基坑的支護體系及降水方法

趙 敏 孫 琦，2 許 越，3

(1.西安工業(yè)大學，陜西 西安710032；2.慶安集團有限公司，陜西 西安710077；3.建業(yè)住宅集團〈中國〉有限公司，河南 鄭州450000)

0 引言

如果基坑工程中存在的地下水水位較高，又未采取一定的降水措施，那么地下水就有可能因壓力過大而大量滲入基坑內。 當土骨架因過大的滲透力遭到破壞時，常常會引起許多不良地質狀況，如流砂、管涌、坑底突涌等，這對基坑的安全將造成很大危害，嚴重時甚至可能發(fā)生地層的不均勻沉降、基坑下陷、塌方等眾多安全隱患。采取一定的技術手段降低地下水位，能夠使基坑內外的水頭差減少，從而有效增強土體強度。此外，減小基坑底部的水壓力，也可以避免流砂、管涌、坑底突涌等現象的發(fā)生。因此，尤其是深大高水位的基坑工程，為了確保基坑底部的作業(yè)面干燥，減少作用在支護結構上的壓力，保證工程的順利完成，有必要預先進行地下水的抽取。 本文將重點介紹基坑的支護體系和不良地質狀況以及降低地下水的方法。

1 基坑開挖與支護

1.1 開挖形式

1.1.1 放坡開挖

深基坑開挖的形式方法眾多，通常可分為放坡開挖、支護開挖兩種類型。在設計開挖前需參考相關規(guī)范、周邊建筑物要求、工程地質勘查報告等諸多因素， 初步確定出技術上和經濟上合理的基坑開挖方式。 放坡開挖擁有經濟和快捷等特點，也成為基坑工程中一種較為常見的開挖形式。

放坡開挖的適用條件應符合：

1）基坑土體性質一般為粘性土或粉土、密實碎石土和風化巖石等；

2）地下水位相對較低，或者采取了人工降水等降低地下水措施的基坑；

3）工程施工的場地需具備足夠放坡開挖的空間，以避免放坡開挖對臨近建筑物以及地下市政設施造成的不利影響。

為了增強基坑邊坡穩(wěn)定性，同時降低工程量，可以在放坡開挖的過程中可增設簡易支護。

1.1.2 支護開挖

支護開挖是在通過一定的支護條件下展開的基坑施工。相比較放坡來挖，支護開挖能夠適應更為復雜的工程環(huán)境，為主體結構的施工以及周邊的建筑物和公共設施提供安全的保障。

支護開挖一般適用于城市建筑物密集、地下管線橫縱復雜交錯或不允許采用放坡的的基坑。

1.2 支護形式

1.2.1 懸臂式支護結構

懸臂式支護結構一般使用木樁、鋼板樁、地下連續(xù)墻、鋼筋混凝土樁等作為支護體系。 依靠懸臂結構深埋土中獲得的較強抗彎能力，它能夠很好地保持基坑整體穩(wěn)定性。懸臂式結構對開挖深懸臂式支護結構適用于土質較好、淺挖的基坑工程。

1.2.2 重力式支護結構

重力式支護結構一般分為水泥式和格構式兩種。水泥式支護體系是利用水泥和其周圍的土層形成的重力式擋土墻，來保證基坑的穩(wěn)定性；格構體系則能夠適應不同承載力。 重力式支護結構同樣適用于淺挖的基坑。

1.2.3 拉描式支護結構

拉錨式支護體系是由支護體系和錨桿構成。 依據基坑的不同深度，可按實際情況采用單層、雙層和多層錨桿。拉描式支護結構適合砂土、粘土或者基坑土體能夠提供較強錨固力的基坑。

1.2.4 土釘墻支護結構

土釘墻支護是在基坑開挖的過程中，在土坡和坡面上分別設置土釘和鋼筋網，并在鋼筋網上噴射混凝土形成混凝土面板。 土釘墻支護體系適用于開挖深度在地下水位以上的卵石土層、粘性土層、粉土層、雜填土層等地基土層。

2 深基坑工程中地下水因引起的不良地質現象

基坑開挖到了一定的深度時，當承壓水的浮托力大于承壓含水層頂板與基坑底部之間的土體壓力時，坑底就可能產生管涌、流砂、坑底突涌等。 這也是常見的地下水引起的不良地質現象。

2.1 管涌

在水位差的作用下，當深基坑中土體顆粒級配不連續(xù)，顆粒粒徑差別較大，且在基坑坑底的土層中有承壓含水層的存在時，滲透水流便滲入基坑土體中。 在水流滲透力作用的影響下，由于土體顆粒大小不一，使得土體中某一部分的顆粒產生劇烈的不規(guī)則運動，這就導致了入滲水流把填充在土體骨架孔隙中的細顆粒帶走，由此構成若干條涌水通道，即管涌（又被稱作泡泉或翻沙鼓水）。 隨著高強度水流的沖擊， 當滲透水流把主滲漏涌水通道上的細粒土幾乎全部被帶走后，主通道雙側的細顆粒逐漸進入涌水通道，使涌水主通道漸漸擴張。 涌水通道的寬度越寬，管涌持續(xù)的時間越長，越發(fā)容易產生劇烈涌水使地基變形失穩(wěn)，乃至發(fā)生塌方事故。

2.2 流砂

流砂一般為細顆粒、飽和、顆粒勻稱、疏松的非粘性土體較易產生的一種不良現象。 土體中存在的一些松散顆粒被地下水飽和后，由于土體中水的高差，在動力水壓作用下就會使這些散落的顆粒產生懸浮運動，這就意味著單位土顆粒自身向下的重力小于或等于其受到的方向向上的滲透力， 即滲流力－單元體自重應力=γωi-γ′h＞0， 則流砂形成。 式中，γw 為水的重度，γ′為土體的浮重度。

流砂主要發(fā)生在顆粒級配較為均勻的砂性土中， 同管涌差不多，也是被動水流通過一個類似管道的通道沖刷走，不同的是，流砂的發(fā)生一般是突發(fā)的，所帶來的危害主要有使基礎發(fā)生滑移，地面產生不均勻沉降，基坑坍塌等。

2.3 基坑突涌

基坑突涌是指在開挖基坑后，基坑底面以下的承壓水水頭壓力大于下部不透水土層的自重應力而導致基坑底部土體突起，同時產生涌砂噴水的現象。 即，H>γω/ γ′·h。 式中：H 為不透水層厚度，m；γω為水的重度，kN/m3；γ′為浮重度，kN/m3。

突涌現象產生時，坑底將存在樹狀或網狀的縫隙，使得攜帶地下顆粒的地下水從縫隙中突涌而來，從而地基發(fā)生“沸騰”的噴水現象，造成基坑內的地基土由于積水而遭到破壞， 給邊坡的穩(wěn)定性帶來危害。

3 降水方法以及適用條件

基坑工程中，如果基坑的底部高程低于地下水位，就有可能對工程造成影響。 而預先降排地下水又有可能造成基坑周圍滲流場的改變，以及地表、周圍建筑物、地下管線等的變形與沉降。因此，既要保證施工的進展順利，又要確保工程的質量達標，務必有效的對地下水進行控制。在眾多的降排水方法中，其作用范圍和使用條件也不盡相同。因此，在對工程足夠了解，能夠因降水對周圍結構所帶來的影響比較準確預測的前提下，正確選擇合理、安全、經濟的降水方案對工程的順利完成意義重大。

目前常見的對地下水進行治理主要有降低地下水位和堵截地下水兩個方面。 降水方法大致分為兩種類型，即集水坑明溝排水法與井點降水。 其中井點降水通常包括輕型井點法、噴射井點法、電滲井點法、管井井點法以及自滲降水法等。

3.1 集水坑明溝排水法

集水坑明溝排水法指的是依靠水泵將安置于基坑里的集水井或明溝中的水抽到基坑外。 在挖土面逐步下移的同時，新的開挖面需要重新設置的集水井和明溝。

集水坑明溝排水方法的適用條件是基坑開挖深度、降水深度和水量均比較小，坑壁土體相對穩(wěn)固，一般不會發(fā)生管涌、流砂與坍塌等現象。

這種方法的優(yōu)點在于投資小、施工和管理方便等。 但也存在一定弊端：

（1）一旦地下水隨著基坑的坡面冒出，很有可能出現基坑底部軟化、泥濘等現象；

（2）由于坑底滲水的速度較慢從而容易影響施工進度；

（3）當土體中存在粉性土層時，則易造成地下水的潛蝕作用，從而為基坑邊坡的安全帶來不穩(wěn)定因素。

集水井或者溝渠的截面尺寸通常是由基坑涌水量的數值確定，其涌水量必須滿足式（1）：

式中：V 為排水量（m3/d）；Q 為基坑涌水量（m3/d）。

3.2 井點降水法

井點降水， 是一種人為的采用各種手段來使地下水位下降的方法。 這種方法是在基坑工程的開始階段，在基坑周邊設置若干口濾水管（井），使用降水裝置連續(xù)地抽水，使基坑范圍地下水位低于設計深度，這樣能夠一直維持所挖土體的干燥狀態(tài)。

井點降水方法的特點在于適用于各種不同類型的基坑，并且能夠有效阻止流砂等不良地質狀況，保持基坑的穩(wěn)定性。 再加上井點降水方便機械施工，工期短，成為目前廣泛使用的降水方法。如今普遍使用的井點降水的類型有：輕型井點、噴射井點、電滲井點、管井井點等。

3.2.1 輕型井點降水

輕型井點降水法是隨著基坑的周邊或單側把半徑較細的井管置入比基坑的含水層略深的位置，然后將井管上部和總管對接。 依靠總管聯通排水設施將地下水從井管內連續(xù)地真空抽出，從而將初始的地下水位控制在基底以下。

輕型井點降水的作用原理是在抽水力與重力共同影響下，使得在真空區(qū)域范圍以外的地下水和井點地下水之間構成水頭差，引起地下水位的降低。

輕型井點降水適用于降水的深度、面積均不大，弱透水性或中等透水性含水層的基坑降水。

輕型井點降水具備的優(yōu)點有：

（1）材料設備簡單，方便操作，易于維護、管理；

（2）能夠降低基坑邊坡坡率，減少基坑開挖產生的土方量；

（3）已完成的基坑施工環(huán)境良好，各項工序施工便捷，大幅提升了基坑施工的效率；

（4）已完成的基坑坑內整潔、干燥，從而使得基坑底部的承載力有所增強；

（5）特別是應用于軟土路基，且地下水比較充沛的區(qū)域，施工效果更加明顯。

3.2.2 噴射井點降水

噴射井點降水是在井點管中設置特殊的發(fā)射裝置，依靠抽水設備和空氣壓縮機產生高壓，或通過壓縮空氣產生的水汽射流，繼而把井點內、外管之中的空隙全部排出。

噴射井點降水方法適用廣泛、使用設備簡單，排水深度大，最大可達20 米，比多層輕型井點降水使用的設備不多，基坑土方工作量少，工期快，成本低。 它適用基坑開挖較深、降水深度大于6 米、土滲透系數為0.1～20m/d 的填土、粉土、黏性土、砂土中使用。

3.2.3 電滲井點降水

電滲井點排水是采用輕型或噴射井點管， 沿基坑外邊緣設置，以鋼管（φ45-70mm）或鋼筋（不小于φ20mm）作為陽極，以自身作為陰極，垂直埋置于井點之中。陰陽兩極用電線串聯為回路，并對陽極兩極分別作用強交流電電流。采用降低電壓比的方法使擁有負電離子電荷的土體顆粒朝著陽極緩慢地游離（即電泳作用）；則擁有正電離子電荷的孔隙水朝著陰極不斷集聚，引發(fā)電滲現象。 在真空和電滲的共同影響下，強制粘土中的水在井點管周圍快速聚集，并依靠井點管迅速抽出。通過這樣的方法使井點管不斷地排放地下水，隨著水位緩緩下降，電極之中的土層便形成止水幃幕， 能夠抵抗地下水從四周向坑內涌入。

采用電滲井點降水的條件通常為滲透系數不大于0.1m/d 的飽和粘土、粉質粘土。

3.2.4 管井井點降水

管井井點降水是通過鉆孔，沿基坑邊緣每間隔一段距離便安置一個管井，各個管井均獨自使用一臺抽水設備持續(xù)抽取地下水以達到水位下降的方法。

這種降水方法的優(yōu)點在于設備簡單、排水量較大，能夠起到多組輕型井點的共同作用。 此外，將水泵設置于地表，便于維護、修理。

管井井點降水工藝常用于滲透系數不小于（20～200m/d）、降水深度和降水面積較大的中等透水性或強透水性含水層，以及地下水含量儲存充沛，或明溝排水法易導致土體顆粒流失量較大，易發(fā)生邊坡坍塌基坑工程。

4 結語

（1）介紹了基坑開挖過程中的開挖方法與支護體系的多種形式。

（2）介紹了基坑工程中存在地下水較高的情況下容易出現的管涌、流砂和坑底突涌等不良地質狀況。采取相應的應對措施，即基坑降水，能夠有效控制這些安全隱患。

（3）闡述了當前較為常見的若干種基坑降水的方法以及各方法的適用條件。

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