復(fù)雜工況條件下超大基坑群降水一體化設(shè)計(jì)及群承壓水控制

孫晃潮

（佛山市房建集團(tuán)有限公司 廣東佛山528000）

當(dāng)前，城市建設(shè)使得深基坑工程已成為巖土工程的重要課題之一。然而，基坑工程是一個(gè)復(fù)雜的巖土工程問(wèn)題，其地域性特征強(qiáng)，在軟土地區(qū)，由承壓水誘發(fā)的突涌是影響深基坑工程安全和穩(wěn)定性的最重要因素，也是設(shè)計(jì)和施工亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

1 工程概況

某項(xiàng)目為綜合體建筑群，包括：住宅、辦公樓、酒店以及商業(yè)店鋪，總共有2大地塊，中間由市政道路分開(kāi)，2大地塊中又分別包含了5個(gè)小地塊，基坑開(kāi)挖深度為11.5～25.9 m，總開(kāi)挖面積約為14.3萬(wàn)m2，此外，建筑具有2～4層的地下室。本項(xiàng)目周邊有較為復(fù)雜的環(huán)境，包括：地下通道、居民宅、歷史保護(hù)建筑、地下管線以及軌道交通隧道等。在2個(gè)大地塊中，1個(gè)地塊被劃成了8個(gè)分區(qū)，另1個(gè)地塊被分成了7個(gè)分區(qū)，具體如圖1所示。本項(xiàng)目共用到了2種施工方法，分別是順作法及逆作法，除GL區(qū)外，其他區(qū)域均應(yīng)用順作法。

圖1 工程地塊Fig.1 Engineering Plot

本項(xiàng)目計(jì)劃要建筑在古河道地層沉積區(qū)這一位置處，通過(guò)實(shí)際勘察，得出該區(qū)域的地層地質(zhì)情況，包括：江灘土、雜填土、粉質(zhì)黏土、砂質(zhì)粉土、①1黏土、粉細(xì)砂、淤泥質(zhì)黏土以及粉砂等。

2 水文地質(zhì)情況分析

2.1 確定水文地質(zhì)參數(shù)

在本項(xiàng)目建筑場(chǎng)地中，存在較為豐富的地下水，在第⑦層以及第⑨層中，均存在承壓含水層，由于該區(qū)域受到古河道切割，存在的含水層深度不一，第⑧層的土缺失，因此，第⑦層與第⑨層相連，所以，兩層存在的承壓含水層是貫通的，沒(méi)有隔斷條件，該區(qū)域水文地質(zhì)情況較為復(fù)雜。由于某工程一些位置開(kāi)挖的基坑較深［1］，會(huì)承受較大的靜水壓力，同時(shí)，由于在環(huán)境保護(hù)以及開(kāi)挖深度方面有不同的要求，在坑外降水深度控制以及降水要求上，均存在較大的不同。

本項(xiàng)目實(shí)際施工前，為降低環(huán)境影響，同時(shí)保證基坑的安全，對(duì)項(xiàng)目中的2個(gè)大地塊進(jìn)行了針對(duì)性的勘察，得出實(shí)際結(jié)果，再結(jié)合地塊各位置處的特征，確定出第⑦層中2層層壓水位的埋深，其中⑦1層為6.1 m，⑦2層為6.6 m。最后與實(shí)際試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)相結(jié)合，得出滲透系數(shù)以及貯水系數(shù)，用于后期降水計(jì)算，如表1所示。

表1 承壓含水層滲透系數(shù)及貯水系數(shù)值Tab.1 Permeability Coefficient and Storage Coefficient Value of Confined Aquifer

隨后，進(jìn)行群井的抽水試驗(yàn)，分別得出⑦1層單井以及⑦2層兩層混合井單井的出水量，前者為5.61 m3/h，后者為15～26 m3/h?？紤]到減壓降水要求上有所不同，因此，以上2個(gè)井均可選用，在后期設(shè)計(jì)基坑降水過(guò)程中，要注意到會(huì)受止水帷幕及群井影響，所以要適當(dāng)折減出水量。

2.2 分析各分區(qū)承壓水控制需求

由于各分區(qū)的基坑存在不同的開(kāi)挖深度，深淺不一，其中C、GL區(qū)相對(duì)開(kāi)挖較淺，不用進(jìn)行減壓降水，其余位置處都因?yàn)槌霈F(xiàn)承壓水突涌情況，需要進(jìn)行減壓降水，根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖深度進(jìn)行劃分，最終確定出3類，如表2所示。

表2 實(shí)際減壓降水需求劃分Tab.2 Division of Actual Decompression Precipitation Requirements（m）

劃分完畢后，根據(jù)各分區(qū)所處的類型，選擇適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行減壓降水，其中，第一類選擇的減壓降水方案是在僅在深基坑處進(jìn)行處理；第二類選擇的減壓降水方案是在開(kāi)挖最后一層土方前，將降壓井開(kāi)啟，實(shí)際降壓幅度為中等；對(duì)于第三類別，由于其挖深是類別中最深的，并且GL這一區(qū)域所采用的施工方法為逆作法，因此，存在較長(zhǎng)的降壓周期，同時(shí)降壓幅度最大。

3 降水設(shè)計(jì)分析

3.1 圍護(hù)與降水的綜合設(shè)計(jì)

抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算中得出，第⑦層中的2層臨界開(kāi)挖深度，⑦1層為15.7 m，⑦2層為18.4 m。由于第一類分區(qū)的減壓降水方式的幅度較小，并且1層厚度為5～7 m，因此，選擇第⑦層中的1層完整井。其他2個(gè)類別的分區(qū)，由于其基坑開(kāi)挖的深度較深，因此，需要選擇混合井，此外，單井出水量與濾管長(zhǎng)度息息相關(guān)，若基坑實(shí)際的開(kāi)挖深度較深，應(yīng)統(tǒng)籌考慮開(kāi)挖與圍護(hù)情況，進(jìn)行濾管加長(zhǎng)，從而避免影響到出水量，各分區(qū)減壓降水需求情況如圖1所示，在了解到實(shí)際的減壓降水需求后，設(shè)置出針對(duì)性的井深，嚴(yán)格按照降水原則開(kāi)展實(shí)際工作，以防止出現(xiàn)超降的情況，對(duì)周圍環(huán)境也起到了良好的保護(hù)［2］。

進(jìn)行圍護(hù)與降水的綜合設(shè)計(jì)，主要的思路是：將減壓井與圍護(hù)止水帷幕進(jìn)行結(jié)合，以承壓水控制要求為主要依據(jù)，對(duì)兩者深度關(guān)系組合進(jìn)行科學(xué)的選取，從而得到最優(yōu)效果。

對(duì)于B1，B2區(qū)域來(lái)講，雖然減壓降水涉及到的幅度較小，不過(guò)因?yàn)橹苓叴嬖谒淼溃诔袎核刂粕嫌休^高的需求，選擇懸掛式降水的方式開(kāi)展實(shí)際工作；對(duì)于K、I區(qū)來(lái)講，其周邊環(huán)境較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有要重點(diǎn)保護(hù)的對(duì)象。同時(shí)，減壓降水所涉及到的幅度也比較小，通過(guò)綜合分析，最終選擇敞開(kāi)式降水開(kāi)展實(shí)際工作。除去以上區(qū)域，剩余位置減壓降水涉及幅度較大，周期也較長(zhǎng)，都是整體減壓降水，對(duì)周圍環(huán)境會(huì)產(chǎn)生一定的影響，實(shí)際選擇的降水方式為懸掛式降水，具體形式如表3所示。

表3 減壓井與止水帷幕底部埋深情況Tab.3 Burial Depths at the Bottom of the Decompression Well and the Watertight Curtain

3.2 基坑降水地質(zhì)概念模型

與以上研究結(jié)果相結(jié)合，進(jìn)行模型建立，經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算，得出相應(yīng)的減壓井?dāng)?shù)量，并且對(duì)懸掛止水帷幕長(zhǎng)度設(shè)計(jì)得是否合理進(jìn)行檢驗(yàn)。

實(shí)際計(jì)算中，整體設(shè)定為松散沉積層，同時(shí)將其設(shè)置為水文地質(zhì)概念模型，為防止由于邊界不確定，造成的計(jì)算結(jié)果不具備真實(shí)性，以遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)為主要原則，將基坑中心設(shè)置成起點(diǎn)，計(jì)算區(qū)中存在各個(gè)水層，如弱透水層等，均參與到實(shí)際的計(jì)算中，均將其帶入到概念模型中［3］。在模型概化后，所存在的含水層從下至上的順序?yàn)椋菏紫龋冖?層中的承壓含水層；其次，第⑦1層中的承壓含水層；再次，弱透水層；最后，潛水含水層。

3.3 基坑群降水?dāng)?shù)值模型

在滲流模型中，將基坑群全部輸入，開(kāi)展實(shí)際計(jì)算，該模型總共有5層，實(shí)際大小為1 500 m×1 500 m。隨后，通過(guò)模擬軟件，實(shí)施離散處理，同時(shí)，進(jìn)行基坑群差異化耦合降水?dāng)?shù)值模型的構(gòu)建。

實(shí)際的降水分析環(huán)節(jié)，較為主要的工作是要清晰了解各分區(qū)的實(shí)際施工順序，以進(jìn)度計(jì)劃為依據(jù)，共將本工程施工分為3期，其中，A，K區(qū)為第一期；T1，H，J1以及B1區(qū)為第二期；而B(niǎo)2，F(xiàn)以及GL區(qū)為第三期。處于同一施工期內(nèi)的基坑施工，可以進(jìn)行交叉施工，也可同步施工，因?yàn)榇嬖谳^長(zhǎng)的施工間隔，所以不用擔(dān)心會(huì)受到前期降水的干擾。

在交叉施工及同步施工的工況模擬中，可以通過(guò)改變各減壓井運(yùn)行時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)坑內(nèi)外水位實(shí)際情況進(jìn)行計(jì)算，如表4所示。

表4 坑內(nèi)外水位情況Tab.4 Water Levels Inside and Outside the Pit

通過(guò)對(duì)表4進(jìn)行分析，比較坑外水位降深與坑內(nèi)水位降深，通常前者的數(shù)值較小，這一結(jié)果可以說(shuō)明，在該項(xiàng)工程中，選擇差異化降水的方式，可行性較高，可以降低對(duì)周邊地面沉降的不良影響，保證周圍建筑的安全性。

4 實(shí)際運(yùn)行

4.1 減壓降水效果

通過(guò)實(shí)際計(jì)算后，得出降水設(shè)計(jì)的相關(guān)結(jié)果，以此為依據(jù)開(kāi)展實(shí)際的減壓降水施工工作，共分為3期進(jìn)行，A，K區(qū)的施工為第一期，T1，H，J1以及B1區(qū)的施工為第二期，B2，F(xiàn)以及GL區(qū)的施工為第三期。實(shí)際施工工況和設(shè)計(jì)階段得出的工況較為符合。

在實(shí)施正式的減壓降水前，需要開(kāi)展生產(chǎn)性試驗(yàn)，在降水參數(shù)上，和之前做的群井試驗(yàn)不同，單井穩(wěn)定出水量有比較明顯的減小趨勢(shì)，達(dá)到了25%左右，完整井的單井平均出水量在4.5 m3/h左右，混合井單井出水量在15～20 m3/h左右，在實(shí)際設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已經(jīng)實(shí)施了折減處理；同時(shí)，實(shí)際減壓降水時(shí)間得到比較明顯的減少，在勘察階段，水位穩(wěn)定需要大概10 h，在生產(chǎn)性試驗(yàn)階段，水位穩(wěn)定在2 h左右即可實(shí)現(xiàn)［4］。

該工程的實(shí)踐環(huán)節(jié)，減壓降水取得了較好的效果，有效解決了承壓水突涌問(wèn)題，工程施工過(guò)程中，基坑開(kāi)挖工作具有較高的安全性［5］。

4.2 周邊水位變化情況比較

本項(xiàng)目降水施工環(huán)節(jié)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坑內(nèi)外的水位情況，對(duì)其中具有代表性的基坑做出實(shí)際的分析研究。

首先，分析止水帷幕深度與減壓降水效果的關(guān)系，在B1以及K兩區(qū)域，其具備相同的減壓降水需求，不過(guò)，由于周邊環(huán)境不同，兩區(qū)域的止水帷幕深度也存在差異。在實(shí)際的數(shù)值分析中得出，完成減壓降水施工后，B1區(qū)位置處的坑外水位降深在2.5 m左右，而K區(qū)位置處在4 m左右，從而說(shuō)明，坑外降水效果與止水帷幕深度成正比，后者深度越大，則效果越好［6］。

通過(guò)驗(yàn)證坑外實(shí)測(cè)水位數(shù)據(jù)得出，實(shí)際的計(jì)算結(jié)果可信度較高，兩位置處的水位降深趨勢(shì)基本相同，通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得出，在坑內(nèi)的水位降深一致時(shí)，K區(qū)位置處的坑外水位降深在3.6 m左右，而B(niǎo)1區(qū)位置處的坑外水位降深不超過(guò)2 m，如圖2所示，在B1區(qū)位置處，存在較小的水位降深，在坑內(nèi)水位滿足要求時(shí)［7］，不會(huì)因?yàn)榭油馑幌陆?，造成地面沉降等不良情況。在進(jìn)行圍護(hù)與降水的綜合設(shè)計(jì)過(guò)程中，要考慮多方面因素，選擇合理的止水帷幕及減壓井深度，才可達(dá)到實(shí)際效果，保證工程施工安全。

圖2 B1與K區(qū)位置處坑外實(shí)測(cè)水位降深比較Fig.2 Comparison Chart of Measured Drop in Water Level Outside the Pit at Locations B1 and K

其次，T1區(qū)與H區(qū)兩者相互影響，所有基坑實(shí)際施工環(huán)節(jié)，無(wú)論是同步施工，還是交叉進(jìn)行施工，其相應(yīng)的地下水滲流場(chǎng)都會(huì)出現(xiàn)相互影響的情況，在兩區(qū)域中，最近的基坑距離僅為35 m，此外，兩區(qū)域施工重疊時(shí)間為55 d，對(duì)耦合模擬計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，這兩個(gè)區(qū)域存在較為明顯的疊加效應(yīng)，6.5 m的水位降深會(huì)受到共同影響［8］。

實(shí)際施工環(huán)節(jié)中，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果做到了有效驗(yàn)證，H區(qū)位置處的水位降深情況如圖3所示，相應(yīng)觀測(cè)點(diǎn)情況如圖4所示，受到T1區(qū)位置降水施工影響，與其最近位置處的觀測(cè)點(diǎn)1，其水位降深大約在7.3 m，而與其距離稍遠(yuǎn)位置處的觀測(cè)點(diǎn)2，其水位降深為5.2 m，而不在其影響范圍內(nèi)的其他觀測(cè)點(diǎn)［9］，其水位深度則為3.5～3.8 m，由此可以看出，T1區(qū)位置處的降水施工，會(huì)對(duì)H區(qū)位置處的水位降深產(chǎn)生影響［10］。

圖3 H區(qū)位置處水位降深情況Fig.3 Depth of Water Level at Location H

圖4 H區(qū)位置處水位觀測(cè)點(diǎn)分布Fig.4 Distribution of Water Level Observation Points at the Location of H Area

5 總結(jié)

通過(guò)本文研究可知：超大規(guī)模基坑群施工中，施工前期通過(guò)相應(yīng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)所處環(huán)境進(jìn)行評(píng)價(jià)，選擇圍護(hù)與降水綜合設(shè)計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)止水帷幕及減壓井深度的選擇進(jìn)行綜合的考慮，才能使止水帷幕發(fā)揮出自身作用，在不同挖深基坑中應(yīng)用，都能取得良好的效果；在各基坑降水施工中，會(huì)存在疊加耦合效應(yīng)，進(jìn)而影響到周邊環(huán)境。應(yīng)用耦合數(shù)值模型，對(duì)減壓井?dāng)?shù)量進(jìn)行優(yōu)化，會(huì)有效提升設(shè)計(jì)準(zhǔn)確性，降低評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)；在工程實(shí)踐中可以看出，該模型得出的結(jié)果可靠性較高，可有效指導(dǎo)減壓降水工作的順利開(kāi)展，保證周圍環(huán)境的安全。