深基坑水平止水帷幕無壓性地下水控制設計及實踐

陸建生

(上海廣聯環(huán)境巖土工程股份有限公司，上海 200444)

0　引言

軟土地區(qū)城市密集中心區(qū)的深基坑施工安全，特別是既有建筑地下空間的開發(fā)建設，不僅僅關乎穩(wěn)定和強度問題，更是關乎周圍環(huán)境保護問題，如何將施工過程對周圍環(huán)境的影響控制在更加嚴格的容許范圍內，以確保基坑周圍原有建(構)筑物、地下管線及道路等的安全，已成為該類地區(qū)基坑工程施工過程中周邊環(huán)境保護的首要工作[1-2]。

對于軟弱地層區(qū)域，地下水水位下降與地面及建(構)筑物的變形關系靈敏，唐業(yè)清[3]及蔣紅星[4]對深基坑事故的調查資料顯示，有20%～70%的基坑事故與地下水控制有關。

沉降微擾動控制區(qū)域進行深基坑建設過程中，如何有效進行地下水控制設計是目前基坑建設中的一個重大關鍵點。控制因基坑降水而引起的工程性地面沉降，最直接有效的辦法是控制地下水水位，包括直接減少或消除坑外特定區(qū)域水位降深幅度和減少或消除基坑內水位降深幅度。直接減少或消除坑外特定區(qū)域水位降深幅度可采用基于圍護-降水一體化設計[5-8]之上的抽灌一體化技術[9-11]，目前抽灌一體化技術在基坑建設中已有一定的應用，其設計理論也有了一定的研究，在沉降控制方面取得了一定的成效[12-15]，但回灌技術在實際應用過程中受到綜合設計不合理、施工場地限制、施工隊伍精細化管理水平不足等問題影響，在沉降控制中未能達到預期管理目的。

減少或消除基坑內水位降深幅度是一種更為可靠的地下水控制技術，通過土性的改良形成水平止水帷幕達到降低含水層層頂標高，進而達到不降或少降的目的。水平止水帷幕封底技術目前應用相對較少，部分基坑利用加固形成了水平止水帷幕，但因設計考慮不全，只是減少了帷幕底下部含水層的降水幅度，未充分發(fā)揮水平止水帷幕的作用。本文簡述了水平止水帷幕無壓性地下水控制設計的原理，并在某地鐵車站的地下水控制設計中的應用。實踐表明水平止水帷幕在地下水控制實踐中可起到有效的控水作用，并針對實際過程中的控制環(huán)節(jié)提出了一些建議。

1　水平止水帷幕無壓性地下水控制設計原理與計算

1.1　設計原理

水平止水帷幕無壓性地下水控制設計指通過土性的改良形成水平止水帷幕達到降低含水層層頂標高，近而達到下部含水層不降水的目的。即水平止水帷幕底下部的承壓水頂托力應不大于帷幕底以上的土壓力，如圖1所示。如止水帷幕底下部的承壓水頂托力大于帷幕底以上的土壓力，則仍須考慮帷幕底下部承壓水的降水。水平止水帷幕的作用是在原含水層中間形成一層人工弱透水層，減少基坑的豎向補給。

圖1深厚含水層懸掛式帷幕模式

圖1(a)和1(b)為針對含水層為承壓含水層。圖1(c)和1(d)為針對含水層為潛水含水層，在水平止水帷幕底下部原潛水含水層變成了局部性的承壓水，水平止水帷幕底下的地下水頂托力應不大于帷幕底以上的土壓力，如止水帷幕底下部的承壓水頂托力大于帷幕底以上的土壓力，則仍須考慮帷幕底下部地下水的降水，則不符合水平止水帷幕無壓性地下水控制設計。

水平止水帷幕無壓性地下水控制設計可達到以下目的：

(1)沉降敏感區(qū)域，在有效保障基坑安全的同時有效控制坑外水位降深；

(2)在涌水大的區(qū)域，減少基坑涌水量，減少市政排水能力，減少電耗；

(3)從水資源保護角度出發(fā)，減少水資源浪費。

1.2　設計計算

水平止水帷幕無壓性地下水控制計算主要包括水平止水帷幕底埋深的確定、基坑涌水量的確定和水平止水帷幕厚度的確定。計算模型如圖2所示。

圖2　計算模型

1.2.1水平止水帷幕底埋深的確定

水平止水帷幕底埋深確定原則：水平帷幕形成后，帷幕底下部承壓水在基坑開挖至底過程中無需降壓。水平止水帷幕底埋深可按公式(1)和(2)計算。

(1)

(2)

式中：Ps——水平止水帷幕底面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；Pw——初始狀態(tài)下(未減壓降水時)水平止水帷幕底面的承壓水頂托力，kPa；h——基坑開挖深度，m；H——水平止水帷幕厚度，m；h0——初始水位埋深，m；hd——水平止水帷幕底埋深，m；γi——水平止水帷幕頂面至基底面間各土層的平均重度，kN/m3；γw——水的重度，kN/m3；γ——止水帷幕體的重度，kN/m3；Fs——安全系數，一般取1.00～1.10。

1.2.2基坑涌水量的確定

在不考慮豎向地連墻的水平滲漏及降雨補給量，只考慮水平帷幕底的垂向補給的條件下，基坑涌水量可按公式(4)計算。

v=kv(hs-h0)/H

(3)

Q=vS=kvS(hs-h0)/H

(4)

式中：Q——基坑涌水量m3/d；v——地下水滲流速率，m/d；S——基坑面積，m2；kv——改良后的垂向滲透系數，m/d；h0——水平止水帷幕底下部含水層水位埋深，m；hs——水平止水帷幕上部含水層水位埋深，m。

1.2.3水平止水帷幕厚度的確定

水平止水帷幕厚度因涉及施工工藝差異、不同土層改良差異等因素的影響，目前尚無較好的計算方法，一般以常規(guī)經驗值考慮，如3～8 m，厚度的取值直接影響基坑涌水量的大小，因此也可通過預設基坑涌水量大小的方法，確定止水帷幕的厚度，如式(5)計算。

H=kvS(hs-h0)/Q

(5)

2　工程實踐

2.1　工程概況

福州某站為地下2層島式車站，框架結構。車站總長200 m，標準段寬19.7 m，車站標準段基坑深度約為16.2 m。車站主體結構基坑采用明挖順筑法施工，主體圍護結構采用厚度為800 mm的地下連續(xù)墻+4道內支撐的方案，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余均采用鋼管支撐。為進一步控制施工風險，車站基坑根據地質差異及施工條件分為3個基坑施工，基坑工程性質如表1所示。

表1　基坑工程性質

2.2　環(huán)境條件

車站周邊環(huán)境復雜，車站南側分布的建筑物主要有省糧油進出口公司宿舍(磚7.5F)和渠城新村(磚7.5F)；北側有孝輝旅社(磚3F)、后浦安置房(砼6F)、金洲小區(qū)(磚8F)、腫瘤醫(yī)院(砼11F)以及省糧食儲備倉庫(砼2F)等，其中孝輝旅社距離基坑10 m，條石基礎位于1號出入口處，主體施工期間不拆遷；靠近車站東側端頭井有一約6 m寬內河。車站西側端頭距離五里亭立交橋匝道60 m，五里亭立交橋車流量較大，且車站基坑開挖影響范圍內管線較多，通訊管線、電力管、雨污水管、給水管、煤氣管等工程管線密集。根據《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307-2012)，結合本段工程特點和環(huán)境特點，本車站環(huán)境風險為1級。

2.3　水文地質條件

本站位置的巖土層包括：①2雜填土，②4-1淤泥、②4-4淤泥夾砂、②4-5淤泥質中細砂，③1粉質粘土、③3中粗砂、③4淤泥質土、③5淤泥夾砂、③8卵石(砂質填充)和⑦1強風化花崗巖(砂土狀)。車站區(qū)域典型地質剖面如圖3和圖4所示，車站區(qū)地層起伏大，地質條件復雜，車站左右線地質剖面極不對稱，含水層參數如表2所示。

專項抽水試驗期間，淺部淤泥層水位標高4.54～4.76 m，②4-4層水位標高3.10 m，②4-5層水位標高3.11～3.62 m，③3層承壓水水位標高為2.87～3.15 m，②4-5層水位標高略高于③3層水位標高，且東區(qū)觀測井水位標高略高于西側，本站地下水總的流向是從東北往西南方向排泄。

本場區(qū)水文地質條件復雜，車站西側②4-5和③3層水力聯系密切，車站東側兩者間因③1粘性土的存在上下直接水力聯系較弱，但隨著時間的延長，因水文天窗的原因兩者的水力相關性大。

圖3典型地質剖面(左線)

圖4　典型地質剖面(右線)

含水層含水層土性靜止水位標高/m場區(qū)一場區(qū)二KV/(m·d-1)KH/(m·d-1)Ss/(L·m-1)②4-4淤泥夾砂3.101.00×10-39.00×10-21.00×10-5②4-5(含泥)細中砂3.11～3.453.620.506.009.00×10-5③3粗中砂2.87～2.913.15～3.172.0012.801.50×10-4

②4-4層、②4-5層與③3層因降水引起的變形差異大，同時本地區(qū)地層起伏大，各土層厚度變化大，致使除總沉降量較大外，后期不均勻沉降也將明顯，對建(構)筑物的破壞大。

鑒于本地區(qū)水文地質條件復雜及環(huán)境復雜，經過專項水文地質試驗分析后，確認采用水平止水帷幕進行封底，以減少坑內降水對周邊環(huán)境的影響。

2.4　水平止水帷幕無壓性地下水控制設計

根據公式(2)計算可得到表3中不同安全系數下的臨界止水帷幕底埋深，在此基礎上依據實際地層起伏、工程風險、止水帷幕施工搭接等問題確定最終設計水平止水帷幕底埋深。為有效控制水平止水帷幕的施工效果，止水帷幕厚度定為5 m，采用?1100@850 mm三重管高壓旋噴樁。

表3　基坑底抗突涌穩(wěn)定性驗算

水平止水帷幕所處地層的垂向滲透系數原為2 m/d，設計時考慮地層滲透性得到有效改善，按0.1 m/d考慮(滲透性改良按95%考慮)，依據公式(4)，基坑各分坑的基坑涌水量設計指標如表4所示。西坑、中坑設計基坑涌水量為500 m3/d考慮，東坑設計基坑涌水量為250 m3/d考慮，當實際基坑涌水量小于設計基坑涌水量時，認為止水帷幕施工效果達到預期。

2.5　降水設計

表4　基坑涌水量計算

本工程主要軟弱土層為第②4-1層深灰色淤泥層和第②4-4層深灰色淤泥夾砂層，該兩層土含水量高、孔隙比大，土質軟弱，高壓縮性，具有高靈敏度、低強度的特點。若不采取措施降低土層含水量，將造成開挖面軟弱、積水等不良現象，影響開挖面上的施工，較大的含水量也使得土體自立性差，影響開挖效率。

對于本工程，對基坑開挖造成主要影響的承壓含水層為②4-5層和③3層。在基坑開挖過程中，隨著開挖深度的增加，承壓水上覆土壓力變小，當承壓水頂托力大于上覆土壓力時，承壓水突涌便成為基坑開挖過程中最大的風險之一。

主體基坑內部，針對②4-5層，由于基坑開挖已經揭露②4-5層，對②4-5層進行直接疏干，針對③3層，加固底部下不需考慮承壓水降水。由于水平止水帷幕施工過程中對上部土層擾動，②4-5層和③3層不存在穩(wěn)定的隔水層，因此考慮不單獨布設③3層深井。

基坑周邊環(huán)境復雜，布置②4-5層和③3層坑外觀測井，用于監(jiān)測坑外承壓水位變化，檢驗基坑圍護止水效果，并實時分析基坑開挖期間的水位變化，進行風險預警。降水井平剖面如圖5和圖6所示。

2.6　水平止水帷幕功效分析及小結

圖5降水井平面布置

圖6　降水井結構示意

為檢驗地連墻和水平止水帷幕的防滲效果，分別對西、中、東基坑進行了封閉性試驗。實際基坑涌水量如圖7和表5所示。

圖7　各基坑涌水量時間變化趨勢

西基坑坑內水位降深達到13 m時，基坑實際抽水量為179.55 m3/d，降水按需降水時，基坑涌水量為277.00 m3/d，小于設計指標500 m3/d，達到預期設計指標，同時反算垂向滲透系數可得經過水平止水帷幕的施工，該處滲透性改良效果達到97.20%。

中基坑坑內水位降深達到17 m時，基坑實際抽水量為207.70 m3/d，降水按需降水時，基坑涌水量為202.27 m3/d，小于設計指標500 m3/d，達到預期設計指標，同時反算垂向滲透系數可得經過水平止水帷幕的施工，該處滲透性改良效果達到97.85%。

表5　水平止水帷幕功效分析

東基坑坑內水位降深達到17.07 m時，基坑實際抽水量為100.29 m3/d，降水按需降水時，基坑涌水量為107.27 m3/d，小于設計指標250 m3/d，達到預期設計指標，同時反算垂向滲透系數可得經過水平止水帷幕的施工，該處滲透性改良效果達到97.95%。

同時坑內抽水時，坑外水位降深0.05～0.18 m，坑外水位降深小，地連墻及水平止水帷幕的止水性好。

3　結論與建議

本文簡述了水平止水帷幕無壓性地下水控制設計的原理，并在某地鐵車站的地下水控制設計中進行了應用，通過抽水試驗及工程實踐，表明水平止水帷幕作為地下水控制設計的措施之一是有效的，主要結論及建議如下。

(1)本工程在粗中砂地層中(埋深最深38 m左右)采用超高壓旋噴樁工藝進行土性改良，效果良好，垂向滲透性改良效果達到97.2%～97.95%。隨著基坑開挖深度的增加，水平止水帷幕底深度越來越深，如基坑開挖深度為30 m初始水位埋深5 m的基坑，其水平止水帷幕底埋深一般會達到61 m，其施工工藝的要求將越來越高，可嘗試采用RJP工法或MJS工法，另對于不同的地層不同工藝下的改良效果應進行專項試驗，特別如卵石地層。

(2)常規(guī)采用鉆孔取心檢測水平止水帷幕滲漏的方法，屬于為檢測而檢測，如取心孔封閉不良，大大降低水平止水帷幕的功效，甚至可能給基坑開挖帶來巨大的風險，對于類似工程的檢測建議采用坑內抽水試驗坑外觀測的方法進行封閉性滲漏檢測試驗，在通過抽水試驗不能滿足預期目的的情況下，建議再采用鉆孔取心分析土性改良問題。

(3)與豎向止水帷幕類似，隨著基坑的開挖，圍護的變形，止水帷幕局部可能出現滲透加大或直接出現滲漏的風險，因此在實際施工期間，建議針對坑內外水位進行實時監(jiān)測，隨時預警可能出現的風險。