軟土地區深基坑降水設計施工技術研究

(上海理工大學環境與建筑學院，上海 200093)

基坑工程是建筑物地下結構施工時，為了保證地下結構的順利施工和保護周邊環境不受影響而采取的一系列措施，是一項綜合性強、技術復雜、影響因素眾多的系統工程[1-2]。

基坑降水可為基坑的開挖提供良好的施工環境，對周圍土體加固、支護結構的穩定和水壓力減小起著重要的作用[3]。在建筑物密集而且地下水位較淺的地區，進行基坑開挖時，必須考慮基坑降水。基坑降水不僅避免了水中作業，而且還提高了基坑巖壁以及支護結構的穩定性，繼而提高了工程施工質量[4-5]。基坑降水主要是通過減小開挖土體含水量，即采取一系列措施使基坑內或基坑內外的水位降低至基底面以下[6-7]。

1 工程概況

1.1 工程背景

本工程項目位于上海市，占地約50 200m2，本工程±0.000為絕對標高+5.340m，場地絕對標高為+4.00～+5.00m，圍護施工前場地整平至+4.00m。本工程地下三層，基坑大底板開挖深度為15.877～18.877m，局部深坑開挖深度為16.877～18.877m，基坑圍護開挖面積34 125m2，基坑共劃分成2塊區域施工，Ⅰ區面積22 536m2，挖深約16m，Ⅱ區面積11 589m2，挖深約19m。

本工程基坑采用順作法，圍護結構及中間隔墻全部采用鉆孔灌注樁，止水則采用三軸攪拌樁，坑底加固采用高壓旋噴。由于2、3期緊鄰該地塊的零期及1期，零期及1期地下建筑已經完成且回填，其共用圍護結構與2、3期共用，即西側利用零期地下連續墻圍護； 坑內沿豎向設4道鋼筋混凝土支撐，局部設第5道鋼支撐。

1.2 地質條件

本工程施工影響范圍內的土層由上及下分別為： ①雜填土， 3.5m厚； ③淤泥質粉質粘土，夾粘質粉土， 4.3m厚； ④淤泥質粘土， 5.3m厚； ⑤1粘土， 2.9m厚； ⑤2粉砂， 16.5m厚； ⑤3粉質粘土， 8.4m厚； ⑥粉質粘土， 4.6m厚； ⑦1粉砂， 6.5m厚。

擬建場地地下水類型有淺部土層中的潛水、中部土層中的微承壓水(第⑤2層)和深部土層中的承壓水(第⑦層和第⑨層)。

(1)潛水

由于潛水與大氣降雨關系十分密切，故水位呈季節性波動，因此潛水水位高低主要取決于降雨量的大小和雨期持續時間。根據巖土工程勘察數據，基坑鉆孔中地下水埋深約0.10～1.20m，相應絕對高程為2.19～3.11m。

(2)承壓水

擬建場地淺部分布有第⑤2層粉砂，其厚度較大，該層土層賦存的地下水水量較豐富且具有一定的承壓性，屬微承壓水含水層。擬建場地內分布第⑦、⑨層砂(粉)土層，該土層賦存地下水水量豐富，為承壓含水層。

因為本工程基坑開挖深度約為19.45m，所以對本工程有影響的主要是淺部的潛水、第⑤2層中的微承壓水和第⑦層中的承壓水。根據巖土工程勘察報告中注水試驗測得第⑤2層微承壓水水位埋深約為4.0～8.0m，第⑦層承壓水水位埋深約為4.0～9.0m。場地土層微承壓含水層等值線圖如圖1-2所示。

a.含水層頂埋深 b.含水層底埋深 圖1 場地下伏第⑤2層微承壓含水層埋深等值線圖(單位：m)

a.含水層頂埋深 b.含水層底埋深 圖2 場地下伏第⑦層承壓含水層埋深等值線圖(單位：m)

2 降水施工難點

根據本工程圍護結構特征和擬建場地的地質水文地質特征，本基坑工程安全極的大程度上依賴于基坑降水的成功與否，這使得降水設計的可靠性十分重要，本降水工程的特點如下所示。

1)擬建場地北部位于古河道地層分布區，其中第⑥、⑦層缺失，第⑤2層粉砂層為微承壓含水層，且厚度較大； 南部為正常地層分布區，第⑥、⑦層正常分布，底部存在第⑦層承壓含水層。

2)地下三層區域，大底板基坑開挖深度在15.877～18.727m，在古河道地層分布區局部深坑底面已經揭穿第⑤2層含水層。

3)基坑下伏的第⑤2層、第⑦層承壓含水層頂板埋深較淺，且第⑤2層和第⑦層局部聯通，基坑坑底面臨承壓水突涌風險。

4)整個基坑圍護結構的止水帷幕采用單排三軸攪拌樁，鑒于三軸攪拌樁的施工工藝、質量等仍存不確定因素，承壓水對基坑安全存有一定的威脅。

5)本基坑面積較大，基坑開挖深度較大，且古河道地區止水帷幕未能隔斷第⑤2層微承壓水，局部深坑分布較為零散，減壓降水涉及的范圍較大。降低承壓水位勢必會對臨近建筑物及地下管線等造成一定程度的影響，環境要求較高，降水必須做到按需降水。

6)基坑西側和北側緊臨已建成的市政道路和相鄰地塊，周邊環境變形控制要求高。

3 降水設計

3.1 減壓降水數值分析

根據擬建場地的工程地質與水文地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，本次設計采用了三維滲流數值法進行計算，為減壓降水設計與施工提供理論依據。

本次承壓水減壓降水設計中，減壓降水目的層為第⑤2層和第⑦層微承壓含水層。考慮到降水過程中，上覆潛水含水層將與下伏微承壓含水層組之間將發生一定的水力聯系，因此，將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層組一起納入模型參與計算，并將其概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型。

根據上述水文地質概念模型，建立下列與之相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型：

式中:

S為儲水系數；Sy為給水度；

M為承壓含水層單元體厚度(m)；

B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度(m)；

kxx,kyy,kzz分別為各向異性主方向滲透系數(m/d)；

W為源匯項(1/d)；

h為點(x，y，z)在t時刻的水頭值(m)；

h0為計算域初始水頭值(m)；

h1為第一類邊界的水頭值(m)；

Sx為儲水率(1/m)；t為時間(d)；

Ω為計算域；Γ1為第一類邊界。

對整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將上述數學模型進行離散，就可得到數值模型，以此為基礎編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。離散模型三維圖見圖3、4。

圖3 離散模型網絡三維圖

3.2 減壓降水設計

3.2.1 第⑤2層微承壓水

本工程場地下伏第⑤2層承壓含水層有一定的起伏，坑內減壓降水井井深分別設置為23m、27m、32m三種結構。經過計算，基坑需要布置減壓降水深井57口(備用10口)，水位才能滿足承壓水抗突涌穩定性計算的要求，第⑤2層基坑降水運行后預測基坑水位埋深、降深等值線圖見圖5、6。

圖4 模型地層剖面三維圖

圖5 第⑤2層預測基坑水位埋深等值線圖(單位：m)

圖6 第⑤2層預測基坑水位降深等值線圖(單位：m)

3.2.2 第⑦層微承壓水

本工程場地下伏第⑦層承壓含水層有一定的起伏，坑內減壓降水井井深分別設置為39m。經過計算，基坑需要布置減壓降水深井26口(備用5口)，水位才能滿足承壓水抗突涌穩定性計算的要求，第⑦層基坑降水運行后預測基坑水位埋深、降深等值線圖見圖7、8。

圖7 第⑦層基坑水位埋深等值線圖(單位：m)

圖8 第⑦層基坑水位降深等值線圖(單位：m)

3.3 水位觀測及備用井設計

3.3.1 坑內水位觀測及備用井

在基坑施工過程中，由于施工現場工序工種繁多，常常出現對減壓降水深井保護不力而致其破壞，無法按預期完成降水目的，在降水計算的基礎上，需設置坑內降水應急備用井，其數量約占正常運行降水井的20%左右。同時，減壓降水過程中，基坑內水位觀測非常必要，根據水位觀測井的水位變化，指導減壓降水所需開啟的降水井數量及開啟的時間。

因此，在本工程基坑中，坑內至少需要布置10口第⑤2層微承壓水位觀測井兼應急備用井，至少需要布置4口第⑦層承壓水位觀測井兼應急備用井，井結構同所在區域減壓深井。

3.3.2 坑外水位觀測井

本工程基坑周邊條件復雜，環境保護要求高，一旦圍護結構對上部微承壓含水層的隔水效果不理想，坑內抽降地下水過程中，將引起坑外地下水的同步變化，進而導致坑外環境的地面沉降加劇。因此，坑外需分層布置第⑤2層和第⑦層承壓水的水位觀測井。

沿整個主基坑外側按照間距50m/組布置獨立坑外水位觀測井，監測坑外水位變化情況，坑外微承壓水水位觀測井采用650大井，確保監測數據真實有效。

坑外第⑤2層微承壓水水位觀測井，井深25m，過濾器6m，共布置4口； 第⑦層承壓水水位觀測井，井深39m，過濾器7m，共布置8口，在有第⑤2層與第⑦層的區域，第⑤2層與第⑦層坑外水位觀測井成組布置。

3.4 真空疏干深井設計

對于地下三層開挖深度范圍內的潛水，采用真空疏干深井形式進行處理。為確保基坑順利開挖，需降低基坑開挖深度范圍內的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括①、 ②③、③t、 ④⑤1層潛水。

坑內疏干深井數量按下式確定：

式中，n—井數(口)；

A—基坑需疏干面積(m2)；

a井—單井有效疏干面積(m2)；

因為該地區在以淤泥質粘土、粘土為主的潛水含水層中，單井有效疏干面積一般為150～200m2，因基坑內進行了裙邊及部分深坑坑底加固處理，在布置疏干深井時僅可能避開加固區，綜合考慮單井有效疏干面積按200m2布置。

4 施工降水運行

4.1 降水運行

抽水井個數和抽水量大小應根據基坑開挖深度和承壓水頭埋深要求進行控制，降水工作應在地下構筑物施工至上覆壓力和地下水頭的頂托力平衡后才能停止降水。停止降水的時間根據上覆壓力與頂托力的平衡計算結果確定的計算結果，然后取得設計的認可后，施工現場才能停止降水。

根據實際挖土進度，分塊分區分層挖土的特點，在正式抽水運行后，分別在基坑內外布設的觀測井，每天固定時間測量開挖過程中基坑內外的水位變化，并對坑內外部分觀測井放置水位探頭進行自動監測(如圖9)，采用DT515數據采集儀對地下水進行實時監控，一方面用于水位測量，另一方面用于監控水位狀態，一旦水位異常，可以第一時間發現，及時作出處理。

圖9 水位監測自動采集系統

4.2 疏干深井運行

真空疏干深井降水應在基坑開挖前15-30天或更早進行，以保證有效降低開挖土體中的含水量，確保基坑開挖施工的順利進行。并根據要求加載真空負壓，以疏干基坑上部開挖土體，開挖過程中保持繼續持續抽水，進一步疏干上部土體。

根據進度，井內水位應控制在開挖面以下一定深度內，在真空疏干深井正式抽水前，監測單位應及早施工坑外潛水位觀測孔。潛水水位觀測孔施工完成后及時開啟真空疏干深井進行疏干降水。一般情況下，真空疏干深井基本保持24小時連續抽水，出現降水異常時，根據需要進行調整。

本次采用專有技術真空泵抽水、空壓機送氣的超級壓吸聯合抽水系統的方法降低潛水位，其中每3～4口井配備1臺真空泵，預抽水期間真空管路的真空度大于-0.06MPa，空壓機送氣系統和真空泵抽水系統同時開啟，抽水安裝示意圖見圖10。

圖10 真空疏干深井抽水示意圖

4.3 減壓深井運行

對于減壓井，為減少降水對周圍環境影響，必須按需降水，水位控制嚴格按照基坑穩定性分析中基坑開挖深度和承壓安全水位埋深曲線進行。

在減壓深井運行的過程中，需要注意一下幾點要求： ①承壓水提前預抽水時間一般為1天，即局部深坑開始挖土時依次開啟相應區域抽水，并隨基坑的挖土工況再進行增開其它深井。②基坑內所有減壓降水井均可通過開啟和關閉流量節制閥來調節出水量并控制水位。③平時坑內承壓水位監測，每天采用人工對未抽減壓降水井以及觀測井進行水位測量。④其他區域第⑤2層承壓水運行根據抽水試驗結果結合工況進行細化。⑤坑內第⑦層承壓水應在局部深坑開挖前根據實測水位進行穩定性驗算，盡可能不要抽水。

5 結論

根據本項目基坑工程的特點，采取了以下幾點應對措施保證降水施工的安全順利的推進：

1)對于地下三層開挖深度內的潛水，采用真空疏干深井形式進行處理。對于古河道區域第⑤2層微承壓含水層，通過在坑內布設減壓深井降壓處理，井的底端不超過止水帷幕的深度。對于正常地層區域的影響基坑安全的第⑦層承壓水，在坑內布設減壓深井，平時不進行承壓水的降水，在開挖到一定深度時再及時啟用，根據地下水位監測結果指導降水運行，做到按需抽水。

2)在每個基坑內宜布置獨立的水位觀測兼應急備用井，根據地下水位監測結果指導降水運行，在應急情況下啟動坑內的觀測井進行抽水。

3)在基坑外側布置適量的承壓水的水位觀測井，前期通過試降水判斷的止水帷幕的止水效果，后期降水運行中監測坑外的地下水位變化，指導基坑降水運行。

經過該項目后期施工，證明了該工程施工降水方案、排水方案等是適當和合理的，為同類型基坑工程的設計與施工提供一定參考。

[1] 李龍江， 深井降水的綜合應用技術[J].建筑技術， 2014, 45(7): 617-619.

[2] 楚劉輝. 關于蘇州地鐵車站基坑降水設計與施工的研究[D].石家莊鐵道大學， 2015.

[3] 孟巖， 劉龍濤，崔丹，祝荻，趙薇.北京市房地產建設項目輕型井點施工降水措施及計算方法探討[J].北京水務， 2013(06)： 52-55.

[4] 白恒恒. 地鐵某車站工程施工降水研究[J].鐵道工程學報， 2012, 29(08): 89-93.

[5] 馮雨潤之. 北京某地鐵站基坑降水數值模擬與沉降研究[D].中國地質大學(北京)， 2015.

[6] 李會鋒. 基坑降水開挖對鄰近建筑物沉降的影響分析[D].河北工程大學， 2015.

[7] 方光秀， 馬祥，羅江波.地鐵車站超深基坑工程大口徑管井降水的設計與施工[J].施工技術， 2012, 41(13): 13-17.