軟土地區(qū)超大深基坑開挖中的地下水控制技術(shù)及工程案例

張 弛

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

0 引 言

軟土地區(qū)超大深基坑工程面臨的主要風(fēng)險(xiǎn)是由地下水引起的基坑本體,以及基坑變形引起的對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)[1]?；颖倔w風(fēng)險(xiǎn)主要包括支護(hù)體系失穩(wěn)破壞、地下連續(xù)墻滲漏,以及基坑突涌等。對周邊環(huán)境的影響則主要包括,由基坑開挖或降承壓水引起的坑外土體的變形引發(fā)的坑外構(gòu)筑物、地鐵、管線等發(fā)生不均勻的沉降或破壞。

地下水控制是巖土工程中的重要問題,并廣泛地應(yīng)用在基坑工程、隧道工程,和邊坡工程中。地下水控制方法大體分為三種:一、降水;二、隔水;三、兩者結(jié)合[2]。降水是指人工降低地下水位,將基坑內(nèi)水位降到開挖線以下,在其降水的范圍內(nèi)形成降水漏斗。其缺點(diǎn)是會引起周邊地面的沉降。隔水是設(shè)置防水帷幕,包括水平向和豎直向防水帷幕,用以切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系。對于軟土地區(qū)的超大深基坑而言,由于基坑面積越來越大,開挖深度越來越深,項(xiàng)目綜合體各分區(qū)同時(shí)施工,會形成各基坑相互聯(lián)系而共同組成基坑群。因而在實(shí)際施工此類超大超深基坑中,需要考慮群坑效應(yīng),并采用圍護(hù)-降水一體化的設(shè)計(jì)[3]。

1 概 述

以超大超深基坑的地下水控制技術(shù)為例,基坑開挖過程中水的來源基本包含地表水(上層滯水)、潛水,和承壓水三類[4]。地表水的排水措施根據(jù)表層土的情況確定。對于密實(shí)度高、含水量不大的表層土采用明排。對于松散、含水量大的表層土,則采用隔滲措施或設(shè)集水井排水。潛水通常處于地質(zhì)淺部的粉土、粉砂層。常用的地下控制方法有輕型井點(diǎn)及多點(diǎn)淺井,或帶反濾層的大井降水。承壓水的處理通常也有隔水、降壓,和封底三種技術(shù)手段。

2 地下水控制技術(shù)

目前成熟且應(yīng)用廣泛的地下水控制技術(shù),按照降水方式的不同分為:明排、止水帷幕、井點(diǎn)降水(減壓)、引滲,和回灌等。其中井點(diǎn)又分為:輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn),和電滲井點(diǎn)。

2.1 明排

基坑開挖時(shí),沿坑底四周開挖排水溝,在排水溝內(nèi)每隔一定距離設(shè)置集水井,基坑挖土?xí)r滲出的水,經(jīng)排水溝流向集水井,再用潛水泵抽出基坑。隨基坑開挖深度增加,排水溝和集水井也隨之下移。明排法適用于含水層較薄、降水深度較小(一般不超過2 m)、不易產(chǎn)生流沙、流土、管涌和塌陷等現(xiàn)象的黏性土、砂土和碎石土地層?；拥叵滤怀^基礎(chǔ)底板標(biāo)高不大于2.0 m,滲透系數(shù)小于0.5 m/d,降水深度小于2.0 m?？蓡为?dú)使用或組合使用。

2.1.1 坑底排水

一般來說,排水溝低于基坑0.3～0.4 m,集水井低于排水溝0.8～1.0 m,排水溝可以是明溝,也可以填入滲透性較好的砂石做成的盲溝。

2.1.2 基坑側(cè)壁排水

當(dāng)基坑深度范圍內(nèi)有多個含水層,由于不能完全疏干含水層中的地下水,基坑側(cè)壁出現(xiàn)分層滲水時(shí),應(yīng)在各含水層底部設(shè)置導(dǎo)水管,將地下水導(dǎo)出。

2.2 止水帷幕

基坑開挖前環(huán)繞基坑四周做封閉的止水帷幕,阻止地下水向基坑內(nèi)流動,實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)無水。止水帷幕截水方法幾乎不受工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的限制,在軟土地區(qū)或基坑臨近大型地面水體時(shí)尤為適用。止水帷幕根據(jù)其底部是否插入下臥不透水層,分為落底式和懸掛式兩種。對于落底式豎向隔水帷幕,其插入下臥不透水層的深度可按《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-99)的規(guī)定執(zhí)行,即:

l=0.2hw-0.5b

(1)

式中:l為帷幕插入不透水層的深度;hw為作用水頭;b為帷幕厚度。止水帷幕還應(yīng)進(jìn)行基坑底的抗管涌驗(yàn)算?；娱_挖后,地下水在基坑內(nèi)外形成水頭差h′,基坑底以下的土浸在水中,其有效重度為浮容重γ′。當(dāng)?shù)叵滤南蛏蠞B流力j≥γ′ 時(shí),土粒出于懸浮狀態(tài),于坑底產(chǎn)生管涌現(xiàn)象。要避免管涌現(xiàn)象產(chǎn)生,則要求:

γ′≥Kj

(2)

(3)

式中:L為滲流路徑計(jì)算長度。以上海規(guī)范為例,計(jì)算滲流計(jì)算長度為垂直向滲流路徑的1.5倍。則可得出不發(fā)生管涌的條件為:

(4)

因?yàn)橛?

(5)

(6)

則不發(fā)生管涌的條件還可寫為:

(7)

式中:Jcr為臨界水力坡度;Gs為土的比重;e為土的孔隙比;n為土的孔隙度。當(dāng)抗?jié)B流驗(yàn)算不滿足時(shí),應(yīng)考慮增加隔水帷幕插入基坑底以下的深度,或坑外增加降水或減壓措施。當(dāng)基坑底位于深厚含水層,且含水層滲透性較強(qiáng)時(shí),可采用懸掛式隔水帷幕與水平封底或坑內(nèi)井點(diǎn)降水相結(jié)合的方案。

2.3 降水井

常用的井點(diǎn)根據(jù)降水原理的不同,可分為真空井點(diǎn)、輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)和管井等。

2.3.1 真空井點(diǎn)

真空井點(diǎn)降低地下水位,是沿基坑四周或一側(cè),以一定的間距將較細(xì)的井點(diǎn)管沉入含水層中,井點(diǎn)管上部與總管相連,通過總管利用真空泵將地下水從井點(diǎn)管中不斷抽出,以達(dá)到降低地下水位的目的。

真空井點(diǎn)法適用于滲透系數(shù)為0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地層,適用于抽降上層滯水或水量不大的潛水。受真空泵工作原理限制,單級真空井點(diǎn)法降水深度不超過6 m,如基坑較深則需采用多級井點(diǎn),這需要有足夠的場地條件。

2.3.2 輕型井點(diǎn)

如用井點(diǎn)設(shè)備降低地下水時(shí),水位的降低會引起土體固結(jié),使周圍地面產(chǎn)生降沉,如不采取措施,亦會危及基坑附近的建筑物、地下管線和道路。深基坑的開挖,基坑的變形和周圍地面的沉降是施工中亟待解決的問題之一。

2.3.3 噴射井點(diǎn)

噴射井點(diǎn)有噴水井點(diǎn)和噴氣井點(diǎn)兩種,其工作原理相同,只是工作流體不同。前者以壓力水作為工作流體,后者以壓縮空氣為工作流體。與真空井點(diǎn)不同的是,真空井點(diǎn)是在真空泵的作用下,在包括集水箱、總管和井點(diǎn)管的整個系統(tǒng)內(nèi)形成一定程度的真空,而噴射井點(diǎn)是通過高速水流或氣流在噴嘴處形成真空,在井點(diǎn)管內(nèi)形成最大限度的真空度。

噴射井點(diǎn)法適用于滲透系數(shù)為0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地層,適用于抽降上層滯水或水量不大的潛水,其降水深度可達(dá)20 m。

2.3.4 管井

管井降水系統(tǒng)由井管和抽水設(shè)備組成,井管由井壁管和過濾器兩部分組成,目前常用的是無砂混凝土管。抽水設(shè)備根據(jù)不同的降水深度及出水量要求,選用合適揚(yáng)程和流量的離心式水泵、深井潛水泵或深井泵。管井降水適用于滲透系數(shù)為1.0～200 m/d的粉土、砂土、碎石土地層,尤其適用于水量較大的潛水或承壓水層,其降水深度超過5 m,其應(yīng)用最廣。

2.4 減壓井

當(dāng)基坑坑底為不透水層或弱透水層,其下為承壓水層時(shí),基坑開挖后,下伏的承壓水可能使基坑底部出現(xiàn)突涌、隆起、流沙等破壞,應(yīng)按下式進(jìn)行基坑底抗?jié)B流穩(wěn)定驗(yàn)算。

(7)

式中:γm為承壓含水層以上的土飽和重度,kN/m3;t+Δt為承壓含水層頂面距基坑底面的深度,m;Pw為承壓水壓力,kPa;γRw為基坑底土層滲流穩(wěn)定抗力分項(xiàng)系數(shù),γRw≥1.2。

當(dāng)由上式驗(yàn)算不滿足要求時(shí),應(yīng)預(yù)先在基坑四周或基坑內(nèi)部布設(shè)管井井點(diǎn),降低下伏承壓水的水頭,保證基坑的安全。

2.5 引滲

當(dāng)存在多層含水層,且下部含水層的水位低于上層水位時(shí),可以通過井孔或砂井等將上層水引滲到下層含水層中。如混合水位滿足降水要求,則可自然降低地下水位;如混合水位不滿足降水要求,可通過抽降下層地下水降低地下水位。也可采用抽滲結(jié)合的方法,效果更好。引滲井可在基坑內(nèi)外布置,井間距宜根據(jù)試驗(yàn)確定,一般采用2.0～10.0 m。采用引滲井時(shí)應(yīng)注意淺層地下水,對下部地下水的污染問題。

3 工程實(shí)例

以浦東機(jī)場T3航站樓的超大超深基坑的地下水控制技術(shù)為例,采取的降水措施如下:

(1) 二、三層土中的水采用自流井(管井變種)。

(2) 四層土土中的水采用管井降水。

(3) 應(yīng)對七層土(假設(shè)20 m左右)、九層土② (假設(shè)30 m左右)中的承壓水采取的措施:由于承壓水層水量大、9層② 土本身的覆水性好、深井和管井本身的出水量有限,以及水泵出土功率有限制等原因,采用深井降水措施(一般也不容易抽干)。

(4) 也可以采取止水帷幕的降水措施,設(shè)計(jì)單位根據(jù)勘探結(jié)果和結(jié)構(gòu)要求,來設(shè)計(jì)合理的止水帷幕深度。

(5) 需要注意的是,多加深井可以多抽承壓水,但承壓水抽取過多會帶來基坑沉降問題。深井的“水量漏斗”范圍一般有幾千米,不同形狀的水量漏斗對應(yīng)的沉降會相互疊加,造成總沉降更難估算和控制。

本基坑工程開挖影響范圍內(nèi)主要含水層有:⑤ 2層砂質(zhì)粉土、⑤ 3-2層砂質(zhì)粉土、⑦ 1-1層砂質(zhì)粉土、⑦ 2-1粉砂、⑦ 2-2層粉砂含水層組、⑨ 1層粉砂、⑨ 2層細(xì)砂含水層組,和粉砂含水層。

場地范圍內(nèi)地層分布特征差異較大,總體上分為北區(qū)和南區(qū)兩個區(qū)。北區(qū)地層特征表現(xiàn)為:無微承壓含水層分布、⑦ 層分多個亞層、層頂埋深淺、厚度約40 m、垂向滲透性差異大,以及⑦ 、⑨ 、層連通。南區(qū)地層特征表現(xiàn)為:局部分布⑤ 2層，⑤ 3-2層微承壓含水層、起伏大、呈透鏡體狀，⑦ 層普遍埋深約38 m，⑤ 2層、⑤ 3-2層切割區(qū)埋深多超過50 m,以及⑦ 、⑨ 、層連通。

針對浦東機(jī)場T3航站樓的超大超深基坑,采取的地下連續(xù)墻隔水措施。在50 m深的地下連續(xù)墻全深度范圍內(nèi),采用常規(guī)抓斗式成槽機(jī)成槽。墻體的垂直度偏差應(yīng)控制在1/500以內(nèi)。為確保工效,試驗(yàn)期間施工工效為0.8幅/d。對于70 m深的地下連續(xù)墻,則可采用上部抓槽、下部銑槽的抓銑結(jié)合工藝。墻體的垂直度偏差可控制在1/800以內(nèi),且工效較高,試驗(yàn)期間施工工效為0.7幅/d。通過采用合理的泥漿配比可以達(dá)到良好的護(hù)壁作用,能夠確保50 m和70 m深地下連續(xù)墻在24 h內(nèi)的槽壁穩(wěn)定。采用氣舉反循環(huán)進(jìn)行二次清孔后,可以有效地清理槽底沉渣,墻底取芯監(jiān)測需要做到墻體無明顯沉渣。

4 搶險(xiǎn)措施

在基坑開挖前,防患于未然,需要提前做好應(yīng)急搶險(xiǎn)方案。如果遇到基坑突涌的情況,會采取坑內(nèi)明渠強(qiáng)排、控制水頭、使用抽水井等措施。若7②層土出現(xiàn)突涌等基坑問題,可采用粗石粒,加注聚氨酯等發(fā)泡絕緣材料。堵住管涌后再采用明排,強(qiáng)排的辦法,多做幾口井。排水條件不好時(shí),相關(guān)計(jì)算采用固結(jié)排水強(qiáng)度指標(biāo)。需要時(shí)刻根據(jù)現(xiàn)場情況來取用土體的強(qiáng)度指標(biāo)。最不利情況下,也有應(yīng)急搶險(xiǎn)隊(duì)。