深基坑地下水控制方案的對(duì)比分析

遼寧省有色地質(zhì)一〇五隊(duì)有限責(zé)任公司 遼寧 葫蘆島 125000

1 引言

隨著我國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,城鎮(zhèn)化速度加快,城市人口密度增加,導(dǎo)致城市建設(shè)用地日趨緊張,因此,人們?yōu)榱双@得更大的生活空間,向地下和“天空”索求空間越來越成為一種趨勢,而伴隨著城市中一座座高層建筑以及超高層建筑的拔地而起以及軌道交通等地下設(shè)施的興起,城市中的基坑數(shù)量和基坑開挖的深度也在與日俱增[1]。深基坑作為一項(xiàng)臨時(shí)性工程,人們的重視程度往往不足,資料顯示,2000年至2015年的深基坑事故案例中,其中土體整體失穩(wěn)的最大誘因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)、水及地質(zhì)條件差,占比重分別為14.5%,土體變形大的最大誘因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)、水及地質(zhì)條件差,占比重分別為23.1%,坑底隆起的最大誘因?yàn)榭辈焓д`和水及地質(zhì)條件差,占比重分別為21.4%,坑內(nèi)滑坡的最大誘因?yàn)榻蹬潘焕?占比重分別為50%[2],因此結(jié)合水文及地質(zhì)條件,充分考慮周邊環(huán)境,采取適當(dāng)?shù)纳罨拥叵滤刂品桨?是保證基坑使用功能和安全的關(guān)鍵之一。

2 深基坑地下水控制方式

深基坑地下水控制就是為保證支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)的正常施工,防止地下水變化對(duì)基坑周邊環(huán)境產(chǎn)生影響所采用的截水、降水、排水、回灌等措施[3]。按其控制方式分為截水控制方式、降水控制方式、明排控制方式等單獨(dú)或組合使用。

2.1 截水控制方式 截水控制方式是采用連續(xù)攪拌樁、旋噴樁、混凝土連鎖樁或地下連續(xù)墻等工藝形成止水帷幕,阻斷或減少基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,達(dá)到基坑內(nèi)無水作業(yè)的目的,截水帷幕分為落底式帷幕和懸掛式帷幕。落底式帷幕是環(huán)整個(gè)施工基坑的外圍布設(shè)一道環(huán)形封閉的截水帷幕,與基坑底部隔水層形成一個(gè)封閉的、有幫有底的“桶狀結(jié)構(gòu)”,切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系;懸掛式帷幕是指帷幕的底端未穿透含水層的截水帷幕。

1)截水控制方式的優(yōu)點(diǎn)

①基坑開挖和使用過程中,使基坑外的地下水體免受到破壞,有利于周邊建筑物和路面不均勻沉降的控制,可有效確保已有建(構(gòu))筑物的安全。

②截水帷幕形成后,對(duì)基坑周圍的土體穩(wěn)定性有增強(qiáng)作用,相對(duì)于排樁基坑支護(hù)不需要樁間錨噴處理,提高了施工進(jìn)度。

③大幅減少基坑地下水疏干排放量,有利于保護(hù)區(qū)域的地下水資源。

2)截水控制方式的缺點(diǎn)

基坑外測的地下水位不變,增加了基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系抵抗主動(dòng)土壓力和水壓力的強(qiáng)度,經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)大。

2.2 降水水控制方式 降水控制方式是用降水井或滲水井的方式,降低基坑內(nèi)外地下水的水力坡度,以達(dá)到防止地下水通過基坑內(nèi)壁或坑底流入基坑。

1)降水控制方式的優(yōu)點(diǎn)

①設(shè)備相對(duì)簡單、排水量較大、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。

②地下水位降至基坑底部,基坑側(cè)壁土體中的靜水壓力減小,減輕基坑支護(hù)體系抵抗壓力,降低支護(hù)成本,支護(hù)結(jié)構(gòu)也相對(duì)簡單。

2)降水控制方式的缺點(diǎn)

①隨著水土平衡的破壞和部分顆粒的流失,加速了土體固結(jié),容易引起周圍構(gòu)筑物的不均勻沉降,嚴(yán)重者會(huì)影響構(gòu)筑物的使用安全。

②為克服不均勻沉降,需要輔以回灌方式進(jìn)行控制,需要場地較大,輔助設(shè)備較多,容易造成地下水污染。

③大量抽取地下水,會(huì)造成地下水資源的浪費(fèi),同時(shí)會(huì)給市政排水體系造成壓力。

④施工用電量較大,基坑邊緣降水管線密布,對(duì)整體施工布局不利。

2.3 明排控制方式 通過集水溝、集水井匯集地表水或基坑滲水,再排泄到外排系統(tǒng),通常作為輔助方法配合截水控制方式或降水控制方式使用。

3 深基坑地下水控制方式選取原則

深基坑地下水控制方式的選取,是與基坑整體的安全性、經(jīng)濟(jì)性、適用性綜合考慮的,比選的前提是可靠的地質(zhì)資料和參數(shù)、詳實(shí)的周邊環(huán)境資料、交通條件等等。

3.1 安全性原則 深基坑安全性包括基坑支護(hù)體系安全性和周邊環(huán)境安全性兩個(gè)方面,因此選擇地下水控制方案時(shí),應(yīng)綜合這兩個(gè)方面進(jìn)行考慮,首先保證工程本身的安全性,確保地下結(jié)構(gòu)施工空間干作業(yè)的需要和安全使用的需要;再則基坑周邊構(gòu)筑物和環(huán)境的安全,比如周邊構(gòu)筑物、管線等對(duì)沉降比較敏感或附近由地表水源需要保護(hù)等,則需要優(yōu)先考慮截水控制。因截水控制方式基坑外側(cè)的地下水位不變,需滿足基坑安全性的支護(hù)體系相對(duì)增大,對(duì)設(shè)計(jì)者和施工者都提出了較高的要求。

3.2 經(jīng)濟(jì)性原則 截水控制方式原則上保持了基坑周邊水土結(jié)構(gòu),在支護(hù)結(jié)構(gòu)體系投入增大,比如支護(hù)樁和內(nèi)撐截面增大、配筋率增加、混凝土級(jí)別提高等,又增加截水帷幕,投入較大;降水控制方式設(shè)備相對(duì)簡單、排水量較大、易于維護(hù)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用,但需考慮行政部門收取水資源費(fèi)和污水排放費(fèi)。作者在對(duì)某基坑樁錨支護(hù)+降水控制方式方案(第一種方案)和樁錨支護(hù)+截水控制方式方案(第二種方案)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)對(duì)比。從設(shè)計(jì)工作量和主要材料使用量上對(duì)比分析,第二種方案所需要的鋼材、砼、錨索及水泥用量要高于第一種方案,但降水井和降水臺(tái)班及施工用電量均少于第一種方案,若第一種方案考慮施工中需要長期備用一臺(tái)大功率發(fā)電機(jī)組(設(shè)備停滯費(fèi))和抽排水行政繳費(fèi)等,在控水周期8個(gè)月時(shí),兩種方案總體費(fèi)用應(yīng)該基本持平。若隨著時(shí)間的地下水控制周期延長,則截水帷幕方案的優(yōu)勢將更加明顯。

經(jīng)濟(jì)性對(duì)比是基于同等條件下不同方案全壽命周期進(jìn)行的,總體講降水控制方式前期投入優(yōu)于截水控制方式,若地下水控制周期長過經(jīng)濟(jì)“平衡點(diǎn)”,兩種方式的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢則發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

3.3 社會(huì)效益方面 隨著城市過程與發(fā)展,城市范圍擴(kuò)大,大規(guī)模硬化覆蓋,這就造成不透水層增加,使下滲量和蒸發(fā)量減少,地表徑流和徑流總量增加,使得雨水流很快排入市政管網(wǎng)[4]。采用降水控制方式時(shí),局部長時(shí)間大量抽取地下水,土體顆粒間的孔隙水排出,土體壓縮變形,即產(chǎn)生沉降。現(xiàn)在主要結(jié)合回灌措施,來改變基坑外側(cè)的水力坡度,達(dá)到減少地層變形量的目的。回灌水滲透是一個(gè)復(fù)雜的過程,與地層滲透性和給水壓力有關(guān),若地層滲透性差或者復(fù)雜,則回灌效果會(huì)很難實(shí)現(xiàn)。在自然降水補(bǔ)給面很小、人為補(bǔ)給不確定性較多的情況下,一旦打破局部水資源平衡,恢復(fù)周期會(huì)很漫長。因此截水控制方式更有利于保護(hù)區(qū)域的地下水資源。

4 結(jié)語

很多城市地下水采取量超過其補(bǔ)給量,引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降,可引起地面下沉、地裂及地面塌陷、海水倒灌等嚴(yán)重環(huán)境地質(zhì)問題,因此地下水的保護(hù)越來越引起重視。

通過對(duì)截水控制方式和降水控制方式優(yōu)缺點(diǎn)和深基坑地下水控制方式選取原則的分析,建議如下:

1)加強(qiáng)地方行政方面的指導(dǎo)、規(guī)范,引導(dǎo)投資方提高地下水資源保護(hù)意識(shí)。

2)基坑設(shè)計(jì)者在考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的同時(shí),也應(yīng)注重社會(huì)效益方面。