基于基坑施工工況及環(huán)境要求的地下水控制設(shè)計(jì)

姚 博 王永東 袁國(guó)磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基于基坑施工工況及環(huán)境要求的地下水控制設(shè)計(jì)

姚 博 王永東 袁國(guó)磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基坑工程設(shè)計(jì)的安全性與地下水控制設(shè)計(jì)密不可分。本文根據(jù)基坑施工中的各種工況及環(huán)境保護(hù)的要求對(duì)由于地下水的作用而產(chǎn)生的浮力、滲流、地面變形、突涌等問題進(jìn)行計(jì)算分析，并根據(jù)計(jì)算分析結(jié)果及地下水作用機(jī)理采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)控制措施。地下水控制設(shè)計(jì)所涉及的基坑施工工況主要有：基坑開挖前、基坑開挖中、基坑開挖至坑底、底板澆筑完成、地下每層建筑施工及回填完成；環(huán)境保護(hù)要求主要有：基坑內(nèi)外地下水位控制、基坑外建（構(gòu)）筑物的變形控制、圍護(hù)墻體本身的各類變形控制等。針對(duì)各工況及環(huán)境要求而進(jìn)行的地下水控制設(shè)計(jì)為基坑工程安全有效的施工提供了保障和指導(dǎo)，確保了基坑及周邊環(huán)境的安全，也為類似基坑工程的地下水控制設(shè)計(jì)提供了借鑒。

基坑；施工工況；環(huán)境；地下水；控制設(shè)計(jì)

1 引 言

地下水控制設(shè)計(jì)的成功與否，直接關(guān)系到基坑工程設(shè)計(jì)與施工的風(fēng)險(xiǎn)高低及效果。

近年來，由于地下空間的發(fā)展需求，深大基坑也越來越多，基坑工程的安全性關(guān)系到人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，對(duì)基坑工程設(shè)計(jì)中的地下水控制設(shè)計(jì)也越來越受到重視。許多學(xué)者及工程技術(shù)人員從不同角度對(duì)基坑工程中的地下水控制設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。陸建生等[1]對(duì)復(fù)雜環(huán)境下深基坑地下水綜合控制進(jìn)行了分析；王衛(wèi)東[2]對(duì)深大基坑工程設(shè)計(jì)實(shí)踐與創(chuàng)新作了研究；周濟(jì)民等[3]對(duì)北京地區(qū)地鐵車站深基坑地下水控制技術(shù)進(jìn)行了研究；丁春林[4]對(duì)軟土地區(qū)承壓水基坑突涌穩(wěn)定計(jì)算法進(jìn)行了研究；王曙光[5]研究了復(fù)雜周邊環(huán)境基坑工程變形控制技術(shù)；陸建生等[6]對(duì)基坑工程環(huán)境水文地質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；范士凱等[7]分析了長(zhǎng)江一級(jí)階地基坑地下水控制方法和實(shí)踐；李進(jìn)軍等[8]對(duì)受承壓水影響的深基坑工程中的群井抽水試驗(yàn)進(jìn)行了分析；婁榮祥等[9]對(duì)上海地鐵11號(hào)線徐家匯站深基坑降水進(jìn)行了數(shù)值模擬。

本文擬以上海佳兆業(yè)金融中心為工程背景，對(duì)不同施工工況及環(huán)境變形控制要求的地下水風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行計(jì)算分析，依據(jù)地下水作用機(jī)理采取控制措施，為基坑及周邊環(huán)境的安全做好地下水控制設(shè)計(jì)。

2 基坑安全等級(jí)及周邊環(huán)境等級(jí)

2.1 基坑安全等級(jí)

本工程擬建建（構(gòu)）筑物性質(zhì)詳見表1。

由表1可知，本工程基坑安全等級(jí)為一級(jí)。

2.2 周邊環(huán)境等級(jí)

本工程周邊存在地鐵、道路、管線及建筑物，根據(jù)各建（構(gòu)）筑物重要程度及其與基坑邊線距離、基坑深度的關(guān)系確定的周邊環(huán)境等級(jí)見表2。

表1 主要擬建（構(gòu)）筑物性質(zhì)一覽表

表2 基坑周邊環(huán)境等級(jí)表

3 水文地質(zhì)特征

3.1 潛水

潛水一般分布于淺部土層及③夾層灰色砂質(zhì)粉土中，補(bǔ)給來源主要有大氣降水入滲及地表水徑流側(cè)向補(bǔ)給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。淺部土層中的潛水位埋深，一般離地表面0.3～1.5m，年平均地下水水位埋深離地表面0.5～0.7m。由于潛水與大氣降水和地表水的關(guān)系十分密切，故水位呈季節(jié)性波動(dòng)。擬建場(chǎng)地淺部地下水屬潛水類型。勘察期間測(cè)得的地下水靜止水位埋深為0.70～1.20m（相應(yīng)標(biāo)高為+3.06～+3.62m）。

表3 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)表

設(shè)計(jì)時(shí)地下水位埋深建議按不利因素考慮，高水位可取設(shè)計(jì)室外地坪下0.5m，低水位可取設(shè)計(jì)室外地坪下1.5m。

3.2 承壓水

本工程第⑦1-1層、第⑦1t層、第⑦1-2層以及第⑦2層承壓水含水層相連通，故可看作統(tǒng)一的承壓水含水層。上海市第⑦層承壓水位一般為3~12 m，勘察期間測(cè)得第⑦層穩(wěn)定承壓水位埋深為6.55～7.05m，平均為6.80m。本工程第⑨層承壓水與第⑦層承壓水相通。

3.3 含水層埋藏分布

本工程基坑設(shè)計(jì)所涉及到的含水層埋藏分布情況相對(duì)較為穩(wěn)定，其頂板埋深及標(biāo)高起伏不大，各含水層具體埋藏分布的典型水文地質(zhì)剖面見圖1。

圖1 水文地質(zhì)剖面圖

4 基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)本工程的勘察報(bào)告所提供的成果，本工程基坑圍護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)見表3。

5 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況

根據(jù)本工程的基坑開挖深度及周邊環(huán)境保護(hù)要求，經(jīng)過安全性驗(yàn)算及方案選型比較，本工程基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐的方式，工程樁及支撐立柱樁采用鉆孔灌注樁。地下連續(xù)墻及支撐結(jié)構(gòu)情況見表4。

表4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)情況表

6 周邊環(huán)境變形控制要求

本工程基坑北側(cè)為地鐵9號(hào)線，根據(jù)上海市地鐵公司監(jiān)管要求，其周圍50m范圍內(nèi)地面沉降控制要求小于20mm，水平位移控制要求小于20mm；基坑其它周邊根據(jù)設(shè)計(jì)及規(guī)范要求地面沉降變形控制要求小于30mm，水平位移要求小于30mm。

7 滲流穩(wěn)定性計(jì)算

7.1 突涌穩(wěn)定性及安全承壓水頭驗(yàn)算

本工程地下連續(xù)墻底部位于第⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土中，未用截水帷幕隔斷基坑內(nèi)外的承壓水水力聯(lián)系，坑底土體的突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算按公式（1）進(jìn)行。

坑底土體突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算公式：

式中：為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，不應(yīng)小于1.1；為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度；為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度，對(duì)多層土，取按土層厚度加權(quán)的平均天然重度；為承壓含水層頂面的壓力水

頭高度；為水的重度。

主要工況結(jié)算結(jié)果見表5。計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖2。

表5 突涌穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

基坑突涌臨界開挖深度計(jì)算公式如下：

取等于1.1，突涌臨界開挖深度為16.0m。

圖2 突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算圖

為確?；娱_挖及施工期間，不產(chǎn)生坑底突涌問題，就必須使基坑內(nèi)承壓水水頭下降至一定深度，安全承壓水頭的計(jì)算可根據(jù)公式（3）進(jìn)行，基坑內(nèi)安全承壓水水頭及基坑內(nèi)承壓水的水位降深計(jì)算結(jié)果見表6。

式中:為安全承壓水水頭高度,從承壓含水層頂面起算的高度；為基坑開挖深度；為抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.1。

7.2 底板抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可知，純車庫(kù)底板所受上部結(jié)構(gòu)及上覆土體自重所產(chǎn)生的單位面積壓力。

表6 安全承壓水頭計(jì)算結(jié)果

P1為60KPa,底板厚度2.0m，抗拔樁所提供的單位面積抗拔承載力設(shè)計(jì)值P2為100KPa。地下水抗浮設(shè)計(jì)水位埋深按0.5m計(jì)算，車庫(kù)底板底面埋深為17.0m，則底板所受浮力為165KPa。在地下結(jié)構(gòu)施工過程中，各工況下底板所受浮力計(jì)算按公式（4）進(jìn)行：

式中：為抗浮力的合力；為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

具體計(jì)算結(jié)果見表7。

表7 抗浮穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

8 模擬計(jì)算

8.1 坑外側(cè)水頭下降值

本節(jié)通過Midas GTS有限元軟件中滲流—應(yīng)力耦合分析模塊對(duì)基坑進(jìn)行有限元數(shù)值模擬。本工程基坑開挖深度為17.0m，按照開挖要求，水位最少降至坑底下0.5m，即基坑內(nèi)水位最低降深為17.0m；按承壓水頭計(jì)算，承壓水水位降深6.5m就能滿足抗突涌要求，綜合考慮基坑內(nèi)水位降深為17.0m。以17.0m為水位最大降深，進(jìn)行坑外側(cè)水頭的模擬計(jì)算，坑外側(cè)水頭模擬計(jì)算云圖見圖3。

圖3 坑外水頭模擬計(jì)算圖

由圖中模擬結(jié)果可知，當(dāng)坑內(nèi)承壓水水頭降至坑底時(shí)，坑外水頭從25.6m下降至23.4m，坑外水頭降深達(dá)2.2m。

8.2 基坑周邊允許最大水位降深

根據(jù)前述周邊環(huán)境變形控制要求，本工程基坑北側(cè)允許最大沉降量為20mm，其它各側(cè)允許最大沉降量為30mm，以此為限制條件按照公式（5）～公式（8）計(jì)算基坑周邊允許最大水位降深，經(jīng)過多次假定及代入計(jì)算，最終基坑周邊允許最大水位降深計(jì)算結(jié)果見表8。

其中按以下情況計(jì)算

第土層位于初始地下水位以上時(shí)

第土層位于降水后水位與初始地下水位之間時(shí)

第土層位于降水后水位以下時(shí)

式中：為計(jì)算剖面的地層壓縮變形量（m）；

為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，應(yīng)根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)確定，無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，宜取1；為降水引起的地面下第土層的平均附加有效應(yīng)力；對(duì)黏性土，應(yīng)取降水結(jié)束時(shí)土的固結(jié)度下的附加有效應(yīng)力；為第層土的厚度;土層的總計(jì)算厚度應(yīng)按滲流分析或?qū)嶋H土層分布情況確定；為第層土的壓縮模量；應(yīng)取土的自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和的壓力段的壓縮模量；為水的重度；

為第層土中點(diǎn)至初始地下水位的垂直距離；為計(jì)算系數(shù)，應(yīng)按地下水滲流分析確定，缺少分析數(shù)據(jù)時(shí)，也可根據(jù)當(dāng)?shù)毓こ探?jīng)驗(yàn)取值；為計(jì)算剖面對(duì)應(yīng)的地下水位降深。

由表8可知，北側(cè)基坑周邊由地下水水頭下降引起的地面沉降變形控制值為20mm時(shí)，允許最大水位降深為0.3m。同樣經(jīng)過試算，基坑西側(cè)、南側(cè)及東側(cè)由地下水水頭下降引起的地面沉降變形控制值為30mm時(shí)，允許最大水位降深為0.5m。

8.3 計(jì)算結(jié)果分析

依據(jù)以上計(jì)算，降水引起的坑外水頭下降值，大于基坑周邊環(huán)境變形控制要求的允許水頭下降值。因而需采取相應(yīng)的措施，確?？油馑^下降值，小于基坑周邊環(huán)境變形要求的允許水頭下降值，從而使得由于降水引起的坑外底面沉降變形滿足要求。

9 控制措施設(shè)計(jì)及實(shí)施

9.1 抗突涌地下水控制措施

基坑開挖前，施作減壓井進(jìn)行承壓水降水，確保承壓水頭始終低于開挖面下1.0m；底板澆筑完成后直至施工至第三道支撐拆除且地下室外側(cè)第三道支撐平面以下回填完成方可停止承壓水降水。

9.2 底板抗浮地下水控制措施

基坑開挖前，施作疏干井進(jìn)行坑內(nèi)降水，確?；觾?nèi)地下水水位始終低于基坑開挖面以下0.5m，直至地下一層施工完成且地下一層頂板平面以下回填完成方可停止坑內(nèi)降水。

9.3 滿足環(huán)境變形要求的地下水控制措施

基坑外側(cè)施作回灌井，確?？油獾叵滤^下降值小于0.8m，回灌井的數(shù)量通過模擬計(jì)算獲得，并通過實(shí)際坑外水頭觀測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息反饋，及時(shí)進(jìn)行回灌井?dāng)?shù)量、回灌水頭高度等的調(diào)整。

9.4 地下水控制措施實(shí)施

根據(jù)以上計(jì)算分析，基坑外側(cè)共布置了9個(gè)回灌井，回灌井深度與承壓水降水井深度相同；其中，基坑北側(cè)布置了3個(gè)回灌井，其余三側(cè)各布置了2個(gè)回灌井。

表8 允許最大水位降深計(jì)算結(jié)果

在基坑開挖及地下結(jié)構(gòu)施工過程中，施工單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了地下水控制施工，并對(duì)坑內(nèi)、坑外地下水水頭進(jìn)行了及時(shí)跟蹤觀測(cè)，確保了該基坑工程的地下水控制滿足了施工工況及周邊環(huán)境變形的要求。

10 結(jié)語(yǔ)

1）通過地下水水頭與基坑工程施工工況的關(guān)系分析，有效地確定了降水工作的開始和終止工況節(jié)點(diǎn)，避免了由于地下水控制不力而引起的基坑突涌及底板上浮等事故的發(fā)生。

2）通過降水引起的基坑周邊水頭下降及周邊環(huán)境變形允許的水位降深的模擬分析，有效地確定了坑內(nèi)降水與坑外水頭下降的關(guān)系及坑外地面沉降變形與水頭下降的關(guān)系，針對(duì)性地采取了措施，避免了由于基坑降水而引起的周邊環(huán)境問題。

3）針對(duì)各工況及環(huán)境要求而進(jìn)行的地下水控制設(shè)計(jì)為基坑工程安全有效的施工提供了保障和指導(dǎo)，確保了基坑及周邊環(huán)境的安全，也為類似基坑工程的地下水控制設(shè)計(jì)提供了借鑒。

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Based on the requirement of foundation pit construction condition and environment of groundwater control design

The security of foundation pit engineering design and groundwater control design are inseparable. According to the foundation pit construction and environmental protection requirements under various working conditions in the produced by the action of groundwater buoyancy, seepage, ground deformation calculation and analysis, the problem such as a sudden surge, and according to the results of calculation and analysis and effect mechanism of groundwater to take corresponding control measures.Groundwater condition of construction of foundation pit in the control design, mainly include: before the excavation, excavation,excavation to bottom,bottom pouring in complete,each layer of underground construction and backfilling;Environmental protection requirements are:inside and outside the foundation pit of underground water level control,outside the foundation pit, the deformation control of content,retaining wall itself of all kinds of deformation control, etc.T For each condition and environmental requirements of the groundwater control design provides guarantee for the construction of the foundation pit engineering safe and effective and guidance,ensure the safety of the excavation and surrounding environment,also for similar excavation engineering of groundwater control design provides reference.

foundation pit; construction condition; environment; groundwater; control design

TU463

B

1003-8965(2017)05-0146-05