基于信息化施工對建筑基坑降水的優(yōu)化設(shè)計

蔣孫春

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系， 廣西南寧 530007)

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基于信息化施工對建筑基坑降水的優(yōu)化設(shè)計

蔣孫春

(廣西建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院管理工程系， 廣西南寧 530007)

基坑降水已成為發(fā)展城市地下空間必須面對的一項技術(shù)措施。文章通過一個恰當(dāng)?shù)剡\用信息化施工技術(shù)成功地對基坑降水進行優(yōu)化設(shè)計的案例，闡述了在基坑施工過程中，采用信息化施工技術(shù)，適時合理地對基坑降水進行優(yōu)化設(shè)計，既保證了基坑施工安全和基坑周邊環(huán)境的安全，又大幅度降低了對日益稀缺的地下水資源的破壞，獲得了良好的社會和經(jīng)濟效益。

信息化施工； 基坑降水； 優(yōu)化設(shè)計

1 研究建筑基坑降水的意義

近年來，城市發(fā)展日新月異，超高層建筑的高度不斷被刷新，建筑物在往空中發(fā)展的同時，它還需要往地下空間延伸。按照我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3-2010)第12.1.8條，《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011)第5.1.4以及《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 6-2011)第5.2.3條規(guī)定“基礎(chǔ)應(yīng)有一定的埋深，在抗震設(shè)防區(qū)，除巖石地基外，采用天然地基或復(fù)合地基，基礎(chǔ)埋深可取房屋高度的1/15；采用樁基礎(chǔ)(不計樁長)，基礎(chǔ)埋深可取房屋建筑高度的1/18?！?/p>

另外近年來隨著經(jīng)濟的發(fā)展，汽車的普及率在城市已經(jīng)非常高。車輛普及帶來的問題不僅是城市道路的擁擠問題，還有汽車的停放問題，現(xiàn)在很多小區(qū)業(yè)主都在為停車車位煩惱。地下空間建筑的發(fā)展相對地可以減緩車位緊張的壓力，這就出現(xiàn)了以前設(shè)計高層建筑時，為降低建造成本，一般設(shè)計一層地下室的情況。目前基本以兩層地下室為主，部分超高層建筑的地下層數(shù)已達6層。因此，不管從技術(shù)方面還是使用功能方面，均要求發(fā)展建筑物的地下空間。

地下空間建筑的發(fā)展給設(shè)計和施工帶來了相應(yīng)的技術(shù)問題，即深基坑支護和降水問題。為保證施工安全和周圍環(huán)境的安全，在擁擠的城市區(qū)域內(nèi)，基坑土方開挖一般在基坑支護保護的情況下進行。如果基底的設(shè)計標(biāo)高在地下水位以下，還必須采取基坑降水措施。如何在既可以保證基坑施工又盡量降低對周邊環(huán)境的影響前提下對基坑降水進行設(shè)計和施工，是目前設(shè)計和施工單位急需解決的技術(shù)問題。以下通過一項目在基坑信息化施工過程中對降水設(shè)計進行優(yōu)化并獲得成功的案例來闡述該問題。

2 項目地質(zhì)概況

項目位于南寧市中心區(qū)，該地區(qū)的地下水保存比較完好，一是基本無污染；二是埋深較淺(埋深一般在地面以下8 m左右)。以現(xiàn)在兩層地下室計，基坑的開挖深度約為10～12 m，基礎(chǔ)底板已經(jīng)在地下水位以下。降水已經(jīng)成為該地區(qū)基坑設(shè)計和施工中非常常見一項設(shè)計和施工內(nèi)容。

表1 項目地質(zhì)概況及土層滲透系數(shù)

項目勘察期間的場地內(nèi)孔隙潛水穩(wěn)定水位埋深10 m左右(標(biāo)高68.00 m左右)。勘察建議基坑降水措施可采用在基坑四周外側(cè)設(shè)置截水帷幕截水及設(shè)置降水井降水相結(jié)合的方式，必要時可采用在基坑截水帷幕外靠近擬保護建筑物側(cè)施工回灌井(即內(nèi)排外灌)，以減少基坑外水頭降低的幅度等措施。

圖1 項目基坑平面

3 項目降水設(shè)計

案例項目設(shè)計基底標(biāo)高65.45 m(項目設(shè)計的±0.000=77.30 m，電梯井部位基底標(biāo)高63.3 m)，基坑地下水高出大部基坑底標(biāo)高約2.55 m左右。因項目位于市中心黃金地段，周圍環(huán)境均已開發(fā)建設(shè)完成，項目地下空間建筑基本已占據(jù)整個用地紅線范圍以內(nèi)的空間，周圍的環(huán)境，基坑南部是采用樁基的建筑物(1棟3層，1棟11層)，東面和北面是市政主干道路，西面是一中學(xué)操場。為保證基坑施工和安全，基坑施工過程中必須采取降水措施。勘察資料建議設(shè)置截水帷幕截水及設(shè)置降水井降水相結(jié)合的方式，考慮到降水高度不大和此方案增加建設(shè)成本較大，項目僅采用了管井坑內(nèi)降水的方案。降水設(shè)計圖及土層分布見圖2。設(shè)計要求基坑高程挖至68.5 m左右開始施工降水管井。降水管井設(shè)計采用完整井，管井成孔直徑≥300 mm，管井過濾管直徑為200 mm，管周過濾料厚度≥50 mm，單井設(shè)計出水量0～25 m3/h。管井穿過圓礫層進入至強風(fēng)化泥巖1.0 m，總深約20 m左右。管井平面位置布置在地下室外墻外邊線與支護樁內(nèi)邊線之間并置于排樁之間，管井間距10 m。

圖2 降水井布置斷面

管井造孔采用下套管護壁，跟管鉆進成孔方式，過濾管采用150 mm(或200 mm)深井用PVC管。在降水井造孔施工前，應(yīng)先進行降水井抽水降水試驗段試驗(圖3)，根據(jù)抽水試驗對降水井的間距、孔深和管井結(jié)構(gòu)及抽水設(shè)備參數(shù)進行調(diào)整。降水水位應(yīng)保持在基坑底面下0.5～1.0 m。

圖3 降水井抽水試驗段

4 基坑降水設(shè)計分析

4.1 降水設(shè)計和勘察資料分析

基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級，基坑周長390 m，基坑面積6 900 m2，按照設(shè)計要求，基坑內(nèi)要布置約39座管井。

勘察單位在12月份中旬進場，1月份完成野外勘察，此時間段為項目地區(qū)的枯水期，勘察資料揭示的地下水位在現(xiàn)地面以下10 m左右(標(biāo)高68 m處)，地下水位高出基礎(chǔ)底(標(biāo)高65.45 m)約2.55 m，高出電梯井部位約4.7 m(電梯井基底標(biāo)高63.3 m)。降水設(shè)計采用完整井，是基于滿足電梯井部位的施工要求。但是降水設(shè)計圖有兩個設(shè)計參數(shù)與勘察資料和現(xiàn)場測量復(fù)核取得的資料不符：一是原地面標(biāo)高，降水設(shè)計圖標(biāo)注為75～75.5 m，實際應(yīng)為78～78.5 m；二是現(xiàn)地面標(biāo)高數(shù)據(jù)調(diào)正后，分析得圓礫層底標(biāo)高為52 m，設(shè)計降水管井深20 m左右有誤，應(yīng)為17.5 m。

節(jié)目素材的傳遞需要經(jīng)過上載、審查、納入節(jié)目播放列表等步驟。首先，節(jié)目的素材儲存到上載站的上載中心，而媒資系統(tǒng)和制作系統(tǒng)的素材，則需要上傳到播出系統(tǒng)。審查人員會審查上傳過來的節(jié)目，通過審查后，編單工作站、播出控制工作站會將經(jīng)過審查的節(jié)目素材納入到節(jié)目播出表當(dāng)中。節(jié)目的播出表會被傳給數(shù)據(jù)庫，此時調(diào)度服務(wù)系統(tǒng)就會檢測表單當(dāng)中的內(nèi)容，并將其中沒有被移動到播出系統(tǒng)當(dāng)中的節(jié)目進行遷移，在規(guī)定的時間，按照播放列表播放節(jié)目。

從勘察資料分析，基底以下分別是粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂和圓礫層(見圖2)，其滲透系數(shù)K值逐漸增大(見表1)，基底至泥巖之間不存在水平的不透水隔水層。

4.2 基坑涌水量核算

降水設(shè)計管井為完整井，下面驗算基坑潛水完整井基坑的涌水量Q。驗收過程為：

潛水層含水厚度H：H=68-(78-26)=16 m

因粉質(zhì)黏土和粉土的滲透系數(shù)相對細(xì)砂和圓礫的滲透系數(shù)較小，因此計算含水土層加權(quán)滲透系數(shù)僅計取細(xì)砂層和圓礫層加權(quán)值(以下計算時也同樣如此處理)，則含水層加權(quán)滲透系數(shù)K=37.82 m/d。

式中：S為基坑地下水位的設(shè)計降深(m)。

式中：A為基坑面積(m2)。

降水后基坑內(nèi)最高水位距基坑底0.5 m，將整個基坑看作一座大井，按設(shè)計要求，其作為均質(zhì)含水層潛水完整井的涌水量Q：

式中: n為降水井座數(shù)。

5 對現(xiàn)有基坑降水設(shè)計進行優(yōu)化

5.1 對管井降水深度的優(yōu)化設(shè)計

基于上述分析及以往同類工程施工經(jīng)驗，根據(jù) “按需疏干”的地下降水運行原則，除電梯井部位兩側(cè)平行范圍內(nèi)的管井仍沿用完整井外，其他部位的潛水完整井?dāng)M設(shè)計優(yōu)化為潛水非完整井，基坑內(nèi)最高水位低于基坑設(shè)計底標(biāo)高0.5 m。管井進入圓礫層3 m，主要考慮基底以下的細(xì)砂層厚薄相差較大，而圓礫層的位置及厚度相差不大，將濾管置入水平向連續(xù)分布的圓礫層可以獲得相對平緩的降水漏斗曲線，從而減少對周圍環(huán)境的影響。另外管井底部埋深距離基坑底8.45 m，滿足埋深大于6 m的基本要求。技術(shù)核算為：

降水后基坑內(nèi)的水位高度h=64.95-52=12.95 m，hm=0.5×(H+h)=0.5×(16+12.95)=14.475 m，含水土層加權(quán)滲透系數(shù)：K=28.46 m/d。

均質(zhì)含水層潛水非完整井涌水量Q：

5157.10m3/d

式中： l為濾管的長度(m)。

從計算結(jié)果顯示，降水設(shè)計優(yōu)化后單井設(shè)計流量為原設(shè)計的70.6 %，說明通過優(yōu)化，在滿足基坑施工要求的前提下，既可大幅度減少抽水量，又最大程度地降低了對地下水資源的破壞，符合我國工程界倡導(dǎo)的綠色施工要求。優(yōu)化后管井降水水位坡度線見圖4。

圖4 優(yōu)化設(shè)計后管井降水水位坡度線示意

5.2 管井平面布置優(yōu)化

基坑?xùn)|南端長33.8 m，西端56.17 m，原基坑降水設(shè)計統(tǒng)一采用相同的管井間距10 m，并沒有依據(jù)現(xiàn)場實際情況做細(xì)化設(shè)計。項目降水設(shè)計沒有在基坑周邊設(shè)置止水帷幕，基坑降水防水是敞開式疏干降水。依據(jù)國內(nèi)的一些施工經(jīng)驗，圓礫層和細(xì)砂層的單井有效疏干降水面積一般為120～180 m2。為保證降水時管井抽水均衡、持續(xù)以及管井內(nèi)的水位維持在穩(wěn)定的低水位，周圍各土層處水位下降值均勻一致，在各管井降水時保持豎向降水深度應(yīng)一致，轉(zhuǎn)而適當(dāng)調(diào)整管井的平面位置。在基坑南端部位，管井間距按12 m設(shè)置，在基坑靠西側(cè)部位按8 m間距設(shè)置管井，從東到西之間的基坑邊緣部位，管井間距從12 m逐漸縮小至8 m。

6 基坑土方開挖過程中再次優(yōu)化降水設(shè)計

基坑開挖至標(biāo)高68 m左右，除基坑?xùn)|北角有少量滲水外，并沒有見到地勘資料顯示的潛水。東北角部位的滲水有一股氣味，通過分析應(yīng)該是靠近基坑一側(cè)的市政污水管道接口等部位出現(xiàn)滲漏，進而滲入基坑內(nèi)。現(xiàn)場通過對該部位采用灌漿處理，滲水大幅度減少?；油练嚼^續(xù)分層開挖至設(shè)計底標(biāo)高以上1m左右位置(即標(biāo)高66.5 m)，仍未見地下水。在此標(biāo)高處決定開始進行管井施工。管井采用下套管護壁，跟管鉆進成孔方式，此施工方法施工進度雖然不快，但因項目基礎(chǔ)采用長螺旋鉆孔壓灌樁，其施工位置與降水管井成孔作業(yè)面相同，相互不受影響，同時該成孔工藝可以省掉成孔完成置入濾管后洗井的工序。項目設(shè)計有5座電梯井，電梯井南北兩側(cè)與電梯井垂直部位的降水管井成孔按原設(shè)計完整井施工，其他部位管井成孔的深度按優(yōu)化設(shè)計方案執(zhí)行。因基坑已開挖至設(shè)計標(biāo)高66.2 m，所以實際成孔的深度為66.5-57=9.5 m。電梯井兩側(cè)的降水井成孔深度仍按設(shè)計施工，實際成孔深度15.5 m(66.5-51=15.5)。

成孔完成后置入濾管，濾管采用管徑200 mm的PVC管，側(cè)面開10 mm的圓孔，梅花狀分布，外纏4 mm尼龍繩，再包2層140目的尼龍濾網(wǎng)并用鐵絲扎牢。置入濾管后，在濾管與套管間回填濾料，因管徑成孔時從圓礫層取出的礫石磨圓度較好，因此濾料采用現(xiàn)場從圓礫層取出的圓礫。濾管安裝完成后，實測現(xiàn)場地下水水頭位置在現(xiàn)地面2.5 m左右。

7 根據(jù)現(xiàn)場實際地下水位調(diào)整降水施工方案

按照現(xiàn)場實測水位，在標(biāo)高64 m處，低于基礎(chǔ)底板底標(biāo)高(標(biāo)高65.45 m)位置。測量現(xiàn)場水位時間為當(dāng)?shù)?月底，開始進入枯水期，實際考慮到地勘資料揭示的枯水期與豐水期地下水水位的變化幅度在2～3 m之間，另外基礎(chǔ)施工時間因自身的特點及受各種因素影響，工期相對較長。為保證后續(xù)基礎(chǔ)施工不受水位漲落影響，管井成孔施工繼續(xù)進行，除電梯井部位外，其他部位管井在基礎(chǔ)施工時不再降水。管井成孔施工仍按優(yōu)化方案繼續(xù)完成基坑降水設(shè)施的施工，主要作為確需降水時的備用方案。

8 基礎(chǔ)施工時管井降水運行及變形監(jiān)測

由于圓礫層和細(xì)砂層滲透系數(shù)較大，管井開始降水后水位下降較快，另考慮到電梯井開挖至設(shè)計標(biāo)高后，該部位的土層已接近細(xì)砂層的頂標(biāo)高位置處，為防止電梯井部位土方開挖時出現(xiàn)涌砂，電梯井部位土方施工前提前一天開始管井降水。該項目從12月中旬開始基礎(chǔ)土方開挖，到次年1月上旬完成了基礎(chǔ)底板的混凝土的澆筑工作，持續(xù)時間約20 d。施工期間偶有強降雨，為確保土方和基礎(chǔ)施工順利進行，電梯井部位的管井采用自動控制開關(guān)持續(xù)進行降水，基礎(chǔ)底板及電梯井施工期間沒有出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，基礎(chǔ)底板混凝土澆筑完成24 h后停止電梯井部位管井的降水。

基坑降水期間，基坑變形第三方監(jiān)測單位加大了對基坑支護結(jié)構(gòu)，基坑圍邊的環(huán)境的監(jiān)測頻次，施工單位也組織項目部測量人員和施工技術(shù)人員對基坑支護結(jié)構(gòu)，基坑圍邊的環(huán)境的儀器監(jiān)測和現(xiàn)場巡查，及時地分析變形數(shù)據(jù)。

9 結(jié)束語

該項目基坑降水設(shè)計并沒有采用勘察資料建議的止水帷幕，從經(jīng)濟的角度上為建設(shè)單位節(jié)約了建設(shè)成本，但在基坑施工過程中，基坑支護樁側(cè)壁采用導(dǎo)管排水，施工期間多次反復(fù)降雨，土中富水反復(fù)排除，加大了臨近基坑的周邊土層下沉，特別是基坑南面的小區(qū)道路，出現(xiàn)了下沉開裂現(xiàn)象。

該項目在基坑降水施工過程中通過對原基坑降水優(yōu)化設(shè)計，一可以在基坑開挖過程中保護日益稀缺的地下水資料，二可以獲得豐厚的管理效益。但并不意味著施工單位可以隨意對設(shè)計圖紙進行優(yōu)化，我國《建筑法》第五十八條“建筑施工企業(yè)必須按照工程設(shè)計圖紙和施工技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)施工，不得偷工減料。工程設(shè)計的修改由原設(shè)計單位負(fù)責(zé)，建筑施工企業(yè)不得擅自修改工程設(shè)計?！?因此施工單位能否對設(shè)計圖紙進行優(yōu)化，要在國家法律法規(guī)允許的范圍內(nèi)進行。如本案例的基坑降水是屬于臨時工程，按照我國《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》(JGJ 311-2013)第3.0.7條“基坑工程應(yīng)實施信息施工法”， “對同時進行土方開挖、降水、支護結(jié)構(gòu)、截水帷幕、工程樁等施工的基坑工程，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場施工和運行的具體情況，通過試驗與實測，區(qū)分不同危險源對基坑周邊環(huán)境造成的影響，并應(yīng)采取相應(yīng)的控制措施?！奔礉M足我國的技術(shù)法規(guī)要求并允許施工單位在降水施工過程中采取信息化施工才可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況給予采取相應(yīng)控制措施。另外原設(shè)計圖紙也明確提出“在降水井造孔施工前，應(yīng)先進行降水井抽水降水試驗段試驗，根據(jù)抽水試驗對降水井的間距、孔深和管井結(jié)構(gòu)及抽水設(shè)備參數(shù)進行調(diào)整?！边@相當(dāng)于將降水設(shè)計調(diào)整權(quán)授權(quán)給了施工單位。

采用信息化施工技術(shù)對基坑降水設(shè)計進行優(yōu)化，必須結(jié)合項目的勘察資料和現(xiàn)場的實際情況，組織強有力的各方面技術(shù)力量，對設(shè)計圖紙從經(jīng)濟、技術(shù)和安全等角度進行認(rèn)真分析，保證設(shè)計優(yōu)化方案技術(shù)可行，經(jīng)濟合理和安全可靠。

[1] JGJ 120-2012 建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[2] 劉國彬，王衛(wèi)東. 基坑工程手冊[M] . 第2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3] JGJ 311-2013 建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范[S].

[4] 《建筑施工手冊》第5版編委會.建筑施工手冊(2)[M]. 第5版. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[5] 蔣孫春. 建筑施工技術(shù)[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

蔣孫春(1969～)，男，高級工程師，副教授，研究方向為工程管理。

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[定稿日期]2016-06-10