深基坑粉質(zhì)黏土隔水層降水施工

賀利鋒

（西安市地下鐵道有限責任公司陜西 西安 710016）

深基坑粉質(zhì)黏土隔水層降水施工

賀利鋒

（西安市地下鐵道有限責任公司陜西 西安 710016）

以西安地鐵四號線出入場線盾構(gòu)始發(fā)井端深基坑為例，簡要介紹了基坑支護、降水設(shè)計及基坑開挖過程中降水運行過程?；拥撞看嬖诜圪|(zhì)黏土隔水層，降水運行過程中僅用坑外管井降水無法將隔水層上層滯水排出，采用增加坑內(nèi)疏干井、基底排水溝及坑壁插板，土工布、沙袋阻擋流砂等疏堵結(jié)合處治措施，解決了基坑降水難題。通過本案例，對基底含有隔水層特殊地質(zhì)情況的降水工程設(shè)計及施工積累了寶貴經(jīng)驗。

降水工程；粉質(zhì)黏土隔水層；層間滯水；止水

1 引言

隨著城市、地鐵建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展，如何快速、有效控制地下水成為深基坑工程中首要環(huán)節(jié)。針對復雜的地質(zhì)水文條件和城市環(huán)境，采取合理有效的降水方案及止水方法，才能保證基坑工程安全開挖、主體結(jié)構(gòu)干燥施工、圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定及周邊環(huán)境安全。本基坑工程因基底下存在粉質(zhì)黏土相對隔水層，采用常規(guī)的坑外深井降水施工無法將隔水層上層滯水疏干，本文結(jié)合工程實例，施工過程中不斷試驗優(yōu)化和探討總結(jié)此特殊地質(zhì)情況下的降水設(shè)計及止水方法，以供類似工程參考。

2 工程概況

2.1 工程簡介及特點

西安地鐵四號線出入場線盾構(gòu)始發(fā)井端明挖區(qū)間位于西安市明光路道路西側(cè)，基坑長約467.6m，寬21.2m，最大深度14.5m（圖1）?；又ёo結(jié)構(gòu)采用A1000@1300（盾構(gòu)始發(fā)井）/A800@1100（結(jié)構(gòu)標準段）鉆孔灌注樁，加三道鋼管內(nèi)支撐。主體為矩形框架結(jié)構(gòu)，采用明挖法施工。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置圖

工程特點為基坑工程規(guī)模大，環(huán)境條件要求高。開挖面積9900m2，挖土方量約10萬m3；基坑位于明光路道路西側(cè)，雙向四車道，擬建場地內(nèi)地下管線復雜，主要有沿尚稷路東西方向的DN3000雨水管、DN1000污水管、DN400熱力管、DN400給水管等，沿明光路南北方向的DN200燃氣管、DN300污水管等；本基坑樁+內(nèi)支撐支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，監(jiān)測等級為一級，基坑周圍地表沉降最大限值為22mm，樁頂水平、豎向位移為29mm、22mm，對基坑圍護結(jié)構(gòu)安全度和變形要求極高。

2.2 工程地質(zhì)概況

場地地貌單元屬渭河高漫灘。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查及鉆探揭露，擬建場地地層自上而下地層巖性為：

1-1人工雜填土層：地表起伏變化較大，厚度不均，成分以工程棄土、建筑垃圾等，結(jié)構(gòu)松散，厚度約1.1m。

2-4-1粉細砂層：位于水位以上，稍濕，稍密，砂質(zhì)均勻，厚度約2.1m。

2-5-1中砂層：位于水位以上，稍濕，中密，分布穩(wěn)定、連續(xù)，厚度約2.85m。

2-5-2中砂層：位于水位以下，飽和，土質(zhì)較均勻，分不穩(wěn)定、連續(xù)，厚度約7.4m。

2-2-2粉質(zhì)黏土層：位于水位以下，飽和，可塑，土質(zhì)較均勻，分布不連續(xù)，厚度約2.2m。

2.3 水文地質(zhì)概況

地面高程為370.5～371.6m，地下水位高程362.54～364.14m，埋深約為現(xiàn)狀場平地面下8m左右。渭河漫灘區(qū)地下水位年內(nèi)變幅為0.62～2.3m，平均變幅為1.35m。地下水主要賦存于砂類土中，屬孔隙性潛水，含水層厚度＞50m，無明顯承壓性，地下水補給主要來自大氣降水、側(cè)向徑流及農(nóng)田灌溉等，以及渭河季節(jié)性補給。

3 降水方案設(shè)計

3.1 方案設(shè)計

針對基坑開挖范圍內(nèi)土層上部為1-1雜填土層、2-4粉細砂層，下部為2-5-2中砂層，場地內(nèi)地下水屬孔隙性潛水，結(jié)合地鐵施工及周邊地區(qū)的降水經(jīng)驗，該出入場線停車場端降水計算時采用的綜合滲透系數(shù)取25m/d，降水設(shè)計采用坑外管井降水+觀測井（見圖2）的綜合措施進行，設(shè)計采用完整井抽取砂層中潛水，使地下水位降至基底下1m。

圖2 坑外管井降水示意圖

3.2 降水計算

本基坑需要降水范圍長274mm，寬18m，為不規(guī)則條狀基坑，降水基本參數(shù)如表1。

表1 出入場線明挖段降水范圍基坑基本參數(shù)

根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）潛水完整井，基坑遠離邊界時，涌水量按公式E.0.1計算需要降水井的數(shù)量=27。

3.3 管井位置布置

根據(jù)本區(qū)間的地質(zhì)情況，周邊水文地質(zhì)情況及地下水位埋深，結(jié)合水位降深要求，布置井徑A800mm降水井27口，降水井深度25～30m，平均井間距約15～30m；設(shè)置觀測井6口，結(jié)構(gòu)同降水井，深度25～30m；水井中心距結(jié)構(gòu)外邊緣不小于3.0m。具體布井詳見布井詳圖3。

圖3 出入場線停車場端明挖段降水井井位平面布置圖

4 降水方案運行與降水效果

4.1 降水施工方法及防涌砂措施

4.1.1 降水施工方法

依據(jù)本工程特點及西安地區(qū)富水砂層降水工程施工經(jīng)驗，采用清水反循環(huán)鉆進成井，大口徑井管降水施工方案，降水效果好且工程成本低，為比較經(jīng)濟可行的方案。

清水反循環(huán)鉆孔成井結(jié)束后，下入井徑A800mm井管、填料，用排污泵及時洗井，洗井結(jié)束后含砂量不得大于1/萬，采用功率為3.5kW QJ30-35潛水泵抽取地下水，并將抽出的地下水排放至基坑上附近市政雨、污水管網(wǎng)中排出。

4.1.2 防涌砂措施

本基坑開挖范圍內(nèi)為粉細砂及中砂，若發(fā)生涌砂，產(chǎn)生的次生災害將極為嚴重，可能會引起大規(guī)模地面沉降、塌陷等。為保證基坑穩(wěn)定及周邊環(huán)境環(huán)境安全，研究采取了以下防涌砂措施：

（1）采取合適的成井工藝。采取無泥漿清水反循環(huán)鉆進成井工藝、濾料厚度10cm、濾料采用磨圓度好的粒徑3～5mm天然圓礫；

（2）加強包封處理。濾水管外采用2層60目的紗網(wǎng)進行包封，鐵絲綁扎固定防止脫落，管間接頭0.2m范圍采用土工布包扎；

（3）加強封井措施。成井后井底填入1m厚磨圓度好的3～5mm礫石封底（如圖4）。

4.2 基坑開挖及降水運行

為減少降水對周圍環(huán)境的影響，保證地下管線及鄰近建構(gòu)筑物的位移、變形可控，根據(jù)基坑分段、分層開挖工況，實施按需降水。

基坑開挖提前15d進行降水，并對圍護結(jié)構(gòu)位移、周邊環(huán)境沉降、變形及抽水含砂率進行監(jiān)測。1～3層土方開挖，均能保證干燥作業(yè)；當開挖至第4層基底土時，地下水位降至距基底標高上1.5m無法繼續(xù)下降，樁間開始出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，基坑內(nèi)滯水無法排出。

初步認定原因為降水井單井出水量不夠，采取了集水坑明排及更換大功率泵措施。

在基坑東西兩側(cè)開挖兩個2×2×1m（深）集水坑，用功率兩臺3.5kW水泵抽排。由于基底砂層松散，集水坑附近砂礫隨水流被大量帶入坑內(nèi)，多次造成堵泵，抽水中斷。

增大單井出水量，啟用4口觀測井進行降水，并將盾構(gòu)始發(fā)井段全部更換為7.5kW大功率泵。當測量降水井內(nèi)動水位降至基底下4～5m時，基坑內(nèi)水位下降僅約0.2m，持續(xù)4d降水，坑內(nèi)水位仍無明顯下降跡象。

圖4 降水井構(gòu)造圖

5 原因分析

按原設(shè)計降水方案，基坑內(nèi)基底上仍有1.5m深潛水無法排出，即“軟槽底”現(xiàn)象，不能滿足基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工要求。盾構(gòu)始發(fā)節(jié)點工期迫在眉睫，為有效解決水患，邀請專家召開降水專題會議，從地質(zhì)原因、降水設(shè)計和非完整性降落漏斗進行了分析。

5.1 地質(zhì)原因分析

仔細核對地質(zhì)詳勘報告，盾構(gòu)始發(fā)井開挖范圍內(nèi)土層上部為2-4粉細砂和2-5中砂，開挖基底下1～2m存在厚度約2～2.5m粉質(zhì)黏土相對隔水層，其成因為原始渭河河漫灘沖積層。其各項特性參數(shù)如表2所示。

表2 土層特性一覽表

從表2中看出基底粉質(zhì)黏土層滲透系數(shù)為0.5m/d，此相對隔水層阻礙了基坑內(nèi)潛水垂直滲流，坑外上層滯水通過樁間間隙水平滲流補給到基坑內(nèi)，形成“軟槽底”現(xiàn)象。基底下存粉質(zhì)黏土相對隔水層這一特殊地質(zhì)情況，是造成坑內(nèi)水位無法下降的主要原因。

5.2 降水設(shè)計分析

降水模型的選擇應為潛水非完整井降水。原降水設(shè)計根據(jù)區(qū)間開挖深度范圍內(nèi)為富水砂層，涌水量計算采用模型為潛水完整井。設(shè)計降水井需穿過基底2～2.5m厚相對隔水層，其滲透系數(shù)為0.5m/d，遠小于富水砂層，其降水影響半徑也遠小于富水層。粉質(zhì)黏土相對隔水層幾乎無水平及垂直滲流，在濾管附近為三維空間流，考慮含水層各向異性，采用潛水非完整井公式，非穩(wěn)定流理論進行計算，并進行抽水試驗獲取水文地質(zhì)參數(shù)。

5.3 非完整性降落漏斗分析

在均勻粉細砂、中砂富水砂層中，水流連續(xù)想通，呈二維流態(tài)，為無界基坑平面滲流，基坑內(nèi)1～3土方開挖降水過程中，不受基底下隔水層影響，降水井為完整井，形成完整降落漏斗，坑內(nèi)上層潛水通過樁間間隙繞流進入坑外降水井內(nèi)，因此取得較好降水效果。

基底第4層土方降水，由于基底下2～3m處粉質(zhì)黏土相對隔水層對垂直滲流的阻滯作用，濾管附近為三維空間流，造成原降水設(shè)計約1/3井損，同時改變地下水降落漏斗的曲線形式，形成非完整降落漏斗，因而降水運行過程中會出現(xiàn)井內(nèi)動水位與基坑地面靜水位相差較大的現(xiàn)象（見圖5）。

6 應對措施及實施效果

6.1 疏、止、排結(jié)合措施

坑外降水井內(nèi)動水位均已降至隔水層以下，基坑開挖范圍內(nèi)基底上存在1.2m深上層滯水層，為確保對上層滯水層中砂層的疏干效果，采取了增加坑內(nèi)疏干井、坑壁插板噴混凝土止水坑底盲溝排水等疏、止、排措施（圖6）。

圖5 相對隔水層影響下非完整井抽水

圖6 疏干井及基底排水溝平面圖

（1）坑內(nèi)疏干井疏干坑內(nèi)上層滯水。在基坑內(nèi)增加2口直徑800mm，深12m疏干井，其構(gòu)造同降水井?；觾?nèi)采用沖擊鉆鍋錐打井過程中井深打至3～6m時，成井進尺異常緩慢，并且樁泥中含有大塊黃褐色黏土快，與地質(zhì)勘查報告所揭示地層一致。

（2）坑壁插板噴混凝土止水?；椎貙訛榉奂毶凹爸猩?，樁間滲流層涌水量大，防止樁間涌砂是保證基坑安全的重、難點。基坑開挖中部拉槽，坑壁兩側(cè)堆土反壓；樁間空隙用沙袋堵實，背后埋設(shè)包網(wǎng)引水管，并垂直基底打入C20鋼筋固定；坑壁兩側(cè)土體分約30～40cm兩層插入18mm厚膠合板，邊開挖邊掛網(wǎng)噴錨，鋼筋網(wǎng)片背后綁扎土工布，網(wǎng)片同樁體掛網(wǎng)鋼筋焊接，膠合板壁后埋設(shè)直徑A50mm包網(wǎng)引水管。

（3）基底設(shè)置排水溝。在基底坑壁四周，及基坑中央設(shè)置100mm×100mm縱橫排水溝，將坑壁引水管引出水流，及坑底滲水集中匯入坑內(nèi)疏干井中排出。

圖7 坑壁止水剖面圖

6.2 實施效果

基坑內(nèi)增設(shè)疏干井，有效的疏干了基坑內(nèi)粉質(zhì)黏土相對隔水層上砂層中滯水，為基底無水開挖創(chuàng)造了條件（見圖8）。

基坑側(cè)壁約1m高滲流層通過樁間插板、填碼砂袋、土工布掛網(wǎng)噴射混凝土封閉坑壁，及壁后埋設(shè)引水管等排水、止水結(jié)合措施，解決了樁間滲水量大的難題，并有效防止了涌砂。

坑壁四周及基坑底設(shè)置排水盲溝，用以將樁間引水管排出水流、噴射混凝土接縫、基底未封閉處等局部滲水，引入疏干井內(nèi)集中排出。盲溝布置為縱橫向貫通、環(huán)形排水，有效防止了其中一條溝道堵塞后，水流仍可從另一方向排出。

基底頂澆筑150mmC15混凝土墊層，后續(xù)防水卷材鋪設(shè)、主體結(jié)構(gòu)鋼筋綁扎完全實現(xiàn)了干燥作業(yè)。6.3降水對環(huán)境的影響

圖8 疏干井及坑壁止水剖面圖

圍護結(jié)構(gòu)變形、地表沉降、周邊建筑物及管線沉降位移、地下水位和抽水含砂量是本工程監(jiān)測重點。在基坑降水前完成各監(jiān)測點布置，并采取初始值?；咏邓\行過程中，各項監(jiān)測頻率均為1次/d，樁頂水平、豎向位移累計最大值分別為14mm、8mm，基坑周邊26m范圍內(nèi)地表沉降累計最大值為15mm，抽水含沙量未超過1/20000，管線窖井沉降累計最大值為DN400給水管8mm，所有管線均未發(fā)生不均勻沉降。

7 結(jié)語

本基坑降水工程因基底下存在粉質(zhì)黏土相對隔水層，采用坑外深井降水無法將坑內(nèi)隔水層上層滯水排出，樁間坑壁滲流層涌水量大，在施工過程中不斷試驗及探討，采取增設(shè)坑內(nèi)疏干井，坑壁插板噴錨止水及坑底排水盲溝，“疏、止、排”綜合處理方案，及時解決了降水難題。通過此深基坑降水、開挖過程中實踐，有效的疏干了坑內(nèi)滯水，防止了坑壁滲流層涌水、涌砂，并保證了基坑圍護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全，將降水對周邊環(huán)境影響降低到最小，證明此基坑降水施工及運行是成功的，為類似類似降水工程設(shè)計及施工積累了寶貴經(jīng)驗。

[1]龔曉南，郭紅仙.基坑工程實例2.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]吳林高.工程降水設(shè)計施工與基坑滲流理論.北京：人民交通出版社，2003，6.

[3]姚天強，石振華.《基坑降水手冊》.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[4]吳林高.基坑工程降水案例.北京：人民交通出版社，2009，2.

TU753.8

A

1004-7344（2016）16-0115-03

2016-5-25

賀利鋒（1972-），女，工程師，本科，主要從事地鐵工程建設(shè)及施工管理工作。