深挖方基礎施工降水方案研究

□余新溟 □耿 昕（河南省水利勘測設計研究有限公司）

1 工程概況

北汝河渠道倒虹吸工程位于河南省寶豐縣東北大邊莊與郟縣渣園鄉朱莊村之間北汝河上，是南水北調中線一期工程沙河南～黃河南段的一個大型渠穿河建筑物，倒虹吸總長1282m，其中管身段長度950m，管身采用4孔兩聯箱型結構，孔徑7m×6.95m。倒虹設計流量315m3/s，加大流量375m3/s，總設計水頭0.50m。

北汝河是淮河流域沙河的一條支流，全長254 km，總流域面積6080 km2。天然河道百年一遇洪峰流量9220m3/s。

工程場區為河谷地貌形態，地形較為寬闊平緩。北汝河河谷呈寬淺型，由于河流側向侵蝕，河床由北向南遷移，兩側不對稱。河流右岸為二級階地，岸坡較陡；左岸為一級階地，岸坡平緩。

場區地層為土巖雙層結構，共劃分為10個工程地質單元：①卵石（alQ24）、②黃土狀輕粉質壤土（alQ14）、③卵石：（alQ14）、④黃土狀中粉質壤土（alplQ3）、⑤重粉質壤土（alplQ3）、⑥泥卵石（alplQ3）、⑦礫巖（N1L）、⑧粘土巖（N1L）、⑨砂礫巖（N1L）、⑩含砂質粘土巖（N1L）。

工程場區地下水分為第四系松散層孔隙潛水、上第三系孔隙裂隙潛水和上第三系孔隙裂隙承壓水。第四系松散層孔隙潛水賦存于第四系全新統卵石層中，上第三系孔隙裂隙潛水賦存于第⑦層礫巖中，上第三系孔隙裂隙承壓水賦存于第⑨層砂礫巖及第⑩層含砂質粘土巖中的厚層砂礫巖透鏡體。

2 管身降水方案

倒虹吸水平管身建基面位于第⑨層砂礫巖及第⑩層含砂質粘土巖中，開挖深度一般15～20m，施工開挖涉及上層卵石的潛水，下層砂礫巖及含砂質粘土巖中的地下承壓水，該兩層地層透水性為中等～極強，施工過程中需要進行施工降水。

降水方案的設計根據不同地層不同性質的地下水，采用不同的降水方案。

2.1 潛水

由于上部卵石層潛水分布較淺，一般5～8m，其下為隔水層粘土巖，滲透系數5.80×10-1cm/s，為強透水層，為避免潛水層滲水影響施工，同時減少基坑抽水工程量，降水方案采用截滲槽截流結合縱向導流溝導流方案。

截滲槽呈“U”形，沿開挖基坑一級馬道內側封閉布置。截滲槽深度為4～5m，底部高程為下部相對不透水層線以下0.50m，梯形斷面，底寬1.50m，兩側邊坡坡比1：0.50。截水槽內回填粘性土并夯實。另在二級馬道處設置縱向排水溝，滲水引至集水井抽排入下游河道。

2.2 承壓水

承壓水主要賦存于第⑨層礫巖和第⑩層含砂質粘土巖中，承壓水位水頭較高。降水方案采用在基坑開挖前采用深井抽排法降低承壓水頭。降水井采用3排布置，第一排在基坑建筑物輪廓線外2～3m，布置間距20m，第二、三排沿一、二級馬道梅花形布置，布置間距20m。

3 存在問題及處理方案

3.1 存在問題

倒虹吸52#、53#水平管身在墊層澆筑完成后，發現管身墊層存在細小裂縫，局部出現涌水點；在后續檢查中發現裂縫繼續增加、縫隙延長、縫寬增大，縫中涌水明顯，墊層局部有明顯隆起，隆起高度最高處將近30 cm，已造成基礎破壞。

3.2 原因分析

首先對基礎破壞段進行地質勘探復核，勘探結果顯示墊層破壞管身基礎巖性主要為含砂質粘土巖、泥質粉（細）砂巖。鉆探揭示建筑物基礎泥質粉砂巖（下部的泥質細砂巖）為承壓水賦水層。

第⑩層含砂質粘土巖巖性不均，夾有多層砂礫巖及粉細砂巖透鏡體或薄夾層，且該層具弱～中等膨脹潛勢。

第⑩＇層（第⑩＇層為新增加編號）泥質粉（細）砂巖為第⑩層含砂質粘土巖中的透鏡體，賦存裂隙性承壓水，承壓水頭高出建基面約7m，并攜帶大量砂質顆粒。

墊層混凝土的變形破壞與地下承壓水的活躍程度及基礎的膨脹性有直接關系。經對已破壞的基礎部位進行繼續深挖，開挖邊坡沒有明顯崩塌、剝落，基礎開挖斷面顯示粉質含砂巖與泥質粉砂巖分界線附近，粉砂質粘土巖存在不規則裂隙涌水釋放。

經綜合分析，基礎隆起破壞主因應是地下裂隙承壓水所致，而不是由于粘土巖的膨脹性造成的。管身基礎開挖在混凝土澆筑前預留有基礎保護層，當時并未出現滲透及變形情況，說明此時上層覆土產生壓重，裂隙受上部土壓力作用，處于封閉狀態。基礎上層預留保護層開挖后，壓重減小，地層回彈，上部土壓力消失，裂隙地下承壓水水頭較高，造成裂隙張開，且此處基礎底層為相對不透水層，裂隙水連通性較差，現有建基面兩邊現有的降壓井排水影響半徑較小，地層裂隙中的承壓水無通道排出，造成上層土壓力卸載后，地基出現涌水、隆起破壞，因地應力釋放及地層裂隙在承壓水的頂力下張開是一較慢的持續過程，造成已澆筑完成的混凝土墊層隆起破壞。

3.3 處理方案

針對此種情況，本工程以已破壞管身相鄰的兩節管身基礎做為試驗段，采用地下承壓水探查、增加降壓井，基礎面增加反濾層以改善排水通道的處理方案，利用抽、排結合的方法，以降低承壓水頭，防止基礎頂托破壞。

3.3.1 承壓水探查

首先采用地質鉆探對地質情況進行探查，特別是地下砂層的分布及厚度。地質鉆孔采用間距10m梅花形布置。因地質鉆孔均布置在建筑物建基面范圍內，為保證建筑物的安全，鉆孔采用回填反濾料的方法封填，考慮施工完畢后地下水位回升的情況，對基礎面地質鉆孔與基礎面結合部位進行擴大開挖，開挖成直徑為500mm，深度為250mm的圓坑。并在開挖基礎面鋪設一層土工布，然后回填中粗砂和粒徑為0.50～2mm天然砂礫石料的混合料形成反濾，以便水的排出。

3.3.2 降水井布置

根據現場各探測孔水位數據，承壓水存在水頭高、滲透系數較小且不連通的情況，原設計降水井縱向間距較大，影響半徑較小的情況，對現有的降水方案進行補充，加密降水井的布置，減小降水井的布置間距，以增加降水井對地下承壓水的影響范圍。降水井位置的確定應根據地質鉆孔所取得的觀測數據確定地質是否存在透鏡體及涌水點，然后兩側降水井采用縱向排水溝連接，排水溝底高程在建基面下≥1.50m。在將地下水位降至設計要求后再進行基礎開挖。兩側降水井加密后，如基礎局部仍呈高壓狀態的鉆孔附近可在鉆孔周圍增設降壓井。

3.3.3 建基面處理

針對基礎建基面的承壓水無排水通道的情況，采用在建基礎面增設一層反濾層，以形成排水通道。基礎開挖至設計高程后采用中粗砂找平，在建基面上鋪設一層400 g/cm2土工布，然后在土工布上鋪設100mm的中粗砂，后鋪設300mm厚0.50～2mm級配碎石。粗砂及碎石夯填度按≤0.90控制。

針對基礎開挖后依舊存在的小型滲水點可采用排水溝的排水方案，將滲水通過縱橫排水溝排出建基面，排水溝的開挖尺寸滿足排水要求即可；開挖排水溝回填采用級配為0.50～2mm的天然砂礫石料；建基面排水溝出水口位置0.50～1m范圍內采用土工布裹頭，防止土體細小顆粒的帶出。

按照以上處理方案對相鄰管身基礎進行了處理并適時觀測。觀測數據顯示，該段基礎完全消除了頂托隆起現象，說明處理方案是成功的。

3.4 已破壞基礎處理

管身52#、53#基礎因頂托隆起破壞，加上后期為摸清基礎情況，對基礎進行了開挖觀測，基礎已嚴重破壞。結合現場情況，針對管身52#、53#基礎采用了換填處理方案。

根據現狀基礎開挖情況，換填基礎開挖至原設計建基面下2.50m時，并對已產生撓動的部位進行清除。52#-53#管身基礎與相鄰管節基礎開挖過渡邊坡采用1：3。

基礎開挖后采用中粗砂找平，找平后鋪設一層400 g/cm2土工布，然后在土工布上鋪設200mm厚的中粗砂，在粗砂墊層上回填300mm厚級配0.50～2 cm的天然砂礫料，最后回填連續級配天然砂卵石至設計高程。天然砂卵石中最大粒徑≤8 cm且粗料含量（大于5mm的顆粒）≥50%。回填時相對密度≥0.75。

4 結論

通過對本工程管身段基礎頂托破壞的研究和試驗段的有效處置，為后續施工段有效控制地下水提供了很好的處理方案，保證了工程的順利實施。同時，為其它存在同類基礎問題的工程施工提供經驗。目前，本工程管身段施工已全部完成，根據現場監測數據顯示，管身結構穩定，沉降量滿足設計要求，降水方案取得了良好效果。