全封閉式深基坑密閉性試驗(yàn)方法及分析

謝 飛

中國(guó)核工業(yè)華興建設(shè)有限公司 江蘇 南京 210019

根據(jù)不同的地質(zhì)條件和支護(hù)形式，深基坑工程在降水井的設(shè)置及降水施工方面差異較大。涉及深基坑工程需降水施工的項(xiàng)目，在進(jìn)行正式降水前均需進(jìn)行降水試驗(yàn)，通過(guò)降水試驗(yàn)判定降水井設(shè)置的合理性，同時(shí)通過(guò)降水試驗(yàn)進(jìn)行基坑支護(hù)體系的密閉性檢測(cè)，為基坑土方開挖及支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。本文通過(guò)工程實(shí)例，介紹基坑降水試驗(yàn)及分析方法。

1 工程概況

背景工程為地下5層、地上47層建筑，建筑面積約為18.47萬(wàn) m2，高度223 m，基坑開挖深度普遍區(qū)為22.0 m，塔樓核心筒坑中坑開挖深度30.8 m，屬于典型的超大深基坑工程。

該工程裙樓采用全逆作法施工，塔樓采用順作法施工。基坑支護(hù)體系為地下連續(xù)墻，裙樓逆作區(qū)為“兩墻合一”設(shè)計(jì)。地下連續(xù)墻既作為基坑開挖階段的擋土止水圍護(hù)體，又作為地下室結(jié)構(gòu)外墻，地下室各層水平結(jié)構(gòu)作為基坑開挖過(guò)程中的水平支撐體系。

2 周邊環(huán)境情況

2.1 北鄰地鐵隧道

基坑北側(cè)有地鐵隧道（圖1），隧道距離北側(cè)地下室外墻12 m，隧道底標(biāo)高－15.75 m，工程基坑底標(biāo)高為－22.00、－30.80 m。

圖1 基坑與隧道剖面關(guān)系

因與地鐵隧道距離近，且開挖深度超過(guò)隧道的埋深，因此基坑開挖變形控制尤為關(guān)鍵。

2.2 南鄰保護(hù)建筑

基坑西南側(cè)，距離基坑外墻3.12 m處為省級(jí)文物保護(hù)建筑天主教堂（圖2），該天主教堂建筑年代久遠(yuǎn)，基礎(chǔ)采用天然淺基礎(chǔ)。

圖2 南側(cè)基坑與天主教堂剖面關(guān)系

2.3 周邊其他情況

基坑?xùn)|鄰其他超高層建筑，距離15～30 m；西鄰某巷，道路紅線寬12 m，東南側(cè)鄰某住宅小區(qū)地下室，最近距離為2 m。

3 地質(zhì)及水文情況

3.1 地質(zhì)情況

根據(jù)勘探結(jié)果，基坑開挖范圍內(nèi)土層為：人工堆積土層（①1雜填土、①2素填土、①2a淤泥質(zhì)填土），坳溝的軟弱土層（②1粉質(zhì)黏土、②2粉質(zhì)黏土）及階地上的沉積土層（③1粉質(zhì)黏土、③2粉質(zhì)黏土、③3層粉質(zhì)黏土和粉土、③3a粉砂夾粉質(zhì)黏土、④含卵礫石粉質(zhì)黏土、④a粉質(zhì)黏土）和強(qiáng)風(fēng)化巖。

表層人工堆積土層填料雜亂，結(jié)構(gòu)松散，密實(shí)度差，開挖面不穩(wěn)定，開挖極易坍塌，透水性較好。坳溝范圍內(nèi)的②2層土質(zhì)較差，開挖易流動(dòng)，使開挖面產(chǎn)生側(cè)向變形。階地上的沉積土層中的③3a、④層透水性較好，開挖易坍塌；其余土層工程性質(zhì)較好，透水性弱，開挖面穩(wěn)定性較好。強(qiáng)風(fēng)化巖滲透性弱，開挖面穩(wěn)定性較好。

3.2 水文情況

基坑開挖深度范圍地下水較豐富，涉及3層含水層。包括潛水含水層、第1承壓含水層和第2承壓含水層。

1）潛水含水層厚度較大，除填土層滲透性較強(qiáng)外，其余土層滲透性較弱。所以，人工填土層為基坑施工中主要出水地層。

2）第1承壓含水層（③3a層）分布不均勻，厚度變化較大，該含水層滲透性較強(qiáng)，含水量較豐富。

3）第2承壓含水層（④層）埋深、厚度變化較大，分布連續(xù)，滲透性較強(qiáng)。

潛水含水層、第1承壓含水層基坑開挖施工時(shí)已經(jīng)基本挖除，基坑開挖時(shí)僅需進(jìn)行疏干排水。第2承壓含水層位于地下室底板附近，為防止基坑涌水，基坑開挖前應(yīng)設(shè)置降水井。

4 降水井及監(jiān)測(cè)井的布置

本工程基坑內(nèi)共計(jì)布置30口疏干井，其中塔樓基坑6口，裙樓基坑24口。

疏干井采用旋挖機(jī)進(jìn)行成井，直徑700 mm，深井裙樓區(qū)域?yàn)?6 m，塔樓區(qū)域?yàn)?6、35 m共2種。疏干井井管采用φ273 mm濾水管，壁厚3 mm；疏干井井管采用實(shí)管和帶濾水孔的濾管進(jìn)行加工，濾水管孔隙率大于50%，采用橋式濾水管。

井管底部采用厚3 mm鋼板進(jìn)行封堵處理，單節(jié)管之間接頭采用焊接連接，焊接嚴(yán)密。濾水管外包裹1層40目（孔徑0.42 mm）鋼絲濾網(wǎng)，濾網(wǎng)采用鐵絲綁扎牢固。降水井剖面構(gòu)造如圖3所示。

圖3 降水井剖面構(gòu)造

5 基坑降水計(jì)算

5.1 基坑總含水量計(jì)算

因本工程基坑支護(hù)采用地下連續(xù)墻，且墻體底部入巖層，屬于理論上的封閉式基坑，因此在進(jìn)行基坑降水計(jì)算時(shí)，按全封閉基坑降水量公式[1]計(jì)算總含水量：

式中：Q——基坑內(nèi)降水量；

A——基坑的平面面積；

S——水位降低深度；

i——降水的坡度，可取0.1；

r ——降水半徑，取r＝хo/2，хo為基坑假想半徑，хo＝（A/π）1/2；

μ——基坑內(nèi)土體的給水度，取經(jīng)驗(yàn)值0.085。

經(jīng)計(jì)算，Q＝17 263 m3。因基坑設(shè)計(jì)為全封閉式基坑，因此可按全封閉式基坑降水考慮。假定基坑按提前10 d降水考慮，每天降水量應(yīng)為1 726.3 m3，以此對(duì)基坑降水井的數(shù)量進(jìn)行復(fù)核。

5.2 單井出水量核算

現(xiàn)場(chǎng)選用24臺(tái)XY80QJ2-70/12-1.1不銹鋼油浸式井用潛水泵，功率1.4 kW，最大流量5 m3/h，揚(yáng)程90 m。

根據(jù)所選用的水泵型號(hào)，并取折減系數(shù)為0.5（按每天12 h抽水啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算），計(jì)算每臺(tái)水泵每天的實(shí)際出水量為60 m3，因基坑含水總量為17 263 m3，將全部啟動(dòng)水泵進(jìn)行抽水，基坑水全部抽完所需時(shí)間為17 263/（60×24）＝11.98 d，按12 d考慮。

當(dāng)基坑支護(hù)、止水帷幕、地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)施工達(dá)到理論效果，并實(shí)現(xiàn)基坑封閉作用時(shí)，基坑外的地下水不會(huì)涌入、滲漏至基坑內(nèi)，按照基坑設(shè)置的降水井及降水量，可以在預(yù)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行降水疏干；反之，可以通過(guò)降水試驗(yàn)判定基坑止水帷幕、地下連續(xù)墻等存在滲漏或地下連續(xù)墻根部未能有效阻斷地下水。

6 降水試驗(yàn)

6.1 降水試驗(yàn)井位選擇

為確保降水試驗(yàn)的準(zhǔn)確性和降水試驗(yàn)對(duì)基坑封閉情況檢驗(yàn)的針對(duì)性，在降水試驗(yàn)階段降水井選擇時(shí)，宜盡量選擇靠近基坑邊緣的降水井。同時(shí)，與降水井對(duì)應(yīng)的基坑外側(cè)的水位觀測(cè)井（承壓水）宜與基坑內(nèi)降水井一一對(duì)應(yīng)，這樣啟動(dòng)降水階段分析的數(shù)據(jù)于實(shí)際對(duì)應(yīng)的觀測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)分析更有利[2]。降水試驗(yàn)井位選擇如圖4所示。

圖4 降水試驗(yàn)井點(diǎn)選擇

6.2 降水試驗(yàn)

在降水試驗(yàn)之前，先對(duì)疏干井以及監(jiān)測(cè)井的頂口標(biāo)高和初始水位進(jìn)行測(cè)量。

降水試驗(yàn)階段以選擇的坑內(nèi)疏干井一次性抽干的方式，停抽一段時(shí)間（2～4 h不等），待水位回升后再抽干，如此往復(fù)。連續(xù)10 d，不間斷地啟動(dòng)抽水泵對(duì)每天疏干井匯集的水進(jìn)行抽排。在每個(gè)降水井的抽水管中安裝水表，以記錄每天和累計(jì)的抽水量。

試驗(yàn)期間對(duì)疏干井水位以及監(jiān)測(cè)井水位進(jìn)行測(cè)量，每天2～3次，并且記錄下疏干井水表的讀數(shù)，計(jì)算總抽水量。

本工程抽水試驗(yàn)從5月6日正式啟動(dòng)，5月13日結(jié)束。進(jìn)行基坑抽水試驗(yàn)期間，裙樓基坑同步進(jìn)行人工挖孔樁施工，因北側(cè)與地鐵隧道鄰近，故主要驗(yàn)證北側(cè)地下連續(xù)墻的質(zhì)量（地下連續(xù)墻底部止水及墻身滲漏）情況。

6.3 降水試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及分析

經(jīng)連續(xù)10 d的降水試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，按照基坑內(nèi)疏干井及基坑外承壓水觀測(cè)井水位變化的數(shù)值，采用曲線圖繪制出數(shù)據(jù)變化，以此進(jìn)行分析（圖5）。

由以上水位變化曲線可以看出，CYSW-2、CYSW-3、CYSW-5變化幅度比較大，變化不平穩(wěn)，且降水試驗(yàn)期間觀測(cè)井的水位變化值均大于1 000 mm，超過(guò)設(shè)計(jì)及監(jiān)測(cè)方案允許值。其余各點(diǎn)位變化幅度不大，相對(duì)穩(wěn)定。

圖5 坑外觀測(cè)井和坑內(nèi)降水井抽水試驗(yàn)變化曲線

總體來(lái)說(shuō)，最終水位相比初始水位，除了CYSW-3水位后續(xù)出現(xiàn)上升以外，其余井水位都有不同程度的下降。

經(jīng)分析統(tǒng)計(jì)并與設(shè)計(jì)、地下連續(xù)墻施工單位溝通后得知，施工圖紙上在地下連續(xù)墻接縫的地方?jīng)]有旋噴止水，只在地下連續(xù)墻內(nèi)外側(cè)采用了三軸水泥土攪拌樁施工，如三軸水泥土攪拌樁施工中存在局部缺陷，對(duì)地基原狀土產(chǎn)生破壞，則接縫處極有可能產(chǎn)生滲漏?？紤]原設(shè)計(jì)時(shí)已施工三軸水泥土攪拌樁，因此，地下連續(xù)墻施工單位在施工過(guò)程中，北側(cè)沒(méi)有做墻體接縫處的高壓旋噴，初步推測(cè)可能由于地下連續(xù)墻部分接縫滲水而導(dǎo)致監(jiān)測(cè)井水位下降。

6.4 降水試驗(yàn)后注漿處理

經(jīng)分析討論，為確保北側(cè)地下連續(xù)墻接縫止水效果，在北側(cè)地下連續(xù)墻接縫處外側(cè)采用二次高壓旋噴注漿。2012年5月15日，地下連續(xù)墻施工單位北側(cè)高壓旋噴注漿機(jī)械進(jìn)場(chǎng)，對(duì)北側(cè)進(jìn)行加固注漿處理；2012年5月16日，建設(shè)單位委托專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)北側(cè)地下連續(xù)墻采用聲吶法進(jìn)行檢測(cè)。聲吶監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，在未進(jìn)行注漿處理前，地下連續(xù)墻接縫及根部存在不同程度的滲漏。

高壓旋噴注漿處理后，在基坑內(nèi)降水井和人工挖孔樁施工階段，降水及監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，基坑外水位變化基本趨于平穩(wěn)，但仍然出現(xiàn)水位變化有超值現(xiàn)象，同時(shí)地鐵側(cè)出現(xiàn)反復(fù)變形，經(jīng)地鐵設(shè)計(jì)院和地鐵公司專家多次針對(duì)變化數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、討論，變形與地鐵隧道本身所處地質(zhì)條件和隧道施工方法也有關(guān)，隧道處于安全可控狀態(tài)。

7 基坑土方開挖驗(yàn)證

裙樓基坑土方分層開挖后，地下連續(xù)墻逐步全面暴露，直觀可見地下連續(xù)墻的成形質(zhì)量總體良好；土方開挖至第3層土方（裙樓B2板），深度約－13.0 m地下連續(xù)墻接縫位置有局部滲漏情況，但滲漏點(diǎn)總體較好，未出現(xiàn)大面積和較為嚴(yán)重的滲漏情況，出現(xiàn)滲漏的位置與前期降水試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的水位變化異常的區(qū)域相吻合。

8 結(jié)語(yǔ)

1）基坑降水要充分掌握工程場(chǎng)地地質(zhì)和水文情況，必須進(jìn)行降水試驗(yàn)，以確保降水方案的科學(xué)合理性。更為重要的是，降水試驗(yàn)可以提前預(yù)測(cè)和掌握基坑支護(hù)體系密閉性，以便提前對(duì)基坑護(hù)壁進(jìn)行加固處理。

2）深基坑密閉性降水試驗(yàn)，應(yīng)盡量設(shè)計(jì)為坑外觀測(cè)井的平面位置與坑內(nèi)的降水井（疏干井）一一對(duì)應(yīng)，并應(yīng)盡量設(shè)置在地下連續(xù)墻接縫位置，以便更直觀、科學(xué)合理地掌握降水試驗(yàn)的真實(shí)性，同時(shí)也是降水試驗(yàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)吻合性判定的基礎(chǔ)，否則降水試驗(yàn)將難以判定問(wèn)題。

3）采用全封閉式降水方案時(shí)，降水井的深度應(yīng)小于止水帷幕的深度。這樣，止水帷幕、降水井才能起到相應(yīng)的作用。否則，降水井的深度穿透底部的隔水層或深度超過(guò)止水帷幕時(shí)，降水井會(huì)形成一個(gè)導(dǎo)水通道，從而不能對(duì)基坑有效降水。

4）運(yùn)用全封閉降水方案時(shí)，如果基坑下有承壓水，基坑開挖減少了含水層上覆蓋的不透水層厚度時(shí)，承壓水的水頭壓力有可能頂裂底板，造成突涌現(xiàn)象。因此，對(duì)于有承壓水層的基坑，應(yīng)設(shè)置承壓水井（降壓井），以此減少承壓水層的水頭，控制基坑底板的穩(wěn)定。

5）全封閉降水施工時(shí)，可根據(jù)土層的滲透系數(shù)確定降水的提前量，并根據(jù)土方開挖的進(jìn)度調(diào)節(jié)降水量，以確保降水量達(dá)到最優(yōu)效果。

6）降水井?dāng)?shù)量與降水時(shí)間成反比關(guān)系，通過(guò)降水試驗(yàn)反復(fù)調(diào)整兩者關(guān)系，可實(shí)現(xiàn)降水效果與成本之間最佳方案的確認(rèn)。

7）降水試驗(yàn)可選擇單井和群井方式，但進(jìn)行試驗(yàn)階段，必須與坑外觀測(cè)井對(duì)應(yīng)，方可有效對(duì)應(yīng)分析，找出基坑密閉性可能出現(xiàn)的問(wèn)題。