軟土地區(qū)深基坑降水設(shè)計(jì)施工技術(shù)研究

(上海理工大學(xué)環(huán)境與建筑學(xué)院，上海 200093)

基坑工程是建筑物地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)，為了保證地下結(jié)構(gòu)的順利施工和保護(hù)周邊環(huán)境不受影響而采取的一系列措施，是一項(xiàng)綜合性強(qiáng)、技術(shù)復(fù)雜、影響因素眾多的系統(tǒng)工程[1-2]。

基坑降水可為基坑的開挖提供良好的施工環(huán)境，對(duì)周圍土體加固、支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和水壓力減小起著重要的作用[3]。在建筑物密集而且地下水位較淺的地區(qū)，進(jìn)行基坑開挖時(shí)，必須考慮基坑降水?；咏邓粌H避免了水中作業(yè)，而且還提高了基坑巖壁以及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，繼而提高了工程施工質(zhì)量[4-5]?；咏邓饕峭ㄟ^減小開挖土體含水量，即采取一系列措施使基坑內(nèi)或基坑內(nèi)外的水位降低至基底面以下[6-7]。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程項(xiàng)目位于上海市，占地約50 200m2，本工程±0.000為絕對(duì)標(biāo)高+5.340m，場(chǎng)地絕對(duì)標(biāo)高為+4.00～+5.00m，圍護(hù)施工前場(chǎng)地整平至+4.00m。本工程地下三層，基坑大底板開挖深度為15.877～18.877m，局部深坑開挖深度為16.877～18.877m，基坑圍護(hù)開挖面積34 125m2，基坑共劃分成2塊區(qū)域施工，Ⅰ區(qū)面積22 536m2，挖深約16m，Ⅱ區(qū)面積11 589m2，挖深約19m。

本工程基坑采用順作法，圍護(hù)結(jié)構(gòu)及中間隔墻全部采用鉆孔灌注樁，止水則采用三軸攪拌樁，坑底加固采用高壓旋噴。由于2、3期緊鄰該地塊的零期及1期，零期及1期地下建筑已經(jīng)完成且回填，其共用圍護(hù)結(jié)構(gòu)與2、3期共用，即西側(cè)利用零期地下連續(xù)墻圍護(hù)； 坑內(nèi)沿豎向設(shè)4道鋼筋混凝土支撐，局部設(shè)第5道鋼支撐。

1.2 地質(zhì)條件

本工程施工影響范圍內(nèi)的土層由上及下分別為： ①雜填土， 3.5m厚； ③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，夾粘質(zhì)粉土， 4.3m厚； ④淤泥質(zhì)粘土， 5.3m厚； ⑤1粘土， 2.9m厚； ⑤2粉砂， 16.5m厚； ⑤3粉質(zhì)粘土， 8.4m厚； ⑥粉質(zhì)粘土， 4.6m厚； ⑦1粉砂， 6.5m厚。

擬建場(chǎng)地地下水類型有淺部土層中的潛水、中部土層中的微承壓水(第⑤2層)和深部土層中的承壓水(第⑦層和第⑨層)。

(1)潛水

由于潛水與大氣降雨關(guān)系十分密切，故水位呈季節(jié)性波動(dòng)，因此潛水水位高低主要取決于降雨量的大小和雨期持續(xù)時(shí)間。根據(jù)巖土工程勘察數(shù)據(jù)，基坑鉆孔中地下水埋深約0.10～1.20m，相應(yīng)絕對(duì)高程為2.19～3.11m。

(2)承壓水

擬建場(chǎng)地淺部分布有第⑤2層粉砂，其厚度較大，該層土層賦存的地下水水量較豐富且具有一定的承壓性，屬微承壓水含水層。擬建場(chǎng)地內(nèi)分布第⑦、⑨層砂(粉)土層，該土層賦存地下水水量豐富，為承壓含水層。

因?yàn)楸竟こ袒娱_挖深度約為19.45m，所以對(duì)本工程有影響的主要是淺部的潛水、第⑤2層中的微承壓水和第⑦層中的承壓水。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告中注水試驗(yàn)測(cè)得第⑤2層微承壓水水位埋深約為4.0～8.0m，第⑦層承壓水水位埋深約為4.0～9.0m。場(chǎng)地土層微承壓含水層等值線圖如圖1-2所示。

a.含水層頂埋深 b.含水層底埋深 圖1 場(chǎng)地下伏第⑤2層微承壓含水層埋深等值線圖(單位：m)

a.含水層頂埋深 b.含水層底埋深 圖2 場(chǎng)地下伏第⑦層承壓含水層埋深等值線圖(單位：m)

2 降水施工難點(diǎn)

根據(jù)本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征和擬建場(chǎng)地的地質(zhì)水文地質(zhì)特征，本基坑工程安全極的大程度上依賴于基坑降水的成功與否，這使得降水設(shè)計(jì)的可靠性十分重要，本降水工程的特點(diǎn)如下所示。

1)擬建場(chǎng)地北部位于古河道地層分布區(qū)，其中第⑥、⑦層缺失，第⑤2層粉砂層為微承壓含水層，且厚度較大； 南部為正常地層分布區(qū)，第⑥、⑦層正常分布，底部存在第⑦層承壓含水層。

2)地下三層區(qū)域，大底板基坑開挖深度在15.877～18.727m，在古河道地層分布區(qū)局部深坑底面已經(jīng)揭穿第⑤2層含水層。

3)基坑下伏的第⑤2層、第⑦層承壓含水層頂板埋深較淺，且第⑤2層和第⑦層局部聯(lián)通，基坑坑底面臨承壓水突涌風(fēng)險(xiǎn)。

4)整個(gè)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水帷幕采用單排三軸攪拌樁，鑒于三軸攪拌樁的施工工藝、質(zhì)量等仍存不確定因素，承壓水對(duì)基坑安全存有一定的威脅。

5)本基坑面積較大，基坑開挖深度較大，且古河道地區(qū)止水帷幕未能隔斷第⑤2層微承壓水，局部深坑分布較為零散，減壓降水涉及的范圍較大。降低承壓水位勢(shì)必會(huì)對(duì)臨近建筑物及地下管線等造成一定程度的影響，環(huán)境要求較高，降水必須做到按需降水。

6)基坑西側(cè)和北側(cè)緊臨已建成的市政道路和相鄰地塊，周邊環(huán)境變形控制要求高。

3 降水設(shè)計(jì)

3.1 減壓降水?dāng)?shù)值分析

根據(jù)擬建場(chǎng)地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及開挖深度等因素，本次設(shè)計(jì)采用了三維滲流數(shù)值法進(jìn)行計(jì)算，為減壓降水設(shè)計(jì)與施工提供理論依據(jù)。

本次承壓水減壓降水設(shè)計(jì)中，減壓降水目的層為第⑤2層和第⑦層微承壓含水層?？紤]到降水過程中，上覆潛水含水層將與下伏微承壓含水層組之間將發(fā)生一定的水力聯(lián)系，因此，將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層組一起納入模型參與計(jì)算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型：

式中:

S為儲(chǔ)水系數(shù)；Sy為給水度；

M為承壓含水層單元體厚度(m)；

B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度(m)；

kxx,kyy,kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)(m/d)；

W為源匯項(xiàng)(1/d)；

h為點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水頭值(m)；

h0為計(jì)算域初始水頭值(m)；

h1為第一類邊界的水頭值(m)；

Sx為儲(chǔ)水率(1/m)；t為時(shí)間(d)；

Ω為計(jì)算域；Γ1為第一類邊界。

對(duì)整個(gè)滲流區(qū)進(jìn)行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散，就可得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)編制計(jì)算程序，計(jì)算、預(yù)測(cè)降水引起的地下水位的時(shí)空分布。離散模型三維圖見圖3、4。

圖3 離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖

3.2 減壓降水設(shè)計(jì)

3.2.1 第⑤2層微承壓水

本工程場(chǎng)地下伏第⑤2層承壓含水層有一定的起伏，坑內(nèi)減壓降水井井深分別設(shè)置為23m、27m、32m三種結(jié)構(gòu)。經(jīng)過計(jì)算，基坑需要布置減壓降水深井57口(備用10口)，水位才能滿足承壓水抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算的要求，第⑤2層基坑降水運(yùn)行后預(yù)測(cè)基坑水位埋深、降深等值線圖見圖5、6。

圖4 模型地層剖面三維圖

圖5 第⑤2層預(yù)測(cè)基坑水位埋深等值線圖(單位：m)

圖6 第⑤2層預(yù)測(cè)基坑水位降深等值線圖(單位：m)

3.2.2 第⑦層微承壓水

本工程場(chǎng)地下伏第⑦層承壓含水層有一定的起伏，坑內(nèi)減壓降水井井深分別設(shè)置為39m。經(jīng)過計(jì)算，基坑需要布置減壓降水深井26口(備用5口)，水位才能滿足承壓水抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算的要求，第⑦層基坑降水運(yùn)行后預(yù)測(cè)基坑水位埋深、降深等值線圖見圖7、8。

圖7 第⑦層基坑水位埋深等值線圖(單位：m)

圖8 第⑦層基坑水位降深等值線圖(單位：m)

3.3 水位觀測(cè)及備用井設(shè)計(jì)

3.3.1 坑內(nèi)水位觀測(cè)及備用井

在基坑施工過程中，由于施工現(xiàn)場(chǎng)工序工種繁多，常常出現(xiàn)對(duì)減壓降水深井保護(hù)不力而致其破壞，無法按預(yù)期完成降水目的，在降水計(jì)算的基礎(chǔ)上，需設(shè)置坑內(nèi)降水應(yīng)急備用井，其數(shù)量約占正常運(yùn)行降水井的20%左右。同時(shí)，減壓降水過程中，基坑內(nèi)水位觀測(cè)非常必要，根據(jù)水位觀測(cè)井的水位變化，指導(dǎo)減壓降水所需開啟的降水井?dāng)?shù)量及開啟的時(shí)間。

因此，在本工程基坑中，坑內(nèi)至少需要布置10口第⑤2層微承壓水位觀測(cè)井兼應(yīng)急備用井，至少需要布置4口第⑦層承壓水位觀測(cè)井兼應(yīng)急備用井，井結(jié)構(gòu)同所在區(qū)域減壓深井。

3.3.2 坑外水位觀測(cè)井

本工程基坑周邊條件復(fù)雜，環(huán)境保護(hù)要求高，一旦圍護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)上部微承壓含水層的隔水效果不理想，坑內(nèi)抽降地下水過程中，將引起坑外地下水的同步變化，進(jìn)而導(dǎo)致坑外環(huán)境的地面沉降加劇。因此，坑外需分層布置第⑤2層和第⑦層承壓水的水位觀測(cè)井。

沿整個(gè)主基坑外側(cè)按照間距50m/組布置獨(dú)立坑外水位觀測(cè)井，監(jiān)測(cè)坑外水位變化情況，坑外微承壓水水位觀測(cè)井采用650大井，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)有效。

坑外第⑤2層微承壓水水位觀測(cè)井，井深25m，過濾器6m，共布置4口； 第⑦層承壓水水位觀測(cè)井，井深39m，過濾器7m，共布置8口，在有第⑤2層與第⑦層的區(qū)域，第⑤2層與第⑦層坑外水位觀測(cè)井成組布置。

3.4 真空疏干深井設(shè)計(jì)

對(duì)于地下三層開挖深度范圍內(nèi)的潛水，采用真空疏干深井形式進(jìn)行處理。為確?；禹樌_挖，需降低基坑開挖深度范圍內(nèi)的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括①、 ②③、③t、 ④⑤1層潛水。

坑內(nèi)疏干深井?dāng)?shù)量按下式確定：

式中，n—井?dāng)?shù)(口)；

A—基坑需疏干面積(m2)；

a井—單井有效疏干面積(m2)；

因?yàn)樵摰貐^(qū)在以淤泥質(zhì)粘土、粘土為主的潛水含水層中，單井有效疏干面積一般為150～200m2，因基坑內(nèi)進(jìn)行了裙邊及部分深坑坑底加固處理，在布置疏干深井時(shí)僅可能避開加固區(qū)，綜合考慮單井有效疏干面積按200m2布置。

4 施工降水運(yùn)行

4.1 降水運(yùn)行

抽水井個(gè)數(shù)和抽水量大小應(yīng)根據(jù)基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進(jìn)行控制，降水工作應(yīng)在地下構(gòu)筑物施工至上覆壓力和地下水頭的頂托力平衡后才能停止降水。停止降水的時(shí)間根據(jù)上覆壓力與頂托力的平衡計(jì)算結(jié)果確定的計(jì)算結(jié)果，然后取得設(shè)計(jì)的認(rèn)可后，施工現(xiàn)場(chǎng)才能停止降水。

根據(jù)實(shí)際挖土進(jìn)度，分塊分區(qū)分層挖土的特點(diǎn)，在正式抽水運(yùn)行后，分別在基坑內(nèi)外布設(shè)的觀測(cè)井，每天固定時(shí)間測(cè)量開挖過程中基坑內(nèi)外的水位變化，并對(duì)坑內(nèi)外部分觀測(cè)井放置水位探頭進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)(如圖9)，采用DT515數(shù)據(jù)采集儀對(duì)地下水進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，一方面用于水位測(cè)量，另一方面用于監(jiān)控水位狀態(tài)，一旦水位異常，可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)，及時(shí)作出處理。

圖9 水位監(jiān)測(cè)自動(dòng)采集系統(tǒng)

4.2 疏干深井運(yùn)行

真空疏干深井降水應(yīng)在基坑開挖前15-30天或更早進(jìn)行，以保證有效降低開挖土體中的含水量，確?；娱_挖施工的順利進(jìn)行。并根據(jù)要求加載真空負(fù)壓，以疏干基坑上部開挖土體，開挖過程中保持繼續(xù)持續(xù)抽水，進(jìn)一步疏干上部土體。

根據(jù)進(jìn)度，井內(nèi)水位應(yīng)控制在開挖面以下一定深度內(nèi)，在真空疏干深井正式抽水前，監(jiān)測(cè)單位應(yīng)及早施工坑外潛水位觀測(cè)孔。潛水水位觀測(cè)孔施工完成后及時(shí)開啟真空疏干深井進(jìn)行疏干降水。一般情況下，真空疏干深井基本保持24小時(shí)連續(xù)抽水，出現(xiàn)降水異常時(shí)，根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。

本次采用專有技術(shù)真空泵抽水、空壓機(jī)送氣的超級(jí)壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)的方法降低潛水位，其中每3～4口井配備1臺(tái)真空泵，預(yù)抽水期間真空管路的真空度大于-0.06MPa，空壓機(jī)送氣系統(tǒng)和真空泵抽水系統(tǒng)同時(shí)開啟，抽水安裝示意圖見圖10。

圖10 真空疏干深井抽水示意圖

4.3 減壓深井運(yùn)行

對(duì)于減壓井，為減少降水對(duì)周圍環(huán)境影響，必須按需降水，水位控制嚴(yán)格按照基坑穩(wěn)定性分析中基坑開挖深度和承壓安全水位埋深曲線進(jìn)行。

在減壓深井運(yùn)行的過程中，需要注意一下幾點(diǎn)要求： ①承壓水提前預(yù)抽水時(shí)間一般為1天，即局部深坑開始挖土?xí)r依次開啟相應(yīng)區(qū)域抽水，并隨基坑的挖土工況再進(jìn)行增開其它深井。②基坑內(nèi)所有減壓降水井均可通過開啟和關(guān)閉流量節(jié)制閥來調(diào)節(jié)出水量并控制水位。③平時(shí)坑內(nèi)承壓水位監(jiān)測(cè)，每天采用人工對(duì)未抽減壓降水井以及觀測(cè)井進(jìn)行水位測(cè)量。④其他區(qū)域第⑤2層承壓水運(yùn)行根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果結(jié)合工況進(jìn)行細(xì)化。⑤坑內(nèi)第⑦層承壓水應(yīng)在局部深坑開挖前根據(jù)實(shí)測(cè)水位進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，盡可能不要抽水。

5 結(jié)論

根據(jù)本項(xiàng)目基坑工程的特點(diǎn)，采取了以下幾點(diǎn)應(yīng)對(duì)措施保證降水施工的安全順利的推進(jìn)：

1)對(duì)于地下三層開挖深度內(nèi)的潛水，采用真空疏干深井形式進(jìn)行處理。對(duì)于古河道區(qū)域第⑤2層微承壓含水層，通過在坑內(nèi)布設(shè)減壓深井降壓處理，井的底端不超過止水帷幕的深度。對(duì)于正常地層區(qū)域的影響基坑安全的第⑦層承壓水，在坑內(nèi)布設(shè)減壓深井，平時(shí)不進(jìn)行承壓水的降水，在開挖到一定深度時(shí)再及時(shí)啟用，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)降水運(yùn)行，做到按需抽水。

2)在每個(gè)基坑內(nèi)宜布置獨(dú)立的水位觀測(cè)兼應(yīng)急備用井，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)降水運(yùn)行，在應(yīng)急情況下啟動(dòng)坑內(nèi)的觀測(cè)井進(jìn)行抽水。

3)在基坑外側(cè)布置適量的承壓水的水位觀測(cè)井，前期通過試降水判斷的止水帷幕的止水效果，后期降水運(yùn)行中監(jiān)測(cè)坑外的地下水位變化，指導(dǎo)基坑降水運(yùn)行。

經(jīng)過該項(xiàng)目后期施工，證明了該工程施工降水方案、排水方案等是適當(dāng)和合理的，為同類型基坑工程的設(shè)計(jì)與施工提供一定參考。

[1] 李龍江， 深井降水的綜合應(yīng)用技術(shù)[J].建筑技術(shù)， 2014, 45(7): 617-619.

[2] 楚劉輝. 關(guān)于蘇州地鐵車站基坑降水設(shè)計(jì)與施工的研究[D].石家莊鐵道大學(xué)， 2015.

[3] 孟巖， 劉龍濤，崔丹，祝荻，趙薇.北京市房地產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目輕型井點(diǎn)施工降水措施及計(jì)算方法探討[J].北京水務(wù)， 2013(06)： 52-55.

[4] 白恒恒. 地鐵某車站工程施工降水研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào)， 2012, 29(08): 89-93.

[5] 馮雨潤(rùn)之. 北京某地鐵站基坑降水?dāng)?shù)值模擬與沉降研究[D].中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)， 2015.

[6] 李會(huì)鋒. 基坑降水開挖對(duì)鄰近建筑物沉降的影響分析[D].河北工程大學(xué)， 2015.

[7] 方光秀， 馬祥，羅江波.地鐵車站超深基坑工程大口徑管井降水的設(shè)計(jì)與施工[J].施工技術(shù)， 2012, 41(13): 13-17.