 目的尼龍網(wǎng)，濾水管的直徑與井壁管的直徑相同。

(3)沉淀管 沉淀管主要起到過濾器不致因井內(nèi)沉砂堵塞而影響進水的作用，沉淀管接在濾水管底部，直徑與濾水管相同，其中疏干井沉淀管長度為1 m，降壓井沉淀管長度為2 m，沉淀管底口用鐵板封死。

6.2 技術(shù)要求

(1)井口 井口應(yīng)高于地面以上0.30 m 左右，以防止地表污水滲入井內(nèi)，一般采用優(yōu)質(zhì)黏土，其深度不小于2.00 m。

(2)填濾料(中粗砂) 降壓井的濾水管部位圍填磨圓度較好的濾砂(中粗砂)，填入部位從井底向上至過濾器頂部以上3.00～7.00 m。

(3)填黏性土封孔 在黏土或濾砂的圍填面以上采用優(yōu)質(zhì)黏土填至地表并夯實，并做好井口管外的封閉工作。

6.3 降水井質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)

(1)井身偏差 井身應(yīng)圓正，井的頂角及方位角不能突變，井身頂角傾斜度不能超過1°。

(2)井管安裝誤差 井管應(yīng)安裝在井的中心，上口保持水平。井管與井深的尺寸偏差不得超過全長的正負(fù)千分之二。

(3)井水含砂量抽水穩(wěn)定后，井水含砂量不得超過二萬分之一(體積比)。

(4)井中水位降深 抽水穩(wěn)定后，井中的水位處于安全水位以下。

7 抽水試驗簡介

7.1 抽水試驗?zāi)康?/h3>

本次降水工程涉及的承壓含水層主要為圓礫石層，該層含水量豐富，同時基坑開挖深度較深，要求降低承壓水水頭幅度較大，因此本工程降水工程難度高、風(fēng)險大。為了確?；庸こ贪踩Ⅱ炞C降水方案可行性及后期降水方案優(yōu)化，在正式降水方案之前需要進行基坑外實地抽水試驗。(1)確定承壓含水層的地下水位，單井降水水量及水位降深情況;(2)確定圓礫層降水井的結(jié)構(gòu)設(shè)計;(3)實測停止抽水后水位恢復(fù)速度，確定后期降水方案及現(xiàn)場風(fēng)險控制。

7.2 抽水試驗內(nèi)容

(1)了解場地內(nèi)承壓水水位變化。

(2)直接測定管井實際涌水量，繪制涌水量與水位降深的關(guān)系曲線。

(3)測定各觀測井水位數(shù)據(jù)，計算相關(guān)的水力參數(shù)。

(4)模擬計算基坑降水設(shè)計。

7.3 試驗設(shè)備

試驗設(shè)備主要包括:

(1)抽水設(shè)備深井水泵2 臺;

(2)測繩2 根;

(3)流量表及三角堰。

8 降水運行管理

(1)在基坑正式開挖時，基坑內(nèi)的疏井應(yīng)在基坑開挖前兩至三周進行預(yù)抽水，做到能及時降低連續(xù)墻內(nèi)基坑中開挖范圍內(nèi)土體中的地下水位;

(2)做好基坑內(nèi)的明排水準(zhǔn)備工作，以保證基坑開挖時遇降雨能及時將基坑內(nèi)的積水抽干;

(3)抽水需要每天24 h 派人現(xiàn)場值班，并做好抽水流量記錄;另外需24 h 值班監(jiān)測自動水位采集系統(tǒng)，以免出現(xiàn)錯誤;

(4)降壓井要配備獨立的電源線，整個降水過程中應(yīng)備有雙電源(降水運行前降水工人應(yīng)熟悉現(xiàn)場用電布置，以確保降水連續(xù)進行，避免因供電無法保證造成井底突水);

(5)降壓工作應(yīng)在地下構(gòu)筑物施工至上覆土壓力和下伏承壓含水層的頂托力平衡后才能停止降水;

(6)降水結(jié)束提泵后應(yīng)及時將井注漿封閉，補好蓋板。

坑內(nèi)降水井井管保護技術(shù)措施如下:

(1)井位盡可能靠近支撐邊，沿支撐的垂直向離支撐約800～1000 mm;

(2)井管口設(shè)置醒目標(biāo)志，做好標(biāo)識工作;

(3)隨著基坑開挖深度的不斷加深，井管的暴露長度不斷加大，井管沿縱向與每道支撐要及時焊接鋼筋加固。

9 承壓水降水運行風(fēng)險控制

承壓水是本基坑工程重要的風(fēng)險源，尤其承壓井的持續(xù)運營，是本基坑成敗的關(guān)鍵，必須加以足夠的重視。

為能確?；娱_挖過程中減壓井水井的連續(xù)運行，須根據(jù)抽水狀況配備備用電源，并確保備用電源與備用物資(水泵、電纜、排水管及相關(guān)材料)能及時投入使用。同時根據(jù)水土壓力的平衡關(guān)系，在基坑開挖至需承壓水降水的臨界開挖深度之前，應(yīng)結(jié)合基坑的開挖工況和支撐體系制定減壓降水運行工況表，隨著開挖深度的加深逐漸降低承壓水水頭。

根據(jù)本工程降水的難度與風(fēng)險，本工程采用了“降壓井運營風(fēng)險控制系統(tǒng)”，該系統(tǒng)針對降承壓水風(fēng)險采取了一系列針對性控制措施。該系統(tǒng)的主要功能和組成有(1)雙電源智能化切換系統(tǒng);(2)現(xiàn)場報警系統(tǒng)(①水位異常報警系統(tǒng);②斷電報警系統(tǒng));(3)備用井自動開啟系統(tǒng)。作業(yè)時需要搭設(shè)降壓井運行平臺，并派專人(本項目要求至少2 人)進行管理。本工程承壓井運行一年多時間均未發(fā)生異常情況，確保了基坑開挖的順利進行。

1 0 結(jié) 語

該銀行工程在基坑作業(yè)中，通過場地內(nèi)布置的10 口承壓井進行深井降水作業(yè)，保證了基坑作業(yè)安全進行。通過檢測單位的數(shù)據(jù)顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)均在安全標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)，保障了施工的順利進行，為完成建設(shè)任務(wù)打下了堅實的基礎(chǔ)，也為今后類似工程降水減壓積累了寶貴的經(jīng)驗。本工程地下室5 層已于2014年5月順利完成，主體結(jié)構(gòu)已于2014年12月結(jié)頂，目前正處于裝修施工階段。

［1]浙江省建筑設(shè)計研究院，浙江大學(xué)土木系. DB33/T 1008—2000 建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程［S］. 杭州:浙江省標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計站，2000.

［2]龔曉南，高有潮.深基坑工程設(shè)計施工手冊［M］. 北京:中國建筑工業(yè)出版社，1998.