卵石層高承壓水深基坑圍護結構比選分析

茅奇輝，陳琦慧

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310013)

?

卵石層高承壓水深基坑圍護結構比選分析

茅奇輝，陳琦慧

(浙江省地礦勘察院，浙江 杭州 310013)

摘要：根據現場抽水試驗的結果和相關結論，通過對卵石層高承壓水深基坑的水文地質計算及風險分析，經安全、風險、經濟、工期等因素的綜合比選，認為全降水設計方案可靠性差、安全隱患多，方案實施不可行；通過比選采用TRD工法即等厚度水泥土地下連續墻作為止水帷幕以有效阻隔內外承壓含水層的水力聯系，同時內插型鋼作為擋土結構進行有效擋土，從而控制設計與施工風險，確保基坑施工安全。本研究可供同類型深基坑的圍護設計之借鑒。

關鍵詞：承壓水；深基坑；圍護結構；比選

1工程概況

德清縣人民醫院新建大樓工程位于德清縣武康鎮貴和街南側、興康北路東側、英溪南路西側，體育場路北側。本工程由1幢16層住院樓及3層裙房、1幢5層綜合樓及1幢2層輔助用房和1幢2層輔助用房和1幢3層高壓氧艙組成，基礎形式為鉆孔灌注樁。設整體2層地下室。基坑面積約17 835 m2，周邊延長約573 m。本工程±0.00 m相對于絕對標高+5.70 m，基坑北側地坪相對標高為-0.30 m，基坑南側地坪相對標高為-1.10 m，基礎底板面相對標高為-9.40 m，承臺厚1 300 mm，基底墊層厚100 mm，基坑開挖深度9.70～10.50 m，局部電梯井開挖深度約11.70 m。基坑平面圖見圖1。

2周邊環境條件

1)基坑北側為醫院門診樓(4F)、醫技樓(3F)和住院樓(17F)，距離本工程地下室外墻分別為7 m、11 m和2 m，其中住院樓西北角與本工程地下室區域緊貼。北側醫院已建樓房均為一層地下室，鉆孔灌注樁基礎。

2)基坑東側為小區道路及多層建筑(3～6F)，多層建筑距離本工程地下室外墻為15～18 m。基坑邊距紅線約12 m。

3)基坑南側為體育場路，基坑邊線距紅線3～4 m，距道路邊約9 m。道路下主要埋有污水管和雨水管。

4)基坑西側為學校操場及校內瀝青道路。基坑邊距紅線約8 m，距道路邊約11 m。

3工程地質與水文地質條件

3.1工程地質條件

根據巖土工程勘察，場地整體地勢平坦，局部略有起伏。場地地貌單元屬浙北杭嘉湖沖湖積平原地貌。基坑深度及影響范圍內土層分布見表1。

根據基坑實際開挖深度以及地層剖面(圖2)，基坑開挖面基本位于⑥3層卵石層中。

圖1　基坑平面圖

表1　地基土分布情況及圍護設計參數表

圖2　基坑開挖剖面示意圖

3.2水文地質條件

本場地地下水主要為孔隙潛水、孔隙承壓水和基巖裂隙水。孔隙潛水主要賦存于①01層雜填土、①1粉質黏土和②1中砂中，潛水地下水位埋深0.25～1.80 m(相應的1985國家高程2.75～4.15 m)。承壓水主要賦存于⑥3卵石層中，水量豐富，透水性強，承壓水頭埋深2.28～2.75 m(相應的1985國家高程為2.39～2.63 m)。基巖裂隙水主要賦存于巖石風化裂隙中，水量較小，受上部承壓水的豎向入滲補給和風化層側向徑流補給，徑流緩慢。

根據基坑實際開挖深度，基坑開挖直接揭露⑥3卵石層承壓含水層，必須采用相應的止水和降水措施[1-2]。為此，針對⑥3卵石層承壓含水層進行了專項的抽水試驗[3]。

抽水試驗進行了兩組。一組為單孔抽水試驗采用非完整井穩定流，進行3次降深。另一組為多孔抽水試驗設兩個觀測孔，采用非完整井穩定流，進行3次降深。相關計算參數如下。

3.2.1單孔抽水試驗計算[4]

單孔抽水試驗采用承壓水非完整井穩定流抽水試驗，滲透系數k和影響半徑R的計算公式如下式所示：

(1)

式(1)中：k為滲透系數，m/d；

Q為涌水量，m3/d；

l為過濾器長度，m；

S為水位降深，m；a為計算系數，按吉林斯基公式計算取1.6；

r為抽水孔半徑，m。

影響半徑R如下式所示：

(2)

式(2)中：R為影響半徑，m；

S為水位降深，m；

k為滲透系數，m/d。

計算參數見表2。

表2　單孔抽水試驗不同降深下承壓水層滲透系數和影響半徑

3.2.2多孔抽水試驗計算[4]

多孔抽水試驗采用帶觀測孔(2個觀測孔)承壓水非完整井穩定流抽水試驗，滲透系數k和影響半徑R的計算公式見式(3)：

(3)

式(3)中：k為滲透系數，m/d；

Q為涌水量，m3/d；

l為過濾器長度，m；

S1為第一個觀測孔的水位降深，m；

S2為第二個觀測孔的水位降深，m；

r1為第一個觀測孔至主孔的距離，m；

r2為第二個觀測孔至主孔的距離，m。

計算參數見表3。

表3　多孔抽水試驗不同降深下承壓水層滲透系數和影響半徑

綜上所述，根據單孔抽水試驗結果，⑥3層卵石層的滲透系數為0.032～0.033cm/s；根據多孔抽水試驗結果，⑥3層卵石層的滲透系數為0.027～0.030cm/s；平均滲透系數為0.031cm/s，即26.78m/d。

4基坑工程特點

綜合分析基坑形狀、面積、開挖深度、地質條件及周圍環境，基坑工程特點如下：

1)場地土質情況復雜，淺層有土質較差的雜填土和淤泥質土層，其下為深厚的卵石層，雖其土質較好，但屬承壓含水層，水量豐富，透水性強。基坑開挖直接揭露該層，基坑開挖不僅要控制好位移及穩定性，對基坑防滲止水、降水措施也提出了較高要求，并充分考慮降水帶來的周邊設施和建筑物的沉降問題。

2)基坑周邊環境復雜，特別是基坑東側有建造時間較早的民居距離基坑較近，北側的醫院樓房還需要正常使用，因此基坑開挖須確保周邊環境安全。

3)基坑開挖深度較深，面積較大，施工時間較長，因此對基坑變形和穩定性須有充分估計。

4)基坑西北角有局部地下一層與已建住院樓連接，施工空間非常有限，須考慮好該范圍施工順序。

5圍護方案比選分析

5.1基坑涌水量估算

根據《建筑基坑支護技術規程(JGJ120—2012)》附錄E.0.5，群井按大井簡化時，基坑降水總涌水量可按下式計算：

(4)

式(4)中：Q為基坑總涌水量，m3/d；k為滲透系數，取0.033 cm/s，即28.51 m/d；H0為承壓水含水層的初始水頭，取20.5 m；

M為承壓含水層厚度，取15 m；

h為降水后，坑底水位至承壓含水層底板的距離；假定降水后坑內水位距離坑底0.5 m，故h取13.5 m；

計算可得基坑總涌水量Q=9 018.5m3/d。由于本基坑地處城鎮中心地帶，周邊環境條件十分復雜，若基坑開挖采用全降水方案，有以下幾點不利條件：

圖3　基坑涌水量計算簡圖

1)坑內外承壓水位高差大，圍護結構發生側漏風險較大；

2)停電后回水速度極快，坑內涌水風險極大；

3)周邊建筑及管線密布，沉降難以控制，破壞后果嚴重。

因此，不宜采用全降水方案，須采用止水結合降排水方式控制本場地地下水。

5.2圍護方案比選確定

根據周邊環境條件、地質條件和水文條件，本基坑圍護方法可采用：地下連續墻結合水平內支撐的結構形式，鉆孔咬合樁結合水平內支撐的結構形式，TRD工法等厚度水泥土墻內插型鋼結合水平內支撐的結構形式[5-6]。以上三種圍護方案的比選見表4。

表4　圍護方案比選分析表

根據“安全可靠、技術先進、經濟合理、方便施工”的原則，經過綜合分析比較，確定采用TRD工法等厚度水泥土墻作為止水帷幕，其內插型鋼作為擋土結構。止水帷幕底進入⑩3層中等風化泥巖一定深度，以確保隔斷卵石層基坑內外的水力聯系。

5.3TRD工法特點

TRD工法也叫等厚度水泥土地下連續墻工法，是能在各類土層、砂礫石層、巖層中連續成墻的成套設備和施工方法。其基本原理是利用鏈鋸式刀具箱豎直插入地層中，然后作水平橫向運動，同時由鏈條帶動刀具作上下的回轉運動，攪拌混合原土并灌入水泥漿，形成一定厚度的墻。其主要特點是穩定性高、適應性強、表面平整、厚度一致、成墻連續、墻體均勻性好。

1)穩定性高。TRD工法與傳統工法比較，機械的高度和施工深度沒有關聯，穩定性高、通過性好。不會發生傾倒和側翻事故。

2)適應性強。與傳統工法比較，適應地層范圍更廣。可在黏土、粉土、砂土、礫石、卵石等一般土層及硬質巖層中施工。

3)成墻質量好。與傳統工法比較，攪拌更均勻，連續性施工,不存在咬合不良,可確保墻體高連續性和高止水性。還可在任意間隔插入H型鋼等芯材，可節省施工材料，提高施工效率。

4)成墻品質均一。連續性刀鋸向垂直方向一次性的挖掘,混合攪拌及橫向推進,在復雜地層也可以保證均一質量的地下連續墻。

6結語

1)本基坑開挖深度大，坑底位于⑥3層卵石層中。⑥3層卵石層為承壓含水層，承壓水頭埋深2.28～2.75 m(相應的1985國家高程為2.39～2.63 m)，滲透系數0.027～0.033 cm/s，屬強透水性土層，且水量豐富，估算基坑涌水量為9 018.5 m3/d。

2)若基坑開挖采用全降水方案，則坑內外承壓水位高差大，圍護結構發生側漏風險較大；停電后回水速度極快，坑內涌水風險極大；周邊環境條件復雜，沉降難以控制，破壞后果嚴重。因此，不宜采用全降水方案，須采用止水結合降排水方式控制本場地地下水。

3)經過綜合分析比較，確定采用TRD工法等厚度水泥土墻作為止水帷幕，其內插型鋼作為擋土結構。止水帷幕底進入⑩3層中等風化泥巖一定深度，以確保隔斷卵石層基坑內外的水力聯系。

4)TRD工法其主要特點是穩定性高、適應性強、表面平整、厚度一致、成墻連續、墻體均勻性好，可為同類型基坑圍護設計提供借鑒和參考。

參 考 文 獻

[1]李培妍,宋福貴,宮全美,等.高承壓水條件下地鐵深基坑減壓降水研究[J].華東交通大學學報,2012,29(4):40-45.

[2]元翔,宮全美,石景山,等.卵礫石地層深基坑高承壓水降壓方案分析[J].土木建筑與環境工程,2011,33:185-190.

[3]金志新.杭州某深基坑圓礫層承壓水抽水試驗分析[J].城市道橋與防洪,2013,10(10):181-184.

[4]林宗元.巖土工程試驗監測手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2005.

[5]章仁財,李福清,胡向東.卵礫石層內超深基坑隔滲帷幕結構比選及風險分析[C]//第三屆上海國際隧道工程研討會論文集.北京：中國土木工程學會，2008:125-131.

[6]戴斌,王衛東.受承壓水影響深基坑工程的若干技術措施探討[J].巖土工程學報,2006,28(增刊1):1659-1663.

收稿日期：2015-12-10

作者簡介：茅奇輝(1981—)，男，浙江慈溪人，工程師，從事巖土工程勘察設計工作。

中圖分類號：TU473.2

文獻標志碼：B

文章編號：1008-3707(2016)03-0027-04

Comparison and Selection Analysis on the Retaining Structure of theHigh Bearing Deep Foundation Pit in the Pebble Bed

MAO Qihui, CHEN Qihui