某深基坑工程地下水防治方案分析

陳 剛，吳 波，孫旭霞，李書輪

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

某深基坑工程地下水防治方案分析

陳 剛，吳 波，孫旭霞，李書輪

（中交第二航務工程勘察設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

結合臨海富水復雜場地深基坑工程地下水防治方案分析的案例，采用定性與定量評價的方法分析了場區上層潛水、下部承壓水對基坑工程的危害，并提出了針對性工程治理建議。本研究具有較強的實用價值，可供工程實踐參考。

深基坑；水文地質；隔滲帷幕；降水

某濱海LNG接收站取水口地下結構工程，水文地質環境極為復雜、地下水豐富，地下水治理措施的有效性成為嚴重制約該深基坑工程能否順利實施的關鍵條件。基于當時之需的工程建議，整理成文，以供類似工程地下水防治方案策略或技術管理之參考，或為相互學習之拾遺補缺。

1 工程概況

該基坑工程開挖深度14 m，面積約1 900 m2。基坑平面呈錐形布置，錐形基坑頂端為連海水進水管涵的接口，底寬約50 m，錐高約62 m。基坑平面布置見圖1。基坑支護擬采用地下連續墻加內支撐結構。

圖1 基坑平面布置圖

2 水文地質條件

該基坑場地為濱海淺灘吹填造陸形成，基坑影響范圍的水文地質層自上而下概括為4層：

①上部吹填土潛水含水層，厚度約12 m，頂底標高+6.0～-6.0 m。該吹填土以粉細砂材料為主，夾雜淤泥、淤泥質黏性土；受潮汐影響，潛水水位標高在+1.0～+4.0 m波動，水位變幅約3.0 m。

②基底黏性土隔水層，厚度約11 m，頂底標高-6.0～-17.0 m。

③下臥粉細砂承壓水含水層，厚度約15 m，頂底標高-17.0～-32.0 m；受潮汐影響，承壓水水位標高在+1.5～+3.0 m波動，水位變幅約1.5 m。承壓水水頭高度可達20 m，基坑內承壓水水頭差可達11 m。

④承壓水底板下臥黏性土隔水層，頂標高約-32 m。

典型水文地質剖面與基坑設置示意見圖2，主要水文地質層基本特征參數見表1。

圖2 典型水文地質剖面與基坑設置示意圖

表1 水文地質層基本特征參數

3 地下水對基坑的不利影響分析

3.1 上部潛水的不利影響

該地下水含水層介質主要以粉細砂填料為主，透水性較好，中—強透水性。盡管該含水層夾雜了大量不規則分布的弱透水性淤泥、淤泥質土，導致儲水性和導水性略有降低，但總體仍表現為富水含水層特征。另該含水層北側邊界直接臨海，與海水溝通良好，地下水水位受海水潮汐起伏控制（最高潮位5.8 m，平均高潮位3.8 m，最大潮差4.4m），愈臨近海側影響愈明顯。

該基坑緊鄰海側，水源補給充分，潛水對基坑作業不利影響明顯。若基坑在不設防滲或降水措施的情況下開挖，定會有大量潛水涌入基坑，施工將無法正常進行；若繼續強行施工則只會帶來坑壁水土流失，加劇周邊地面沉降，甚至坑壁土體失穩，進而威脅基坑安全的事故發生。

故該基坑施工開挖之前，應預先制定，并落實好潛水危害防治的有效工程措施，以避免工程反復。

3.2 下部承壓水的不利影響

該地下水含水層介質主要為粉細砂，物質組成及顆粒特征穩定，富水，中—強透水性，承壓。其對基坑的潛在不良影響主要表現為基底破壞式地下水突涌、冒砂，水土流失，基坑大量涌水而無法正常施工。若此情況發生而仍不采取挽救措施，繼續強行施工，則只能進一步加劇基坑地基、周邊地基的水土流失，加劇基坑變形，嚴重威脅基坑及周邊建構筑物的安全。

故當基坑以下分布承壓含水層時，首先應評估基坑的抗滲穩定性即承壓水突涌的可能性，并相應制定預防或治理對策。

基坑抗滲透穩定驗算：

式中：Kty為突涌穩定安全系數，不應小于1.1；

D為承壓水含水層頂面至基坑底部的土層厚度；

γ為承壓水含水層頂面至基坑底部土層的天然重度，或厚度加權平均天然重度；

△h為基坑內外的承壓水水頭差；

γw為水的重度。

該基坑底部隔水層土層厚度約9 m，承壓水水頭差11 m，驗算結果基坑抗滲透穩定系數＜1.0，不滿足基坑突涌穩定要求，需采取控制承壓水突涌的有效工程措施。

4 地下水防治方案

影響基坑的地下水主要為上部潛水和下部的承壓水。這兩層地下水為隔水層分割而各具特點，互不干擾，對基坑的影響方式也不盡相同，故宜區別對待，分層治理。

4.1 上部潛水的防治

上部潛水含水層底板標高-6 m，基坑底部標高-8 m，含水層懸置基底之上，單一降水措施將難以達到截流效果，應以隔滲帷幕截水防治思路為主。隔滲帷幕系采用水泥漿注漿、或高壓旋噴樁、或水泥攪拌形成的連續墻體［2］，以地下防滲為主要目的地下結構或類似結構。該基坑支護結構采用鋼筋混凝土地下連續墻結構，作為支護結構可兼顧隔滲帷幕功能，切斷潛水的補給路徑，應為治理該潛水較理想方案。

治理方案建議：截水防治為主。利用支護結構的地下連續墻作為隔滲帷幕，深入潛水底板以下截斷潛水補給，坑內余水采用積水坑（井）抽排或疏干。

4.2 下部承壓水的防治

由于基坑滲透穩定驗算不滿足要求，需主動采取基坑承壓水突涌控制措施來保證基坑施工的安全運行。方法可采用降水控制承壓水頭、或采用隔滲帷幕切斷水力傳遞、或加固基坑地基抵抗水壓。

降水方案，系依據地下水滲透原理通過抽排地下水，降低基坑內的水頭壓力，消除承壓水突涌給基坑施工帶來的風險。優勢在于方法可控、投資節約；缺陷在于降水運行期間會引起一定的周邊地面沉降。

隔滲帷幕方案，以帷幕坐底截斷承壓水補給方式切斷水壓力傳遞，從而達到消除基坑隔水地基承受水壓滲透破壞的壓力，消除承壓水突涌風險。優勢在于方法可控、一次投資不干擾后續基坑施工；缺陷在于投資大，尤其是含水層深厚時沒有工程優勢。

加固基坑地基方案，類似帷幕工藝采用注漿或高壓旋噴樁加固底板，結合側向帷幕實現“五面圍封”的方式消除承壓水突涌的風險。優勢在于一次投資不干擾后續基坑施工；缺陷在于投資較大，施工質量控制要求高，有一定失效風險，并補救困難。

治理方案建議：結合新建場區周邊環境寬松條件和經濟性比較，建議采用以控制承壓水水頭來防止基坑突涌的降水方案。

5 降水方案

本節降水方案基于承壓水突涌控制需要而安排。在此僅依據已有工程條件和工程經驗初步估算降水方案的初步情況，供下步工作參考。

5.1 基坑總涌水量Q總估算

基坑面積約1 900 m2，承壓水含水層厚度M為15.0 m，滲透系數k取5.0 m/d，影響半徑R取250 m，降深設計取12.0 m（按最不利考慮）；按大井簡化均質含水層承壓水完整井估算結果，基坑總涌水量Q總約2 355 m3/d。

5.2 單井出水量qo估算

擬按直徑245 mm過濾井管考慮，過濾器進水長度10.0 m，估算結果單井出水量qo約789 m3/d。考慮安全儲備及目前降水設備抽水能力，降水井單井設計流量采用500 m3/d 是完全可控的。

按500 m3/d 流量進行單井設計，該基坑僅需采用5～6口降水井進行降水，即可控制該基坑承壓水突涌的風險，所需費用節省且可控。

當然，該估算采用的含水層滲透系數、降水影響半徑均為經驗估計，不足為工程實際采用。該工程應按復雜場地深基坑工程相關規定和要求，為降水方案或該深基坑工程地下水的防治方案設計進行專門的水文地質勘察［3］，并應選擇具備相關專業能力、經驗豐富的單位進行該項工程的專項設計與施工管理，避免盲目經驗主義，加大工程風險或不可控。

6 工程風險控制

深基坑工程具有高危風險，基坑監測與風險預警是工程風險控制的重要安全措施之一，應高度重視并嚴格執行［4］。基坑監測對象包括支護結構、地下水狀況、基坑底部及周邊土體、周邊建筑、重要管線、重要道路及其它應受保護監測的設施等。該基坑具體的應力、應變監測要求及風險預警條件可依據基坑設計文件要求執行，并應參考相關規范、標準及地方經驗進行補充。

以下僅對該基坑地下水防治工程監測要求進一步說明。

6.1 基坑地下水防治工程施工監測的主要內容

1）止水帷幕是否存在開裂、滲漏；

2）基坑內有無涌土、流沙、管涌；

3）地表、地下水的排放狀況是否正常；

4）周邊管道有無斷裂滲漏情況；

5）周邊道路沉降、有無開裂情況；

6）觀測井、降水井的水位波動是否正常；

7）降水（及回灌）設施運轉是否正常等。

6.2 基坑地下水防治工程施工監測的頻率

按該類別基坑的監測要求，相關監測內容宜每天觀測或檢查至少1次并記錄；在基坑開挖至10 m以下或最后一道支撐形成，進行最后一次土方開挖過程中應增加監測密度至每天至少2次；在基坑底板澆筑完成，混凝土強度達到7 d齡期強度后，可逐步減少觀測密度至1天1次、2天1次或3天1次，直到基坑周邊回填基坑完工為止。

另當基坑施工過程監測出現風險預警條件時，應立即加大監測頻率直至風險解除；而當基坑有危險事故征兆時，應視具體情況實時跟蹤監測。

6.3 基坑地下水防治工程監測風險預警

當地下水防治監測內容之一出現任何異常時，均應立即向工程施工管理人員及設計人員提出工程風險報警，以分析原因和險情，采取措施排除風險或立即啟動應急避險方案。

其中當基坑周邊地面累計沉降達到25～35 mm應立即預警；道路地表裂縫10～15 mm或持續發展時應立即預警；觀測地下水位波動累計大于1 000 mm或波動速率大于500 mm/d時應立即預警。

7 結 語

地下水是影響深基坑工程施工安全的重大風險源之一，類似工程應提高風險意識，重視工程技術管理。

1）深基坑工程地下水治理應堅持先勘察、設計，再施工的基本原則，避免盲目經驗主義加大工程風險。

2）對于水文地質條件復雜的深基坑工程，應進行針對性水文地質專項勘察，確保基坑地下水防治設計的可靠性。

3）地下水治理方案的選擇，應在充分評估工法對周邊環境不利影響程度的基礎上，再結合經濟性優選。

4）基于巖土水工程的復雜和不可預見，深基坑工程、以及地下水危害防治工程施工過程監測與風險預警，是把控風險發生最有效的安全措施。

［1］ 中國建筑科學研究院.JGJ 120—2012 建筑基坑支護技術規程［S］.北京∶中國建筑工業出版社，2012.

［2］ 中國電力企業聯合會.DLT 5148—2012 水工建筑物水泥灌漿施工技術規范［S］.北京∶中國電力出版社，2012.

［3］ 建設部綜合勘察研究設計院.GB 50021—2001 巖土工程勘察規范［S］.北京∶中國建筑工業出版社，2009.

［4］ 濟南大學，萊西市建筑總公司，山東省工程建設標準造價協會.GB 50497—2009 建筑基坑工程監測技術規范［S］.北京∶中國建筑工業出版社，2009.

Analysis on the Prevention and Treatment Scheme of Underground Water for a Deep Foundation Pit Engineering

CHEN Gang， WU Bo， SUN Xuxia， LI Shulun

TU46+3

B

1008-3707（2016）08-0027-04

2016-03-29

陳 剛（1969—），男，湖北武漢人，工程師，從事巖土工程勘察與施工管理工作。