西南某醫(yī)院富水砂卵石層深基坑降水方案分析

段雪琴

(四川興蜀工程勘察設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，四川成都 610023)

基坑降水是決定基坑工程成功與否的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[1-3]。在富水砂卵石地層上進(jìn)行的深基坑工程，因其含水層滲透性強(qiáng)、基坑涌水量大等特點(diǎn)，基坑降水問題更加嚴(yán)峻[4]。因此，如何控制好富水砂卵石層地層地下水是確保基坑安全施工的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)以西南某醫(yī)院富水砂卵石層深基坑工程實(shí)例為背景，采用JGJ120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》的理論公式進(jìn)行降水分析，并結(jié)合降水效果進(jìn)行優(yōu)化處理。

1 工程概況

西南某醫(yī)院基坑工程位于富水砂卵石層地層中，場地地面高程503.8～505.5 m，高差1.7 m，平均高程504.65 m，地形較平緩?；?xùn)|西向長度為51.76～122.79 m，南北向長度為59.60～149.50 m，開挖總面積約為15 051.7 m2，開挖深度為4.1～6.8 m?；邮┕み^程中采用排樁、土釘墻支護(hù)方式進(jìn)行支護(hù)，基坑降水采用管井降水，如圖1所示。

圖1 基坑平面

該工程為某院區(qū)預(yù)留規(guī)劃二期用地，位于已建一期大樓東側(cè)，主要功能為醫(yī)院，由門急診醫(yī)技住院大樓、綜合樓、后勤樓組成。門急診醫(yī)技住院大樓、綜合樓設(shè)有1層地下室，后勤樓無地下室。

2 地層結(jié)構(gòu)

經(jīng)鉆孔揭露，場地內(nèi)地層為第四系全新統(tǒng)(Q4ml)的人工填土及耕土、第四系全新統(tǒng)沖積層(Q4al+pl)的砂土和卵石土。地層結(jié)構(gòu)由上而下劃分為：耕土①-1、雜填土①-2、素填土①-3、細(xì)砂②、卵石③(松散卵石③-1、稍密卵石③-2、中密卵石③-3、細(xì)砂③-4、密實(shí)卵石③-5)，典型地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 場地典型地質(zhì)剖面

(1)耕土①-1：黃褐色，稍濕，松散，成分以粉土為主，含大量植物根系，厚度變化較小，平均厚度0.67 m，該層屬欠固結(jié)高壓縮性土。

(2)雜填土①-2：雜色，稍濕，松散，成分以粉土為主，含有大量建筑垃圾、生活垃圾等，部分地段含少量卵石。該層場地內(nèi)分布不均，厚度變化較大，層厚0.5～2.2 m。

(3)素填土①-3：黃灰色、褐灰色，松散、稍濕，成分以粉土為主，含有少量植物根系、卵石等。該層厚度變化大，頂面埋深0.40～1.2 m，厚0.40～1.6 m，平均厚度0.8 m。

(4)細(xì)砂②：灰色、黃灰色，松散，稍濕—濕，成分以石英為主，次為少量長石、云母碎片，局部含少量粉土及黏性土團(tuán)塊透鏡體，分布極不均，主要分布在卵石層頂部，厚0.40～1.60 m，平均厚度0.8 m。很濕—飽和，骨架顆粒漂石含量約為5%。

(5)卵石③：雜色，松散—密實(shí)，卵石含量約為50%、圓礫含量約為25%、砂土含量約為20%。多呈渾圓狀、橢球狀及少量為扁圓狀，漂石粒徑一般在21～28 cm，卵石最大粒徑為12～20 cm，一般粒徑為5～8 cm，分選一般到較好，磨圓度中等-高，細(xì)、中砂充填，級配較好，石質(zhì)中-微風(fēng)化狀，少量為強(qiáng)風(fēng)化。卵石層頂部及其中局部夾細(xì)-中砂、松散卵石層透鏡體，卵石層頂面埋深0.40～4.30 m。

根據(jù)卵石的成分含量、粒徑、排列接觸關(guān)系充填物性質(zhì)和含量及120 kg動力觸探試驗(yàn)成果，結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)全取芯孔資料，將其劃分為：松散、稍密、中密及密實(shí)卵石層4個(gè)亞層。

①松散卵石③-1：雜色，濕—飽和，卵石骨架顆粒含量約為50%～55%，卵石成分以花崗巖類為主，次為石英砂巖及少量石英巖。呈渾圓狀，橢球狀及少量為扁圓狀。細(xì)、中砂及礫石充填，排列十分混亂，絕大部分不接觸，且局部地段夾薄層狀細(xì)砂。N120錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為2.3擊/10 cm。

②稍密卵石③-2：雜色，濕—飽水，卵石骨架顆粒含量約55%～60%，卵石成分以花崗巖類為主，次為石英砂巖及少量石英巖。呈渾圓狀，橢球狀及少量為扁圓狀。細(xì)、中砂及礫石充填，排列混亂，大部分不接觸。N120錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為5.3擊/10 cm。

③中密卵石③-3：雜色，濕—飽水，卵石骨架顆粒含量約60%～70%，卵石成分以花崗巖類為主，次為石英砂巖及少量石英巖。呈渾圓狀，橢球狀及少量為扁圓狀。細(xì)、中砂及礫石充填，呈交錯排列，大部分接觸。主要以層狀及透鏡體狀分布于卵石層中。N120錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為8.4擊/10 cm。

④細(xì)砂③-4：黃灰色、青灰色，松散，濕—飽水，成分以石英為主，次為少量長石、云母碎片，分布極不均。N120錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為1.8擊/10 cm。

⑤密實(shí)卵石③-5：雜色，濕—飽水，卵石骨架顆粒含量大于70%，卵石成分以花崗巖類為主，次為石英砂巖及少量石英巖。呈渾圓狀，橢球狀及少量為扁圓狀，細(xì)、中砂及礫石充填，呈交錯排列，連續(xù)接觸。N120錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為13.8擊/10 cm。

3 水文地質(zhì)條件

本場地在成都平原湔江水系之Ⅰ級階地，地下水類型主要為賦存于第四系沖洪積砂卵石層中的孔隙潛水，主要由地表水、大氣降水補(bǔ)給，卵石層透水性良好。

根據(jù)勘察報(bào)告，勘察期間實(shí)測地下水埋深3.5～4.8 m，平均埋深4.3 m，高程為498.804～501.187 m，平均高程500.165 m。由于勘察時(shí)段位于枯水期，雨季到來，地下水的水位將有一定上升，地下水年變化幅度為1.50～2.00 m，歷年最高地下水位變化約2.50 m，豐水期地下水位約501.7～502.20 m，砂、卵石層滲透系數(shù)取28 m/d。根據(jù)成都市相關(guān)文件，抗浮水位按正負(fù)零取504.00 m。

4 基坑降水方案設(shè)計(jì)

基坑降水方案按照規(guī)范JGJ 120-2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》推薦方法進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]。

4.1 降水技術(shù)要求

(1)降水面積：按15 907 m2計(jì)。

(2)要求水位降深：9.55 m(基坑降水至電梯井以下0.5 m)。

(3)按抗浮水位±0.00標(biāo)高以下1.75 m設(shè)計(jì)。

(4)水位下降值：7.8 m。

(5)按潛水非完整井計(jì)算。

4.2 降水設(shè)計(jì)

4.2.1 基坑等效半徑r0

式中：r0為沿基坑周邊均勻布置的降水井群所圍面積等效圓的半徑m，A為降水井群連線所圍面積。計(jì)算得：r0≈71m。

4.2.2 降水井深度H

H=HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6

式中：HW為降水管井深度m；HW1為基底深度，取HW1=9.05 m；HW2為降水水位距離基坑底的深度，取HW2=0.5 m；HW3為i·r0，i為水力坡度，在降水井分布范圍內(nèi)宜為1/10～1/15；r0為降水井分布范圍的等效半徑或降水井排間距的1/2；HW4為降水期間的地下水位變幅；HW5為降水井過濾器工作長度，取HW5=1.5 m；HW6為沉砂管長度。

根據(jù)查成都市類似的降水工程設(shè)計(jì)，砂卵石層的水力坡度取i=1/15，HW3=4.7 m，HW4=2.0 m，HW5=1.5 m，HW6=1.0 m。計(jì)算得，H=18.75 m，根據(jù)成都降水工程經(jīng)驗(yàn)取H=20 m。

4.2.3 降水影響半徑R

式中：R為降水井影響半徑m；sw為降水井的水位降深m；當(dāng)井水位降深小于10 m時(shí)，取sw=10 m；k為含水層的滲透系數(shù)m/d，取k=28 m/d；H0為含水層厚度m，取H=45.0 m。結(jié)合成都地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取R=200 m。

4.2.4 基坑涌水總量Q

按潛水非完整井計(jì)算涌水量Q(圖3)：

圖3 潛水非完整井基坑用水量計(jì)算模型

式中：Q為基坑降水的總用水量m3/d;h為基坑動水位至含水層面的深度m，取h=37 m;l為濾水管有效工作部分的長度m,取l=10 m。

計(jì)算得Q=18 055.69 m3。

4.2.5 降水井井?dāng)?shù)n

n=λQ/q1

式中：Q為基坑總涌水量m3/d;q1為設(shè)計(jì)單井出水量m3/d;λ為調(diào)整系數(shù)，一級安全等級取1.2，二級安全等級取1.1，三級安全等級取1.0。取λ=1.1。

式中：q2為單井出水能力m3/d;rs為過濾器半徑m，取d=0.15 m;l為過濾器進(jìn)水部分長度m，取l=1.5 m。

計(jì)算得單井出水能力得，q2=1009.89 m3/d，設(shè)計(jì)單井出水量取q1=840 m3/d，q1

4.3 降水井結(jié)構(gòu)

基坑采用管井降水，降水井孔徑600 mm，內(nèi)徑300 mm，采用鋼筋混凝土井管。管井構(gòu)造上由實(shí)管和濾水管組成，管井井口以下9 m為實(shí)管，上部3 m采用黏土封井，實(shí)心管之后為過濾管，采取了雙層濾水處理方式，底部設(shè)1.0 m沉砂管。設(shè)計(jì)過濾器為纏絲過濾器，過濾管上纏繞2層40目密目網(wǎng)，纏絲間距3 mm。填礫規(guī)格20～40 mm礫石，填礫厚度大于100 mm。成井時(shí)要求井孔應(yīng)圓整垂直，井管焊接牢固，安裝垂直。洗井采用活塞和空壓機(jī)聯(lián)合洗井，確保洗井質(zhì)量，達(dá)到正常抽水時(shí)含砂率小于1/20 000[6]。

4.4 水泵選型

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)要求降水深度和水泵揚(yáng)程，選擇QY型潛水泵，潛水泵功率為5.5 kW，額定流量為40 m3/h，揚(yáng)程不小于30 m，估算每天的抽水量可以達(dá)到960 m3/d，此抽水量已經(jīng)超過了單一降水井的涌水量，符合施工要求。

5 降水效果及后期優(yōu)化處理

基坑開挖之前采用提前20天降水，開挖至基礎(chǔ)底標(biāo)高，基坑降水整體效果明顯，施工作業(yè)單位嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求過濾管上纏繞2層密目網(wǎng)，降水井出砂率小于1/20 000，滿足設(shè)計(jì)要求。由于施工期間跨越暴雨季，且2018年在暴雨期的降雨量及降雨時(shí)長均超過歷史同期，從5月1日起施工區(qū)降雨量同比往年超過50%～100%，其中涪江干流出現(xiàn)了超50年一遇的洪水，且啟動了近年以來的II級防汛應(yīng)急響應(yīng)。豐富的降雨量及長時(shí)降雨導(dǎo)致地表水下滲量急劇增大，基坑內(nèi)、外水位均較高，基坑內(nèi)的降雨積水無法及時(shí)滲透和通過降水井抽排，導(dǎo)致基坑內(nèi)積水較多不能滿足施工要求。后期經(jīng)現(xiàn)場踏勘和重新計(jì)算，決定在原設(shè)計(jì)降水井系統(tǒng)的基礎(chǔ)上將部分降水井潛水泵功率增大到7.5 kW，額定流量為55 m3/h，揚(yáng)程為30 m。加大潛水泵功率的井號為1#、4#、14#～23#，一共為12口井。增加降水井功率后，降水滿足開挖施工要求。降水后沒有影響周圍已有建筑物和管線，管線未發(fā)生斷裂、漏水等現(xiàn)場，滿足設(shè)計(jì)的要求?；觾?nèi)干燥的環(huán)境不僅提高的基礎(chǔ)施工的方便性，也便于基坑內(nèi)的文明施工和安全用電，滿足后期結(jié)構(gòu)施工的要求[7]。

6 結(jié)論

西南地區(qū)地下水豐富，尤其是施工區(qū)域，地下水尤其豐富。當(dāng)施工段跨越雨季，時(shí)常出現(xiàn)基坑內(nèi)排水無法滿足施工和設(shè)計(jì)的要求，增大降水井泵功率是常用的一種方式，或者增加降水井?dāng)?shù)量。豐富的地下水一方面為人類提供了一種寶貴的資源,另一方面又給工程建設(shè)帶來了一定的安全隱患。因此，合理的降水設(shè)計(jì)至關(guān)重要，如果降水出現(xiàn)問題，施工基礎(chǔ)會出現(xiàn)問題，影響基礎(chǔ)的質(zhì)量，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)各種不良的后果。希望本文為以后其他類似工程降水累積經(jīng)驗(yàn)。