淺析互層土地區深基坑的開放式降水

劉 波 付 磊

（瀏陽經開區投資發展有限公司，湖南 瀏陽 410331）

大部分基坑事故與地下水控制不當有關，故地下水控制是深基坑工程成功的關鍵。武漢市區某深基坑工程開挖深度最大達到28.8 m，是武漢地區開挖較深的基坑。盡管該深基坑在施工過程中出現了一些問題，但通過深入分析原因，采取合理有效的措施，在保證施工安全的前提下節省投資和工期。

1 工程概況

1.1 工程地質和水文地質條件

該深基坑工程場區原為武漢王家墩機場，場區較為開闊，周邊無明顯建筑物。擬建場地屬于漢口區長江I級階地地貌，地層條件比較復雜，其土層概化如圖1所示，屬于典型的二元相結構。場地內的上層滯水主要賦存于自然地面下4.5～12.1 m范圍內，其水量受氣候和周圍補給影響較大。粉質黏土夾粉土、粉砂層及含圓礫中砂層中含有承壓水，與長江、漢江存在水力聯系，且承壓含水層厚度比較大。

基坑總開挖面積約21 700 m2，基坑開挖深度20.2～28.8 m（坑中坑），基坑呈不規則多邊形，工程樁采用鉆孔灌注樁。

1.2 基坑降水設計方案

基坑降水的目的是疏干和減壓，降水的目的層是粉質黏土夾粉土、粉砂以及粉細砂與粉質黏土互層。對該互層土中的承壓水采用深井降水，該降水方案按穩定流承壓非完整井考慮，采用大井法對基坑最大涌水量進行計算。最后設計結果為，在普挖區布置57口普通降水井和2口觀測井，單井抽水量50 t/h；塔樓區需布置20口深井降水井和2口觀測井，單井抽水量80 t/h，降水井布置如圖3所示。

圖1 降水井結構與地層概化復合圖

2 基坑工程降水施工過程中遇到的問題

2.1 基坑西側和南側放坡段發生明顯變形和滑塌

基坑的-10.1～-20.2 m標高段采用樁錨支護，基坑的0～-10.1 m標高段采用SMW工法樁加放坡噴錨支護，由于勘察報告中該地層淤泥質土層厚度比實際厚度小1～2 m，據此設計的SMW工法樁不能滿足基坑開挖的要求，在基坑西側和南側該支護結構發生變形破壞。事故發生后進行施工變更，西側和南側采用二級放坡加土釘噴錨支護，在坑內采用深井降水的同時，南側局部放坡段仍發生滑塌，其他部位及西側放坡段坡頂裂隙寬度最大達20 cm，并有下滑之勢，且發展速度加快。鑒于此，采用打木樁和坡底沙袋反壓將其下滑速度控制，并在坡面土釘噴錨掛網支護和坡底設排水溝來排水，但隨著基坑工程的進行，滑塌仍緩慢進行，且其影響范圍進一步擴大。

2.2 基坑周邊沉降明顯

根據基坑北側、東側、南側沉降監測點的實測數據繪制沉降曲線圖2，可知，隨著降水的進行，基坑周邊沉降量較明顯。

圖2 沉降曲線圖

從圖2可以看出，由于基坑開挖，在基坑未抽水階段，基坑周邊已存在4～20 mm不等的地層沉降。進入降水階段，沉降監測點沉降量開始增大，且隨著日降水量的增加，監測點沉降速度開始提高，這基本與基坑的水位降同步，但在時效上滯后基坑降水；降水井投入使用的順序是由普挖區轉向塔樓區，這使得三處沉降監測點的沉降呈現出異步性，且由于互層土水位降的滯后性，故基坑周邊沉降也表現出一定的滯后性和異步性。從圖2可以看出，基坑東側和南側的最大沉降量分別為7.5 cm和8.2 cm，沉降比較大。

2.3 部分降水井出水不連續且出水量比較小

當基坑開挖至-6 m時，降水井開始投入工作，但降水井運行一段時間后發現，部分降水井出水不連續且出水量比較小，這在降水井數量沒有一定的安全儲備的情況下，對深基坑進行降水施工構成一定的威脅。

3 原因分析及解決措施

3.1 基坑西側和南側放坡段發生滑塌的原因分析及解決措施

該基坑工程施工期大多為雨季，水量來源豐富，地下水位過高，且上層滯水因黏土層的阻隔而與承壓水水力聯系微弱。互層土中的上層滯水不能很好地下滲至砂土中隨基坑深井降水而抽排，上層滯水只能從側向滲出，所以這才致使基坑的西側和南側的放坡段在噴錨掛網、打木樁及坡底反壓的情況下仍發生滑坡。

鑒于此，在基坑內水位得到有效控制的前提下，據宜疏不宜堵的原則，在基坑的西南側CDE段坡頂增加了7口疏導井 （SD1-SD7）兼作觀測井，疏導井結構和布置分別如圖1和圖3所示，以將上層滯水和互層土中的微承壓水導流至地層深處透水性強的砂土層中以通過深井降水加快上層滯水的抽排，從而達到標本兼治的目的。該場地原上層滯水水位-4.5～-12.1 m，但通過設置疏導井后，其水位下降至-14.6～-19.4 m。同時，基坑的西側和南側坡頂的最大水平裂縫穩定在20 cm，且其變形范圍得以控制，其效果明顯。

圖3 降水井及沉降監測點平面布置圖

3.2 開放式基坑降水導致周邊沉降的原因分析及沉降控制

該基坑采用開放式降水，對基坑周邊環境無法避免地造成不利影響，其中地面沉降最為突出。在施工降水過程中如何將地面沉降降至最低成為亟待解決的問題。被疏干的含水層及其相鄰的可釋水、欠固結的部分地層是基坑降水真正引起地面沉降的地層。本工程的上層黏土和粉質黏土層釋水困難，且含水量小，對降水引起的地面沉降貢獻較小，引起沉降的主要地層是賦存承壓水的粉砂及粉細砂層，故控制好承壓水的抽排量可減少沉降量。信息化施工，動態監測水位，分區抽水，按需抽水，是控制基坑周邊沉降的關鍵。

在基坑開挖至地下室底板澆注完畢這個過程中，通過對南北二區觀測井的水位監測結果分別繪制出基坑降水抽水量時程圖和觀測井水位時程圖如圖4所示，以此來指導基坑施工。

圖4 觀測井水位時程圖

本基坑施工面積大且開挖深，為了將抽水量降至最低，根據基坑施工面位置和水位動態監測結果調整開啟降水井的數量。觀測井G1和G3的水位時程曲線見圖4，根據圖4可知，當普挖區降水井開始運行至20 d的時候，基坑整體地下水位下降較緩慢，塔樓區水位降幅較普挖區小。隨著降水時間的延長和降水井開啟數量緩慢增加，普挖區地下水水位降速變慢并趨于穩定，并最終維持在-23 m左右。綜上可知，塔樓區在普挖區大量降水的基礎上，并在塔樓區開挖前15 d就啟動該區域布置的降水井，當降水至第35 d到第45 d期間，塔樓區啟動的降水井數明顯增加，該區域地下水位也迅速下降，其水位最終維持在-29 m左右，其地下水位在南區剛開始挖土時就已經達到設計要求的水位。這在一定程度上減少了總抽水量，從而達到按需抽水，節約工期的目的。

3.3 部分降水井出水不連續且出水量比較小的原因分析及解決措施

通過對降水井出水問題進行分析，其原因有以下三點：

（1） 場地的含水層中粉細砂與黏土層互層，且土層分布不均，設計和施工將其簡化為均勻土層處理，以至運行降水井的時候其黏土層粉質顆粒黏附在濾網上，堵塞了濾孔，且互層土中的黏性土層作為相對隔水層使其越流水量減小，導致出水量變小，從而引起“掉泵”。

（2） 深井濾料的顆粒孔隙比偏小且級配連續，施工時，濾料未填到指定高度，影響深井的出水量。

（3） 洗井不夠及時和充分，致使成井過程中護壁泥皮逐漸老化難以破壞和過濾層中夾雜的黏性土阻礙滲流路徑，影響滲水效果，以致水量反應不靈敏。

針對上述問題提出以下措施： （1） 在互層土地區，當土層釋水速度慢時，宜通過增大降水井管徑和井周濾料厚度來增大降水井的出水速度和出水量，且濾料厚度要均勻。 （2）為了防止堵塞井管而影響出水量，施工過程中嚴格控制濾料級配，濾料圍填完畢后經測量符合設計標高后方可使用優質黏土圍填，不得使用大塊黏土。 （3） 改善泥漿指標，增加洗井時間，降水井投入使用前進行試抽，當出水量和出水速度符合要求時方可投入使用。

4 結語

（1）對于上層滯水補給充足，放坡深度范圍內分布有淤泥質黏土或工程性質不良的黏土時，據宜疏不宜堵的原則，宜在放坡段坡頂設置疏導井，將其上層滯水疏導至降水井的降水目的層，這對于控制邊坡變形作用明顯。

（2）對于采用開放式降水的大面積和大降深的深基坑，信息化施工，動態監測水位，分區分層抽水以及按需抽水是控制基坑周邊沉降的關鍵。

（3）對于基坑周邊環境比較敏感的地區，當基坑采用開放式降水時，應該設置必要的隔水帷幕輔助基坑降水。

（4）由于黏土夾層水位降的滯后性，使得互層土中的水位降敏感性降低，所以對于地層條件類似于本工程的基坑工程，降水要比基坑開挖提前20～30 d進行，這有利于縮短水位下降時間而節省工期。