近河區(qū)域深基坑降水設計研究及分析

李 勇，龔有文，曹 言

(中建交通建設集團有限公司，北京 100071)

0 引言

近年來，隨著城市建設腳步不斷加快，臨近河道區(qū)域房屋建筑施工項目逐漸增多，但由于近河區(qū)域地下水豐富，存在水位高、地層滲透系數(shù)大、水位受季節(jié)變化大等特點，導致近河區(qū)域的基坑降水問題更加復雜、突出。近河深基坑往往在施工過程中易受河道徑流補給而造成基坑近河側涌水，若不采取合理降排水方式，選擇合理的降水井數(shù)量，容易造成基坑突涌、流砂、坍塌等現(xiàn)象，輕則影響施工進度及質量，重則使周圍建筑物發(fā)生沉降、傾斜，造成結構破壞，帶來經(jīng)濟財產(chǎn)損失及發(fā)生安全事故。

在計算基坑降水總涌水量問題上，目前我國所采用的主要方法為“大井法”，其設計規(guī)范為《建筑基坑支護技術規(guī)程》和《管井技術規(guī)范》，兩個規(guī)范均未對基坑坑內(nèi)降水給出明確計算公式，尤其是具有隔水帷幕，隔水帷幕未插入不透水層的近河基坑潛水非完整井尚未有準確的計算公式?！豆芫夹g規(guī)范》中對截水帷幕插入承壓含水層涌水量計算推薦使用三維滲流模型數(shù)值分析的方法，尚未有經(jīng)驗公式，充分說明了此條件下基坑降水的復雜性。某項目兼有采用坑內(nèi)降水方式、三面隔水帷幕、單側臨近河道、地層條件復雜的特點，采用《建筑基坑支護技術規(guī)程》和《管井技術規(guī)范》對基坑降水進行了設計分析，確定了降水管井數(shù)量，為同類條件的基坑降水設計可以提供一些參考。

1 概述

某項目近鄰汾河，場地東側有汾河流過，場地距汾河河道500 m，區(qū)段內(nèi)河床寬約300 m，最高水位424.7 m，最低水位422.7 m。場地北側為城市道路，其他三面均為已建建筑物。場地基坑南北方長度為105 m，東西長度為63 m，總面積6 615 m2。場地開挖深度5.60 m～12.55 m。項目場地絕對標高為428.8 m，基坑底部絕對標高為422.65 m～416.2 m。項目根據(jù)不同地質特征，采用灌注樁、錨桿、土釘墻等方式進行基坑支護，基坑降水采用隔水帷幕與管井降水相結合方式。

2 基坑降水方案

本項目場地狹小，四周均有已建建筑物，參考類似工程施工經(jīng)驗，工程基坑降水采用在基坑內(nèi)設置疏干井進行降水施工；同時考慮基坑東側汾河徑流影響，擬在場地北側、東側距地下室外墻1 000 mm位置設置隔水帷幕以減少河床滲流，隔水帷幕設計滲透系數(shù)為1×10-6cm/s。隔水帷幕采用水泥攪拌樁，樁底相對標高-16.5 m。依據(jù)項目地質勘察報告，項目地下水位標高為421.39 m～424.01 m，水位埋深為4.66 m～6.80 m。但工程基坑土方開挖施工期間于426.8 m處見地下水，施工期與勘察期地下水位存在明顯差別，其原因是勘察期間場地南側、西側在施高層住宅樓項目正在進行降水施工。根據(jù)項目現(xiàn)場情況，場地地下水主要來源于大氣降水及側向徑流補給，地下水類型為微承壓潛水。本降水工程將不同含水層轉化為同性均值含水層，依據(jù)大井法理論進行降水管井數(shù)量設計；該方法是將井群簡化為一口大井，分別計算基坑總涌水量和單井出水量，從而得出降水管井數(shù)量[1]，最終通過設計數(shù)據(jù)與實際效果對比進行方案調(diào)整優(yōu)化。

2.1 根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護技術規(guī)程確定管井數(shù)量

采用均質含水層潛水非完整井公式進行計算[2]。

2.1.1 基坑等效半徑

(1)

其中，A為基坑面積。

2.1.2 降水影響半徑

(2)

其中，sw為井水位降深，按基坑坑底最低深度計算11.55 m；k為含水層滲透系數(shù)，本工程依據(jù)地勘報告取細砂滲透系數(shù)建議值6.912 m/d；H為潛水含水層厚度，本工程取14.5 m。

2.1.3 基坑降水總涌水量

(3)

2.1.4 管井單井出水能力

(4)

其中，rs為過濾器半徑，本工程實際施工采用0.15 m。

2.1.5 降水井數(shù)量

(5)

按照計算結果，基坑降水井按照12個布置。

2.2 根據(jù)GB 50296—2014管井技術規(guī)范確定管井數(shù)量

1)基坑中心岸邊的距離。

b=31.5+500=531.5 m

(6)

2)基坑降水總涌水量。

按潛水非完整井，均質含水層，近河基坑降水，含水層厚度不大情況計算[3]。

(7)

其中，s為井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l為過濾器進水部分長度，本工程取2 m；m為由含水層底板到過濾器有效工作部分中點的長度，本工程取1.5 m。

3)降水井數(shù)量。

(8)

4)基坑降水總涌水量。

按潛水非完整井，均質含水層，近河基坑降水，含水層厚度很大的情況進行復核。

(9)

其中，s為井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l為過濾器進水部分長度，本工程取2 m。

5)降水井數(shù)量。

(10)

按照計算結果，基坑降水井數(shù)量取較大值，按照12個布置。

2.3 確定管井數(shù)量

本工程通過均質含水層潛水非完整井大井法公式進行基坑降水井設計，綜合上述基坑降水總涌水量、降水井數(shù)量計算結果，按式(3)、式(7)計算得到降水井數(shù)量為12個。由于本工程地勘資料未能探明基坑地下水隔水層，按照式(9)，潛水非完整井均質含水層，含水層厚度很大的條件下計算得降水量數(shù)量為6個。最后，按照地勘水位埋深特點，考慮基坑西北角開挖深度及面積不大，最終按照11個疏干井數(shù)量進行基坑降水施工，設計管井深度為16 m，管井底標高為412.8 m。疏干井平面布置圖見圖1。

3 降水效果分析及設計

本工程按照11個疏干井數(shù)量進行了基坑降水施工，受項目工期工序影響，在疏干井全部運行后，本工程即進行基坑土方分層開挖及基坑支護施工，土方開挖至相對標高-4.500 m時，基坑滲水嚴重，基坑南側出現(xiàn)泡水，局部發(fā)現(xiàn)管涌及流砂現(xiàn)象，基坑原設計11個降水井不能滿足降水要求，基坑開挖無法有效達到干法施工條件，導致土方開挖作業(yè)停止。

經(jīng)現(xiàn)場勘察，此時基坑出現(xiàn)：

1)基坑基底局部出現(xiàn)管涌及流砂。

2)已施工隔水帷幕表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，近河一側隔水帷幕底滲水較為嚴重。

3)支護工程已噴錨表面土體坍塌，土體坍塌后即出現(xiàn)滲水。

4)局部已開挖基底泡水深度達0.35 m等不良現(xiàn)象。

施工人員在出現(xiàn)基坑泡水后立即對降水井進行了檢查，檢查得出11個疏干井運行均正常，無不良現(xiàn)象。后經(jīng)分析，本工程基坑涌水量大的主要原因為：

1)基坑近河一側河水在重力作用下繞流進入基坑水量較大。

2)隔水帷幕設計底標高412.3 m，未能插入隔水層，按地勘報告，隔水帷幕底土層均為細砂，細砂層滲透系數(shù)較大不能達到良好的隔水效果。

3)勘察期間本工程西側、南側在施項目正在進行降水施工，施工期與勘察期地下水水位存在較大偏差。

4)降水設計時按均質含水層潛水非完整井理論進行計算，具有局限性；降水設計時部分參數(shù)與實際情況不符，且這些參數(shù)很難通過經(jīng)驗估算出更符合現(xiàn)場條件的準確數(shù)值，同時項目地下水類型為微承潛水，而降水設計按均質含水層潛水進行了計算。

為保證項目干法施工條件，本工程立即開始重新進行降水施工設計。此次設計按照直線補給邊界條件，考慮基坑東側河流影響，通過影響半徑的理論公式，對基坑降水進行重新計算涌水量和管井數(shù)量[4]。

1)影響半徑。

R1=2b=2×531.5=1 063 m

(11)

其中，b為基坑中心至河岸線的距離，同式(6)取值。

2)基坑降水總涌水量。

(12)

其中，H為潛水含水層厚度，本次計算參考按地勘報告，擴大了含水層厚度值，取38.8 m。

3)降水井數(shù)量。

按照計算結果，基坑降水井按照27個布置。

根據(jù)現(xiàn)場情況，本項目在近河側基坑邊界增加4個井采用集水明排及管井相結合方式輔助降水；由于基坑西側高低位置交界處側墻滲水嚴重，故又增設3個井，實際34個疏干井均參與有效工作。同時，為方便后期筏板施工，本工程在電梯井處增加3個備用井；后續(xù)施工過程中，由于抽水過程井體坍塌和土方施工破壞，基坑共計布置43個管井，在地下水流速較大的近河一側和基坑最深位置增大了管井間距，其布置方式見圖2。34個疏干井投入使用后形成降水井群，保證了基坑土方開挖及結構施工干法作業(yè)條件，取得了較好的降水效果。

項目在進行電梯坑結構施工降水期間，通過估算得知電梯坑位置土層豐水期滲透系數(shù)可達8.4 m/d，枯水期滲透系數(shù)5.2 m/d，并且按其數(shù)據(jù)進行了基坑涌水量和管井數(shù)量計算。其計算結果見表1。通過分析，進行管井設計時，滲透系數(shù)的最為關鍵，尤其在近河區(qū)域河床階地上進行基坑降水設計時，土層往往以細砂、粉細砂等為主，其滲透系數(shù)應取大值為宜。

表1 不同滲透系數(shù)下基坑涌水量及管井數(shù)量

4 結語

以某近河基坑降水設計的工程實例，通過分析場地地質特點及實際降水效果改進設計出經(jīng)濟合理的管井數(shù)量是保證工程安全及進度的重要因素，針對近河區(qū)域深基坑降水施工研究，總結出了以下幾點結論：

1)本工程參照《建筑基坑支護技術規(guī)程》《管井技術規(guī)程》分別通過式(3)、式(7)得出的疏干井數(shù)量較為相近，為12個，平均單個管井基坑影響范圍半徑為13.25 m；案例中由于地勘資料未探明地下水隔水層，本項目參照潛水含水層厚度很大的條件按式(9)進行了驗算，但得出管井數(shù)量為6個。通過現(xiàn)場施工暴露的問題又參照《基坑降水設計》直線補給邊界潛水條件進行了重新設計，按照式(12)得出管井數(shù)量為27個，更為接近現(xiàn)場實際情況, 平均單個管井基坑影響范圍半徑為8.86 m。

2)本案例中，基坑實際降水模型應為在三面隔水帷幕條件下，微承壓潛水非完整井近河深基坑坑內(nèi)疏干井降水，但《建筑基坑支護技術規(guī)程》《管井技術規(guī)程》未能對此種情況直接給出計算公式，需要通過模型轉換的方式進行設計計算。同時，本案例計算存在一定缺陷，不能較好反映降水實際效果，數(shù)值手段的分析方法，是對復雜邊界條件下深基坑降水方案設計比較好的方式。

3)本案例中，管井降水設計合理性的前提是地質資料的準確性[5]，選取更為接近現(xiàn)場實際的各項物理參數(shù)可以設計出更加吻合現(xiàn)場實際的井點降水方案。本案例中，由于地勘報告期與實際施工期地下水位資料不相符，隔水帷幕設計標準滲透系數(shù)為1×10-6cm/s，而現(xiàn)場隔水帷幕不滿足設計要求；同時，隔水帷幕底插入土層為細砂層，其滲透系數(shù)可達5 m/d～10 m/d，細砂層不能形成隔水作用，考慮地下水繞流作用，通過帷幕底部滲入基坑導致基坑涌水量增大，只能通過增加降水井的數(shù)量和效率來彌補隔水帷幕設計缺陷。

4)在土方開挖至基坑底時，基坑底土層為細砂，局部地方由于降水作用出現(xiàn)了塌陷；隔水帷幕、基坑邊界位置局部出現(xiàn)流砂；電梯坑位置滲水嚴重，電梯坑已開挖側壁不斷坍塌，形成約直徑6 m的圓形坍塌區(qū)，給降水及筏板施工帶來巨大挑戰(zhàn)，此時只能在電梯坑內(nèi)增加抽水泵數(shù)量以降級局部水頭。經(jīng)過分析，可能是由于隔水帷幕與電梯坑高差僅為4 m，且電梯坑處于整個基坑中心位置，河道繞流地下水多集中在基坑中心，其位置豐水期滲透系數(shù)可達8.4 m/d，枯水期滲透系數(shù)5.2 m/d，在近河區(qū)域河床階地上進行基坑降水設計時，土層往往以細砂、粉細砂等為主時，土層滲透系數(shù)應取大值，更能符合降水要求。項目經(jīng)降水發(fā)現(xiàn)，基坑最深位置水位降低過程最為緩慢，必要時需加大抽水量。

5)由本案例可以得出，對于近河深基坑復雜條件降水施工設計，應充分考慮河道補給及隔水工程隔水效果的影響，重視滲透系數(shù)的選取，利用規(guī)范結合專業(yè)理論，考慮邊界條件及地層特性，選擇合理的降水設計參數(shù)可以達到良好的施工效果。