基于綠色建造理念的深基坑地下水控制設(shè)計

朱方兵，鐘靈俊，金璐

（中冶南方城市建設(shè)工程技術(shù)有限公司，湖北武漢 430077）

0 引言

武漢地處長江中游，當(dāng)?shù)貜V泛分布著長江I 級階地沖洪積地層，地層主要由第四系全新統(tǒng)河流相及部分河湖相沖洪積物及沖湖積物構(gòu)成，為潛水—承壓水含水層系統(tǒng)，呈典型的二元結(jié)構(gòu)地層?；庸こ讨谐Ｒ姷牟涣甲饔糜校夯釉谶M(jìn)行管井降水時，地下水位下降，含水層被疏干，地下土層會產(chǎn)生固結(jié)沉降，導(dǎo)致基坑周邊地面發(fā)生沉降甚至導(dǎo)致區(qū)域性地面沉降，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)一步的次生災(zāi)害；基坑在未采取有效處理措施的情況下強(qiáng)行開挖，或者基坑開挖后止水帷幕失效，會產(chǎn)生流砂、管涌或基底突涌現(xiàn)象?；庸こ痰叵滤刂谱鳛榛釉O(shè)計的重要內(nèi)容，其目的是要根據(jù)場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件，采取可靠的控制措施，防止因為地下水發(fā)生不良作用，影響周邊環(huán)境以及引起支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)導(dǎo)致安全事故[1-2]。

本文針對武漢中心城區(qū)某基坑，從所處的地貌單元、地層時代、地層類型入手，查明地下水類型和水文地質(zhì)條件后對癥下藥，再結(jié)合周邊環(huán)境、基坑開挖深度等因素，采用“降疏為主”的基本方式處理地下水，即采用懸掛式帷幕隔斷上層滯水以及粘性土與粉土、粉砂互層中的承壓水，加管井群降水疏干下部含水層中的承壓水[3-4]。

1 工程概況

圖1 基坑周邊環(huán)境圖

擬建項目位于武漢市武勝路與武勝西街交匯處，鄰近漢江及長江距離分別是1km、2.5km。該工程由4 棟33 層高層組成，下設(shè)3 層滿鋪地下室，主樓及裙樓基礎(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)，主樓采用剪力墻結(jié)構(gòu)。總建筑面積123260.3m2，其中地下室建筑面積24414.1m2。建筑物±0.000 相當(dāng)于黃海高程22.60m。

基坑開挖面積約13176m2，基坑開挖周長約557m，基坑開挖深度為13.37～15.77m。基坑平面呈不規(guī)則矩形，基坑?xùn)|西向長度約200m，南北向長度約60m。

基坑北側(cè)臨武勝西街；基坑?xùn)|側(cè)開鄰近武勝路及武勝路立交橋，基坑內(nèi)邊線距離武勝路立交橋橋墩約36.0m；基坑南側(cè)紅線外為多幢8～9 層民房，基坑內(nèi)邊線距離民房約12.3～25.5m；基坑西側(cè)紅線外為三幢8～9 層民房，基坑內(nèi)邊線距離民房約12.6m。

該基坑內(nèi)外環(huán)境條件較為復(fù)雜。對該基坑工程而言，基坑對周邊環(huán)境的影響主要是對周圍建（構(gòu)）筑物的影響。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

2.1 工程地質(zhì)條件

項目地貌單元屬長江北岸I 級階地。各巖土層的分布及地質(zhì)特征如表1 所示。

表1 地層分布及降水參數(shù)一覽表

2.2 文地質(zhì)條件

地下水可分為兩種類型：上層為賦存于（1-1）雜填土層中的上層滯水；下層為賦存于（4）、（5）砂土層中的承壓水，上下層地下水之間由于被（2）層、（3-1）及（3-2）層阻隔而無水力聯(lián)系。

下層承壓水與長江及漢江水體有密切的水力聯(lián)系，水量較豐富，（3-2）層中含有少量層間弱承壓水。根據(jù)抽水試驗資料得1#樓場地承壓水水頭埋深約為6.0m，絕對標(biāo)高為16.40m。

3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系

在確保工程安全的前提的條件下，兼顧經(jīng)濟(jì)性以及周邊環(huán)境，該基坑采用“鉆孔灌注樁+兩道鋼筋混凝土內(nèi)支撐+止水帷幕”作為支護(hù)結(jié)構(gòu)。典型基坑支護(hù)剖面圖見圖2。

圖2 典型基坑支護(hù)剖面圖

圖3 天漢基坑降水計算

4 地下水控制設(shè)計

4.1 地下水處理總原則

因該工程含水層較厚，下部含水層水量大，基巖埋深較深，該工程地下水處理應(yīng)以“止、降、排”為總體設(shè)計思路，根據(jù)地表水及承壓水不同屬性采取針對性的處理方案[5]。

4.2 基坑涌水量估算

因基坑局部地段已經(jīng)揭穿含水層頂板，故本方案擬采用疏干降水進(jìn)行計算，按穩(wěn)定流承壓水非完整井考慮。

計算公式：采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120—2012）附錄E 中E.0.4 節(jié)均質(zhì)含水層承壓水非完整井基坑涌水量計算公式：

上式中：Q——基坑降水總涌水量（m3/d）；

k——滲透系數(shù)（m/d）；

M——承壓水含水層厚度（m）；

sd——基坑地下水位的設(shè)計降深（m）；

R——降水影響半徑；

r0——基坑等效半徑，可按照計算；

A——基坑面積（m2）。

根據(jù)計算所得到的基坑涌水量：Q=19692.05m3/d。

4.3 地下水控制設(shè)計

按照武漢地區(qū)的相關(guān)工程經(jīng)驗，對開挖深度小于15m 的，且位于地鐵等重要保護(hù)對象影響范圍外的深基坑工程，在綜合考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用懸掛式止水帷幕+管井降水處理方案，且有很多成功的案例。

該項目地下水處理原則為止降結(jié)合方式，在坑內(nèi)采用深井降水的同時，為減小基坑降水運行期間對周邊環(huán)境影響，增加地下水的滲流路徑，在基坑周邊設(shè)置一定深度的止水帷幕，以滿足抗?jié)B流穩(wěn)定性要求[6]。

1）豎向隔滲帷幕設(shè)計

在支護(hù)樁后側(cè)采用一排三軸攪拌樁形成豎向連續(xù)隔滲帷幕，一般區(qū)段帷幕深度為24m，西側(cè)臨近主干道區(qū)域加深隔滲帷幕為28m，增加該區(qū)域安全系數(shù)。三軸攪拌樁直徑850mm@600 mm，采用P.O42.5 級水泥，水泥摻量為20%。

2）下部承壓水處理

坑底主要是粉砂、細(xì)砂，該層為承壓含水層，因此對下部承壓含水層采取中深井降水處理。

根據(jù)場地勘察報告并結(jié)合地區(qū)深基坑降水工程實踐經(jīng)驗及天漢軟件計算結(jié)果，該基坑設(shè)計采用設(shè)計31 口降水井，單井出水量80 m3/h。

由于主樓電梯井及局部集水坑區(qū)域開挖深度較深，設(shè)計采用Φ850@600 三軸攪拌樁形成底面及側(cè)壁封堵的止水帷幕，以保證坑中坑施工安全，同時基坑水位降深按普通開挖深度考慮即可。

在施工降水時，為了復(fù)核設(shè)計參數(shù)（地下水水位、滲透系數(shù)及影響半徑），應(yīng)先施工1～2 口抽水井，并根據(jù)抽水試驗結(jié)果調(diào)整設(shè)計方案。

因抽取承壓水的目的是為了降低承壓水位，降水過程中按需降水，盡量少抽，同時又要保證降水井的含砂量不超過有關(guān)規(guī)范要求，結(jié)合場區(qū)實際地質(zhì)條件，綜合考慮降水井的深度取35m。

5 降水模擬計算

5.1 計算模型

由于該項目的降水較為重要，針對本降水設(shè)計，特進(jìn)行了降水模擬驗算，降水模擬軟件選用目前國際上最流行且被廣泛認(rèn)可的三維軟件Visual MODFLOW[7-9]。

計算模型選用700m×1000m×70m（約五倍基坑范圍），網(wǎng)格劃分：x方向350～650m 范圍網(wǎng)格劃分2.0×2.0m，100～350m、650～900m 范圍網(wǎng)格劃分5.0×5.0m，0～100m、900～1000m 范圍網(wǎng)格劃分10.0×10.0m；y 方向300～400m 范圍網(wǎng)格劃分2.0×2.0m，100～300m、400～600m 范圍網(wǎng)格劃分5.0×5.0m，0～100m、600～700m 范圍網(wǎng)格劃分10.0×10.0m。計算模型左右側(cè)限制xy 方向位移，底部限制xyz 方向位移。

坑內(nèi)降水井，設(shè)31 口降水井。為觀察周邊水位變化，設(shè)G1#～G15#觀測井。其中G1#～G8#觀測井為基坑帷幕加長區(qū)以東，與基坑距離分別為-25m（坑內(nèi)）、-5m（坑內(nèi)）、5m（坑外）、15m（坑外）、45m（坑外）、105m（坑外）、200m（坑外）、350m（坑外）；G9#～G15#觀測井為基坑普通帷幕區(qū)以南，與基坑距離分別為-25m（坑內(nèi)）、-5m（坑內(nèi)）、5m（坑外）、15m（坑外）、45m（坑外）、105m（坑外）、200m（坑外）；考慮了一定的安全儲備，計算時31 口降水井的抽水量取為50m3/h。承壓水水位標(biāo)高按豐水期19.0m（絕對標(biāo)高）考慮。

5.2 模擬結(jié)果

通過數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)：

1）基坑周邊約150m 處地下水水頭下降至絕對標(biāo)高16.0m，降幅約3.0m；基坑周邊約300m 處水頭下降至18.0m，降幅1.0m，影響較小；

2）在模擬計算條件下（31 口降水井未間斷抽水150d），水頭變化在30 天左右基本達(dá)到平衡；

3）坑內(nèi)G9 點水頭降至7.60m、G1 點降至8.11m，約為坑底以下1.0～0.5m，能滿足基坑施工要求；

4）28m 止水帷幕水頭與24m 止水帷幕相比較，28m 帷幕附近水頭降低值略小于24.0m 帷幕。兩者在基坑邊緣附近差值較大，約1.04m，隨著距離的拉大，兩者的差值越來越?。ㄒ妶D6、圖7）。

圖7 不同止水帷幕附近水頭差值

5.3 模擬總結(jié)

1）基坑降水具有一定的時空效應(yīng)。在空間上，基坑降水時，距離基坑越近地面沉降越大，所以在基坑施工期間要加強(qiáng)對臨近基坑的重要構(gòu)筑物的監(jiān)測及保護(hù)；在時間上，地下水下降需要經(jīng)過一段時間的持續(xù)性抽水過程才能實現(xiàn)，所以基坑施工應(yīng)先進(jìn)行降水施工，達(dá)到設(shè)計降水位后才能進(jìn)行土方開挖。

2）加長止水帷幕的長度，能延長地下水滲流路徑，能夠減少基坑降水對周邊環(huán)境的影響。另一方面，考慮到加長帷幕長度對坑外水頭影響的作用有限，以及從綠色環(huán)保經(jīng)濟(jì)的角度考慮，設(shè)計時選取合適的帷幕長度即可，而針對環(huán)境保護(hù)要求高的區(qū)段適當(dāng)加長處理。

5.4 監(jiān)測結(jié)果對比

該基坑項目已施工完成，實踐證明基坑地下水控制設(shè)計科學(xué)、合理，順利保證了基坑的安全運行。

對基坑施工期間的地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理發(fā)現(xiàn)：基坑周邊約150m 處地下水水頭降幅約2.8m，基坑周邊約300m 處水頭0.8m；28m 帷幕與24.0m 帷幕在基坑邊緣附近差值較大，約1.31m，隨著距離的拉大，兩者的差值越來越小。監(jiān)測結(jié)果與模擬結(jié)果基本相吻合。

6 設(shè)計總結(jié)

在巖土工程界，一直存在著是以封堵為主還是降疏為主兩種理念進(jìn)行地下水控制設(shè)計的爭論，按照兩種理念控制地下水設(shè)計，結(jié)果差別很大，影響基坑安全、進(jìn)度、造價等。我們在做基坑工程地下水控制設(shè)計時，應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗、地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，確定地下水控制原則。

該基坑開挖深度小于15m，基坑周邊沒有對變形影響特別敏感的建、構(gòu)筑物，地下水控制以降疏為主的原則進(jìn)行設(shè)計，最終項目安全順利的實施完成，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，周邊地面沉降、臨近的房屋、高架橋墩等變形均控制在允許范圍內(nèi)。

7 結(jié)論與建議

1）在做基坑工程地下水控制設(shè)計時，應(yīng)充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓こ探?jīng)驗、地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件，確定地下水控制原則。

2）對位于長江I 級階開挖深度在15m 以內(nèi)，且位于地鐵等重要保護(hù)對象影響范圍外的深基坑工程，采用懸掛式止水帷幕+管井降水處理方案，能有效、安全、綠色環(huán)保地解決基坑地下水問題。

3）在降水井點位置、數(shù)量和抽水量不變的條件下，設(shè)置帷幕可以提高降水效果，增加帷幕深度可以使得降水效果進(jìn)一步提高，但同時需要考慮周邊環(huán)境對變形敏感的要求及經(jīng)濟(jì)性，確定合理的帷幕深度。

4）基坑降水具有一定的時空效應(yīng)。在空間上，基坑降水時，距離基坑越近地面沉降越大，所以在基坑施工期間要加強(qiáng)對臨近基坑的重要構(gòu)筑物的監(jiān)測及保護(hù)；在時間上，地下水下降需要經(jīng)過一段時間的持續(xù)性抽水過程才能實現(xiàn)，所以基坑施工應(yīng)先進(jìn)行降水施工，達(dá)到設(shè)計降水位后才能進(jìn)行土方開挖。