蘭州強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層深基坑降水

龍　照，張恩祥，沈秋武，張森安，何臘平

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

蘭州強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層深基坑降水

龍照*1，2，張恩祥1，2，沈秋武1，2，張森安1，2，何臘平1，2

（1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州730000；2.中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

基于蘭州市城關(guān)區(qū)黃河南岸Ⅱ級(jí)階地強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層中深基坑常用支護(hù)型式和降水方法，總結(jié)降水失敗經(jīng)驗(yàn)、分析破壞模式，在蘭州紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑降水實(shí)踐中，采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題，并在蘭州市類似地層基坑工程中得到了推廣應(yīng)用，可供其它地區(qū)類似地層基坑工程降水設(shè)計(jì)參考。

深基坑；降水；風(fēng)化砂巖；管井；輕型井點(diǎn)

1　概述

蘭州市城關(guān)區(qū)黃河南岸Ⅱ級(jí)階地地層主要由上部填土、粉土或粉質(zhì)粘土、卵石和下部第三系風(fēng)化砂巖（巨厚層）組成。一般卵石層頂面埋深約4～7m，砂巖層頂面埋深約6～11m；地下水位埋深約4～6m，屬孔隙潛水，卵石層為主要含水層，滲透系數(shù)一般介于30～60m/d，下部風(fēng)化砂巖層為弱透水層，滲透系數(shù)一般介于1～3m/d。蘭州市的第三系風(fēng)化砂巖屬“半成巖”，顆粒級(jí)配一般為砂粒（2～0.05mm）占70%～90%、粉粒（0.05～0.005mm）占5%～20%、粘粒（＜0.005mm）占5%～10%，以粉砂巖或細(xì)砂巖為主，亦有中砂巖；保持原狀結(jié)構(gòu)時(shí)，很密實(shí)，強(qiáng)度較高；基坑開挖后若遇水浸泡，組織結(jié)構(gòu)遭受破壞，即呈散砂狀［1-2］。

2010年之前，蘭州市內(nèi)新建高層建筑物一般設(shè)1～2層地下室，基坑開挖深度最深不超過12m，基坑開挖深度范圍內(nèi)地層以填土、黃土狀粉土和卵石層為主，即使進(jìn)入下部第三系風(fēng)化砂巖層，亦鮮見超過3m?；咏邓饕捎每油夤芫邓?、坑內(nèi)設(shè)置排水明（盲）溝和集水坑二次降水的方法，其中管井深度一般按濾管進(jìn)入砂巖層0.5m控制，即管井降水針對(duì)的是卵石層地下水，風(fēng)化砂巖層滲水主要依靠坑內(nèi)收集后明排解決。基坑開挖過程中，即便下部風(fēng)化砂巖層遭到地下水浸泡，坑內(nèi)設(shè)置盲溝疏干后的原位載荷試驗(yàn)結(jié)果仍能500～600kPa以上，可滿足一般高層采用天然地基的承載力要求。

2010年之后，隨著市內(nèi)車位數(shù)量需求的大幅增長(zhǎng)和一批超高層建筑的興建，地下室層數(shù)增至3～4層，基坑開挖深度亦隨之增大，如蘭州紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目地基承載力特征值需求1360kPa，基坑最大開挖深度26.3m，進(jìn)入下部第三系風(fēng)化砂巖層深度達(dá)17m。隨之而來的是，原地方習(xí)慣的基坑降水方法已無法解決此類強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層的深基坑地下水問題，并因此造成了因下部風(fēng)化砂巖層滲流、坑壁管涌破壞導(dǎo)致基坑坍塌或因下部風(fēng)化砂巖層滲水無法控制導(dǎo)致地下室減層等諸多事故的發(fā)生。

基于蘭州市城關(guān)區(qū)黃河南岸Ⅱ級(jí)階地強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層深基坑常用支護(hù)型式和降水方法，總結(jié)分析深基坑降水失敗、破壞模式，在蘭州紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑降水實(shí)踐中，筆者采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)［3-5］相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題，并迅速在蘭州市類似地層基坑工程中得到了推廣應(yīng)用。

2　基坑下部風(fēng)化砂巖層滲流破壞模式

因蘭州市的第三系風(fēng)化砂巖膠結(jié)作用差，遇水軟化即成散砂狀，又以粉砂巖或細(xì)砂巖為主，若井管濾網(wǎng)或?yàn)V料規(guī)格等不符合要求，極易出現(xiàn)“抽出紅砂”、下部抽成空洞、地面塌陷等現(xiàn)象；另風(fēng)化砂巖層滲透系數(shù)僅為1～3m/d，與其上部卵石層相比，采用管井降水效果不甚明顯。故一直以來，蘭州市習(xí)慣性的做法是，管井深度一般按照濾管進(jìn)入砂巖層0.5～1m左右控制（最下一節(jié)為實(shí)管，長(zhǎng)2.5m），常用井間距20～30m。

迄今，蘭州市應(yīng)用最多的基坑支護(hù)型式主要為樁錨和（復(fù)合）土釘墻。如圖1所示，基坑開挖進(jìn)入下部風(fēng)化砂巖層后，地下水從坑壁坡腳處滲出；隨著開挖深度的增加，出水位置亦向下移動(dòng)。在滲流作用下［6］，風(fēng)化砂巖中的粉細(xì)砂顆粒逐漸流入坑內(nèi)，從而使邊坡下部掏空，甚者引起邊坡坍塌。隨時(shí)間的延長(zhǎng)，因流砂而引起的空洞會(huì)逐步發(fā)展，直至與卵石層連通；此時(shí)，降水井將失去作用，周邊的地下水近乎全部通過這些貫通的管涌通道匯入基坑內(nèi)，嚴(yán)重時(shí)基坑再無法繼續(xù)下挖。

圖1　破壞模式示意圖

3　工程概況與地質(zhì)條件

3.1工程概況

蘭州紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目位于蘭州市城關(guān)區(qū)南關(guān)什字東南角，北臨慶陽(yáng)路、西接酒泉路、南靠中街子、東鄰蘭州交通銀行（15F）及其配套附屬用房和地下設(shè)備用房（如圖2所示），用地總面積約10000m2；由裙房和超高層塔樓組成，主體高度246.2m，樓宇總高度266m，地下3層。建筑物基礎(chǔ)外邊線距離用地紅線一般僅約3～7m，場(chǎng)地內(nèi)及周邊有大量市政管線分布。

3.2地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地位于黃河南岸Ⅱ級(jí)階地，地勢(shì)基本平坦，基坑深度范圍內(nèi)地層主要為雜填土、粉質(zhì)粘土、卵石和風(fēng)化砂巖，其中：雜填土平均厚度約4.1m，粉質(zhì)粘土平均厚度約1.6m，卵石平均厚度約3.4m，風(fēng)化砂巖層面埋深約5.4～10.6m，屬巨厚層。

場(chǎng)地穩(wěn)定地下水水位埋深3.7～4.6m，屬第四系孔隙潛水，主要含水層為卵石層，滲透系數(shù)50m/d；第三系風(fēng)化砂巖為下部弱透水層，滲透系數(shù)1m/d。地下水主要受上游地下水徑流及大氣降水滲入補(bǔ)給，由西南向東北徑流。

4　基坑支護(hù)方案簡(jiǎn)介

圖2　基坑周邊環(huán)境示意圖

基坑開挖總面積約9115m2，周長(zhǎng)約400m；施工圖設(shè)計(jì)時(shí)因坑中坑深度尚未確定，根據(jù)主體設(shè)計(jì)單位要求，基坑設(shè)計(jì)開挖深度統(tǒng)一按19.3m考慮。采用樁錨支護(hù)型式，樁頂標(biāo)高-2m，樁長(zhǎng)26.3m，樁徑1m，樁間距1.9m，冠梁尺寸0.8m×1.2m；樁身設(shè)置三道預(yù)應(yīng)力錨索；為防止樁間土滲流破壞，相鄰兩支護(hù)樁間設(shè)置一根樁徑1m的素混凝土樁擋土；典型支護(hù)剖面如圖3所示。受限于當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)氐你@探取樣水平，勘察報(bào)告未能提供風(fēng)化砂巖剪切參數(shù)，設(shè)計(jì)時(shí)，該層計(jì)算參數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值：g=22kN/m3、c=50kPa、φ=35°、t=150kPa。

隨著主體設(shè)計(jì)方案的最終確定，當(dāng)基坑開挖至11～13m時(shí)，其開挖深度需進(jìn)行較大幅度的調(diào)整：裙樓基坑開挖深度調(diào)整為17.4～19.65m；主樓坑中坑開挖深度一般為25.3m，局部達(dá)26.3m，較原設(shè)計(jì)深度深7m；東側(cè)陽(yáng)角處支護(hù)結(jié)構(gòu)與坑中坑上口線最近距離約5.44m，南側(cè)支護(hù)結(jié)構(gòu)與坑中坑上口線最近距離僅約3.95m；另，坑內(nèi)分布有許多尺寸、深度不一的基礎(chǔ)坑和集水坑。

此外，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)化砂巖的原位剪切試驗(yàn)和錨索拉拔試驗(yàn)結(jié)果顯示，該場(chǎng)地風(fēng)化砂巖的剪切參數(shù)小于原設(shè)計(jì)采用值：c=30kPa、φ=30°、t=70kPa，應(yīng)對(duì)計(jì)算參數(shù)進(jìn)行調(diào)整后復(fù)核原設(shè)計(jì)。

基于上述重大變化，對(duì)原設(shè)計(jì)支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了如下加固處理：（1）為提高單位長(zhǎng)度錨索的抗拔承載力，將原設(shè)計(jì)位于風(fēng)化砂巖層的普通錨索調(diào)整為高壓旋噴自帶鋼絞線錨索；（2）對(duì)受坑中坑影響、設(shè)計(jì)開挖深度為18.4～18.9m的裙樓段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，于-13.3m處增加一道高壓旋噴錨索，錨固長(zhǎng)度8m、自由段長(zhǎng)度5m；（3）對(duì)受坑中坑影響、設(shè)計(jì)開挖深度為19.9～21.3m的裙樓段基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，于-13.3m和-15.8m處各增加一道高壓旋噴錨索，錨固長(zhǎng)度8m、自由段長(zhǎng)度5m；（4）對(duì)受坑中坑影響最大的東側(cè)陽(yáng)角位置，于-9.5m處增設(shè)一道鋼管內(nèi)支撐，如圖4所示。

圖3　典型支護(hù)剖面示意圖

圖4　鋼支撐平面布置圖

5　基坑降水方案設(shè)計(jì)

5.1降水的重要性與技術(shù)思路

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該項(xiàng)目主樓擬采用天然地基、筏板基礎(chǔ)，地基承載力特征值需求達(dá)1360kPa?？紤]到場(chǎng)地下部第三系風(fēng)化砂巖揭露后遇水即軟化，擾動(dòng)后承載力急劇下降的現(xiàn)狀，若降水失敗，基坑開挖過程中無法確保干作業(yè)條件，最終導(dǎo)致地基載荷試驗(yàn)結(jié)果無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，則將造成巨大的損失和無法估量的后果。故該工程基坑降水的成功與否，直接關(guān)系到整個(gè)工程的成敗。

為保證有效地將基坑內(nèi)地下水疏干，確保地基載荷試驗(yàn)順利進(jìn)行，在降水方案設(shè)計(jì)及實(shí)施中，主要按如下技術(shù)思路：

（1）采用坑外管井降水的方案解決上部卵石層的地下水問題；

（2）進(jìn)入下部風(fēng)化砂巖層后，采用于坑壁設(shè)置斜向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)（30°入射角）、坑底布設(shè)豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)，分層向下施工的方案解決風(fēng)化砂巖層的滲水問題。

5.2坑外管井降水

通常，蘭州地區(qū)基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)［7］，采用式（1）和式（2）分別計(jì)算總涌水量Q和單井出水量q：

式中：k——含水層滲透系數(shù)，m/d；

H——含水層厚度，m；

S——設(shè)計(jì)水位降深，m；

r0——基坑等效半徑，m，r0=；

rs——過濾器半徑，m；

l——過濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度，m。

本工程地下水位-3.7m，考慮1.5m地下水位變幅，含水層厚度和水位降深均為6.8m，基坑面積A取9115m2，卵石層滲透系數(shù)k取50m/d，代入式（1），可得卵石層總涌水量Q約為4603m3；蘭州地區(qū)常用濾水管半徑可取0.15m，過濾器進(jìn)水部分長(zhǎng)度取1m，代入式（2）得管井的單井出水量q約為208m3。則本工程卵石層降水所需管井?dāng)?shù)量n可由下式計(jì)算：

最終，在基坑周邊呈環(huán)形布共設(shè)23口降水井（如圖5所示），按西南側(cè)來水方向井間距15m、其余側(cè)井間距20m；井徑0.8m，管徑0.3m，井深按濾管進(jìn)入砂巖層1m控制（最下一節(jié)為實(shí)管，長(zhǎng)2.5m）。

5.3坑內(nèi)簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)降水

隨土方開挖，揭露該層風(fēng)化砂巖層后，先在坑壁設(shè)置一圈斜向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)（30°入射角），然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況需要，在坑底中間部位布設(shè)多組豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)（如圖6所示），每層輕型井點(diǎn)有效降水深度按3～4m考慮。隨著開挖進(jìn)入風(fēng)化砂巖層深度的增加，設(shè)置多級(jí)斜向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)和多級(jí)豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)。

井點(diǎn)管采用?30mm～?40mm的PVC管，長(zhǎng)度按6m，端部1.5m范圍加工成濾管（花管），呈梅花型鉆?8mm的濾孔，濾管壁及端頭處包兩層網(wǎng)眼為100目的尼龍絲布細(xì)濾網(wǎng)，按每隔50mm豎向間距采用10號(hào)鉛絲綁扎一道；豎向井點(diǎn)管間距按1.2m均布（斜向井點(diǎn)管按每相鄰支護(hù)樁間設(shè)置兩根），每組共16根。導(dǎo)水總管采用?50mm的PVC管；井點(diǎn)管埋設(shè)采用鉆孔或沖孔法，井點(diǎn)管與導(dǎo)水總管連接采用透明軟管或膠皮管和總管上的三通（丁字通）連接，并采用10號(hào)鉛絲綁扎牢固。

圖5　降水井平面布置圖

圖6　坑內(nèi)簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)降水示意圖

當(dāng)最后一層輕型井點(diǎn)設(shè)置在基底標(biāo)高處時(shí)，在基底開挖井點(diǎn)管小溝槽，尺寸約20cm×20cm，伸出地面的井點(diǎn)管及導(dǎo)水總管均鋪設(shè)在該小溝槽內(nèi)；鋪設(shè)完成后，用粗粒料將該溝槽填平，基底明水抽干后即可澆筑墊層，并進(jìn)行后續(xù)基礎(chǔ)施工，井點(diǎn)管及導(dǎo)水總管埋入基礎(chǔ)底板之下，無需回收。

5.4降水效果

該工程從2012年11月開挖進(jìn)入風(fēng)化砂巖層至2014年3月基底封閉，基本實(shí)現(xiàn)了坑內(nèi)干作業(yè)的目標(biāo)，確保了風(fēng)化砂巖層地基載荷試驗(yàn)的順利進(jìn)行。在整個(gè)基坑開挖、降水長(zhǎng)達(dá)2年的時(shí)間內(nèi)，坑頂水平位移和周邊建（構(gòu)）筑物、管線沉降均滿足規(guī)范要求。

5.5不采用止水帷幕的原因

鑒于在中東部地區(qū)，采用止水帷幕、坑內(nèi)降水的方案往往能取得不錯(cuò)的效果；蘭州的工程技術(shù)人員嘗試在此類上部強(qiáng)透水卵石與下部弱透水風(fēng)化砂巖組合地層中進(jìn)行了高壓旋噴樁止水帷幕的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，因卵石和風(fēng)化砂巖顆粒組成、密實(shí)程度等的差異巨大，在此類組合地層中高壓旋噴樁止水帷幕成型極其困難。

為解決這一問題，稍后于紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目開工建設(shè)的某超高層商業(yè)綜合體基坑，在蘭州市首次采用了地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護(hù)型式，但基坑開挖進(jìn)入下部風(fēng)化砂巖層后，因受坑外高水位影響，出現(xiàn)坑底滲水更嚴(yán)重，砂巖軟化，工程設(shè)備、施工人員無法進(jìn)入坑底作業(yè)的情況；最終亦不得不采取坑底分層施作豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)的方法解決該問題。

可見，止水帷幕+坑內(nèi)明排的方案亦無法有效解決該類組合地層基坑降水問題。此外，對(duì)經(jīng)濟(jì)落后的蘭州地區(qū)而言，止水帷幕遠(yuǎn)超管井降水的造價(jià)是設(shè)計(jì)和施工中必須考慮的重要因素。

6　結(jié)語(yǔ)

（1）基于蘭州市城關(guān)區(qū)黃河南岸Ⅱ級(jí)階地強(qiáng)透水卵石與弱透水風(fēng)化砂巖組合地層深基坑常用支護(hù)型式和降水方法，總結(jié)降水失敗經(jīng)驗(yàn)、分析破壞模式，進(jìn)而在蘭州紅樓時(shí)代廣場(chǎng)項(xiàng)目深基坑降水實(shí)踐中，采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題。

（2）采用PVC管代替鋼管的簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)降水方法，具有操作簡(jiǎn)便、施工速度快、較為經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)；在近兩年蘭州市類似地層基坑工程中的應(yīng)用實(shí)踐表明，該法與管井降水合理結(jié)合，最大限度地發(fā)揮各自的降水能力，可取得良好的降水效果和經(jīng)濟(jì)效益，可供其它地區(qū)類似地層基坑工程降水設(shè)計(jì)參考。

［1］張恩祥，何臘平，張森安.蘭州市區(qū)第三系風(fēng)化砂巖地基承載力試驗(yàn)研究［J］.工程勘察，2015，43（6）：11-14.

［2］張森安，杜俊，胡殿杰，等.蘭州地區(qū)風(fēng)化砂巖地基工程特性及工程參數(shù)［J］.工程勘察，2015，43（6）：15-19.

［3］劉正勇，顧洪潮.簡(jiǎn)易輕型井點(diǎn)降水法在蘇北工地中的應(yīng)用［J］.建筑技術(shù)開發(fā)，2014，41（1）：37-41.

［4］李榮峰，李成華，邱晨，等.輕型井點(diǎn)與管井降水在深基坑工程中的聯(lián)合應(yīng)用［J］.土工基礎(chǔ)，2004，18（2）：11-13.

［5］杜德明.深基坑內(nèi)45°橫向降水施工技術(shù)［J］.建筑施工，2006，28（2）：23-25.

［6］工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［7］JGJ 120-2012中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

TV551

B

1004-5716（2016）09-0192-04

2015-09-08

2015-09-11

龍照（1981-），男（漢族），湖南桃江人，高級(jí)工程師，注冊(cè)巖土工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察、設(shè)計(jì)工作。