深大基坑地下水控制設(shè)計合理性分析

蔡東明

(北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

1 概 述

近年來，隨著城市交通的快速發(fā)展，越來越多的地區(qū)尤其是一線發(fā)達城市選擇修建地下道路。明挖法是修建地下道路最常用的施工方法之一。但隨著地下水位的上升，基坑開挖不可避免地會遇到地下水問題，為保證在基坑內(nèi)無水條件下施工作業(yè)，基坑的地下水控制就顯得尤為重要。

根據(jù)城市道路工程的特點，以“安全至上、質(zhì)量第一”為準(zhǔn)則確保施工安全；重視工程環(huán)境問題，防止產(chǎn)生不良工程環(huán)境影響；有效控制降水工程引起地面及相鄰建筑物沉降以及對地下水環(huán)境的影響；盡量降低降水工程成本；必須考慮方案實施的可行性和可靠性；考慮對地下水資源的合理保護和利用。

本文以廣渠路東延道路工程為依托，以第三標(biāo)段為例，對其基坑地下水控制進行設(shè)計，提出了相應(yīng)的解決方案，并驗證了地下水控制方案的合理性。

2 工程概況

廣渠路東延是北京市城市副中心綜合設(shè)置景觀大道、交通隧道與綜合管廊的重點項目。工程分為地面道路和地下道路兩個交通系統(tǒng)，地面道路全長7.6km，地下道路全長6.5km。地下道路為明挖暗埋雙洞隧道，綜合管廊與地下道路合建。隧道采用地下連續(xù)墻支護及閉合框架結(jié)構(gòu)，明挖法施工，實施過程中面臨深基坑施工、下穿兩處重要節(jié)點、隧址區(qū)管線復(fù)雜、施工期間影響交通出行等問題(見圖1～圖2)。

圖2 地下道路標(biāo)準(zhǔn)橫斷面

3 水文地質(zhì)條件

本標(biāo)段地表下約68m深度范圍內(nèi)一般可分布5～7個飽水砂層。根據(jù)對各飽水砂層的分布及巖性特征、靜止水位情況，以及相對隔水的黏性土層分布特征等綜合分析，可將上述飽水砂層概化為4個含水層，各含水層對應(yīng)的地下水類型自上而下依次為第1層潛水、第2層承壓水、第3層承壓水和第4層承壓水(見表1)。

表1 地下水情況

a.第1層潛水。該層地下水在本工程段普遍分布，主要賦存于標(biāo)高-0.87～9.32m以上的細砂、中砂④層中，其地下水類型為潛水。該層地下水靜止水位埋深為8.95～12.77m，靜止水位為10.16～10.85m。

b.第2層承壓水。該層地下水在本工程段普遍分布，主要賦存于標(biāo)高-1.52～4.48m以下、標(biāo)高-22.95～-16.67m以上以細砂、中砂為主的⑤-2層、⑥層和⑦層中，其地下水類型為承壓水。該層地下水靜止水位埋深為9.33～14.43m，靜止水位為8.74～10.67m。

c.第3層承壓水。該層地下水在本工程段普遍分布，主要賦存于標(biāo)高-30.49～-24.87m以下、標(biāo)高-35.78～-30.86m以上的細砂、中砂⑧層中，其地下水類型為承壓水。該層地下水靜止水位埋深為15.36～15.43m，靜止水位為7.90～7.97m。

本標(biāo)段結(jié)構(gòu)底板均位于潛水、承壓水以下，主要受潛水、承壓水影響。

4 地下水控制設(shè)計方案

本標(biāo)段內(nèi)基底標(biāo)高為1.18～4.74m。潛水靜止地下水位取10.86mm，第一層承壓水地下水位取10.67m。本標(biāo)段結(jié)構(gòu)底板均位于潛水、第1層承壓水以下，主要受潛水、承壓水影響，且潛水含水層底板在基坑范圍內(nèi)全部揭露。承壓水含水層頂板標(biāo)高為-5.15～6.96m，承壓水含水層厚度按16.3～30.7m考慮，開挖面以下5m范圍內(nèi)無適當(dāng)隔水層。滿足《北京市建設(shè)工程施工降水方案專家評審細則(2013版)》中第4.2.1條a款“基底位于含水層水位以下，且基底以下5m之內(nèi)無適當(dāng)?shù)母羲畬印钡募夹g(shù)不可行條件，可以進行施工降水。

據(jù)勘察資料、現(xiàn)場施工場地條件、地下管線情況、現(xiàn)場構(gòu)筑物影響等多方面因素分析，本標(biāo)段采用降水、隔水、回灌多種地下水控制方法相結(jié)合的方案：(局部)落底式帷幕+坑內(nèi)降壓+坑外回灌、懸掛式帷幕+坑內(nèi)降水+坑外回灌(見表2)。

表2 三標(biāo)段各降水區(qū)域地下水處理方式

4.1 降水方案

降水井沿道路結(jié)構(gòu)線于基坑內(nèi)雙排布設(shè)，距結(jié)構(gòu)外邊線2.5m。所有降水井開、終孔直徑600mm，井管采用400mm無砂混凝土管，外裹100目尼龍布，管外填2～5mm濾料。井管內(nèi)安裝潛水泵，潛水泵泵量根據(jù)水文地質(zhì)條件選用8m3/h，揚程不小于40m，部分降水井施工完成后應(yīng)做抽水試驗，根據(jù)試驗結(jié)果及時復(fù)核水文地質(zhì)設(shè)計參數(shù)。降水井正式運行前，應(yīng)進行生產(chǎn)性驗證試驗，檢驗控制方案，并根據(jù)降水井水量水位及時調(diào)整泵量。

4.2 回灌方案

本道路工程基坑降水深度大，將引起周邊地面產(chǎn)生較大沉降。為減小周邊建(構(gòu))筑物沉降，同時保證降水效果，設(shè)置了回灌井。

回灌井布置于占地紅線與外圍建筑物間，占地紅線內(nèi)5m處。具體位置需依據(jù)現(xiàn)場建筑物結(jié)構(gòu)、距離、基礎(chǔ)型式以及地下管線分布情況進行調(diào)整，在老舊低矮、無地基處理的建筑物位置處進行密布?；毓嗑_、終孔直徑600mm，井管采用400mm無砂混凝土管，外裹100目尼龍布，管外填2～5mm濾料。

對基坑外環(huán)境進行跟蹤監(jiān)測，一旦基坑外沉降比較大或沉降加速變化，或基坑外承壓水水位變化超過2m，便立即啟動回灌措施。依據(jù)監(jiān)測結(jié)果靈活啟動，以坑內(nèi)降水井抽取的地下水作為回灌水，回灌管線建議臨時、靈活鋪設(shè)。

4.3 排水、封井方案

降水/疏干井均位于基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)(即布于坑內(nèi))，這將加大維護、維修、保養(yǎng)水泵等工作的難度。在結(jié)構(gòu)未全部完成或未超過地下水的浮力時，為保證降水井工作需在大底板及各層樓板上留洞。在降水結(jié)束后，對降水井進行封井處理，對結(jié)構(gòu)進行補洞處理。封井、補洞措施不理想，將造成大底板溢水等問題。為避免大量的破壞結(jié)構(gòu)，以三口井為一個單位，兩側(cè)兩口井從大底板穿出后將泵管并至中間井，隨中間井泵管一并穿出結(jié)構(gòu)將水排到基坑外。合并排水在保證降水井可維護的同時，有效減少了樓板的補洞量。

5 合理性分析

5.1 降水方案驗算

5.1.1 水位降深驗算

將上述方案代入數(shù)值模型進行驗算，模型僅針對降水區(qū)域III-2區(qū)域(Z3K15+492.92～ Z3K16+025.81)建立(驗算結(jié)果見圖3、圖4)。模擬結(jié)果顯示，三標(biāo)段基坑降水區(qū)域水位基本在-1.20m左右，降深為12.05m。純降水段結(jié)構(gòu)底板最深標(biāo)高為1.53m，可滿足干槽作業(yè)，同時總體降深也得到了控制。地下連續(xù)墻處降深為9.97m，占地紅線位置處降深約9.04m。本次模擬未考慮兩側(cè)其他標(biāo)段降水井的影響因素，由圖3和圖4可見，基坑兩側(cè)降深較小，實際施工時降深可能偏大，模擬結(jié)果均超設(shè)計要求，建議依據(jù)實際情況更換部分降水井內(nèi)的潛水泵。

圖3 三標(biāo)段Z3K15+492.92～Z3K16+025.81降水區(qū)域穩(wěn)定后水位等值線(單位：m)

圖4 三標(biāo)段Z3K15+492.92～Z3K16+025.81降水區(qū)域穩(wěn)定后降深等值線(單位：m)

5.1.2 過濾管進水能力和允許井壁進水流速復(fù)核

a.過濾管進水能力驗算:

qg=πnDglwvg

式中qg——過濾管的進水能力，m3/s；

n——過濾管進水面層有效孔隙率，宜按過濾管面層孔隙率的50%計算，綜合取值0.1；

vg——允許過濾管進水流速，m/s，不得大于0.03m/s，綜合取值0.03m/s；

lw——降水井過濾管有效進水長度，m，宜按過濾管長度的85%計算，依據(jù)不同區(qū)段分段取值2.5m。

計算結(jié)果見表3。

b.允許井壁進水流速復(fù)核。本工程含水層為松散地層，單井設(shè)計出水量除滿足過濾管進水能力外，還應(yīng)滿足下式：

式中q——單井設(shè)計出水量，m3/s；

Dk——過濾器處的井徑，m，取值0.6m；

vj——允許井壁進水流速，m/s；

K——土層的滲透系數(shù),m/s。

將不同區(qū)段單井設(shè)計流量代入，得出計算結(jié)果(見表3)。

表3 降水井設(shè)計參數(shù)

5.1.3 降水引起地面沉降驗算

《城市建設(shè)工程地下水控制技術(shù)規(guī)范》(DB11/1115—2014)方法和北京地區(qū)經(jīng)驗：根據(jù)土有效應(yīng)力增量計算管井降水導(dǎo)致的沉降量。因地下水位下降引起的土層附加荷載，按下式計算：

ΔP=γwΔh

式中 ΔP——降水引起的土層附加荷載，kPa；

Δh——水位變化量，m；

γw——水的重度，kN/m3。

降水引起的地面附加沉降量，采用分層總和法計算，公式為：

式中S——降水引起的地面總附加沉降量，mm；

Si——第i層土的附加壓縮量，mm；

ψi——第i層土的壓縮量經(jīng)驗修正系數(shù)，結(jié)合北京地區(qū)經(jīng)驗，取值0.5；

ΔPi——第i層土降水引起的附加荷載，kPa；

Ei——第i層土的壓縮模量，MPa；

Hi——第i層土的土層厚度，m。

各土層沉降量累加之和為降水引起的總沉降量，潛水與第1層承壓水混層含水層的細、中砂層的壓縮模量為30～65MPa。

將各參數(shù)代入上式，計算得到各個位置的沉降值(見表4)。本次沉降計算均為未考慮回灌的計算結(jié)果。

表4 數(shù)值模擬III-2區(qū)段沉降量

5.2 回灌井設(shè)計

回灌系統(tǒng)由水源、水箱、流量計、回灌總管、支管及回灌井點構(gòu)成。采用降水井抽取的地下水為主要回灌水源，回灌水箱由大的鐵皮箱或者散裝水泥罐等改裝而成，在回灌水箱與回灌總管間設(shè)置流量計以控制水量?；毓嗨?、回灌管線可依據(jù)監(jiān)測水位臨時布置。若部分區(qū)域無建筑物、水位下降較小，可不進行回灌。本次回灌為應(yīng)急補救措施。

6 結(jié)論與建議

a.采用降水、隔水、回灌多種地下水控制方法相結(jié)合的方案：(局部)落底式帷幕+坑內(nèi)降壓+坑外回灌、懸掛式帷幕+坑內(nèi)降水+坑外回灌。

b.基坑兩側(cè)降深較小，實際施工時降深可能偏大，模擬結(jié)果均超設(shè)計要求，建議依據(jù)實際情況更換部分降水井內(nèi)的潛水泵。

c.降水井設(shè)計、降水引起的地面沉降均滿足要求。

d.根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況實時反饋信息，進行動態(tài)設(shè)計，保證工程安全。