軟土地區超大深基坑開挖中的地下水控制技術及工程案例

張 弛

(上海建工二建集團，上海 200080)

0 引 言

軟土地區超大深基坑工程面臨的主要風險是由地下水引起的基坑本體,以及基坑變形引起的對周邊環境影響的風險[1]。基坑本體風險主要包括支護體系失穩破壞、地下連續墻滲漏,以及基坑突涌等。對周邊環境的影響則主要包括,由基坑開挖或降承壓水引起的坑外土體的變形引發的坑外構筑物、地鐵、管線等發生不均勻的沉降或破壞。

地下水控制是巖土工程中的重要問題,并廣泛地應用在基坑工程、隧道工程,和邊坡工程中。地下水控制方法大體分為三種:一、降水;二、隔水;三、兩者結合[2]。降水是指人工降低地下水位,將基坑內水位降到開挖線以下,在其降水的范圍內形成降水漏斗。其缺點是會引起周邊地面的沉降。隔水是設置防水帷幕,包括水平向和豎直向防水帷幕,用以切斷基坑內外的水力聯系。對于軟土地區的超大深基坑而言,由于基坑面積越來越大,開挖深度越來越深,項目綜合體各分區同時施工,會形成各基坑相互聯系而共同組成基坑群。因而在實際施工此類超大超深基坑中,需要考慮群坑效應,并采用圍護-降水一體化的設計[3]。

1 概 述

以超大超深基坑的地下水控制技術為例,基坑開挖過程中水的來源基本包含地表水(上層滯水)、潛水,和承壓水三類[4]。地表水的排水措施根據表層土的情況確定。對于密實度高、含水量不大的表層土采用明排。對于松散、含水量大的表層土,則采用隔滲措施或設集水井排水。潛水通常處于地質淺部的粉土、粉砂層。常用的地下控制方法有輕型井點及多點淺井,或帶反濾層的大井降水。承壓水的處理通常也有隔水、降壓,和封底三種技術手段。

2 地下水控制技術

目前成熟且應用廣泛的地下水控制技術,按照降水方式的不同分為:明排、止水帷幕、井點降水(減壓)、引滲,和回灌等。其中井點又分為:輕型井點、噴射井點,和電滲井點。

2.1 明排

基坑開挖時,沿坑底四周開挖排水溝,在排水溝內每隔一定距離設置集水井,基坑挖土時滲出的水,經排水溝流向集水井,再用潛水泵抽出基坑。隨基坑開挖深度增加,排水溝和集水井也隨之下移。明排法適用于含水層較薄、降水深度較小(一般不超過2 m)、不易產生流沙、流土、管涌和塌陷等現象的黏性土、砂土和碎石土地層。基坑地下水位超過基礎底板標高不大于2.0 m,滲透系數小于0.5 m/d,降水深度小于2.0 m。可單獨使用或組合使用。

2.1.1 坑底排水

一般來說,排水溝低于基坑0.3～0.4 m,集水井低于排水溝0.8～1.0 m,排水溝可以是明溝,也可以填入滲透性較好的砂石做成的盲溝。

2.1.2 基坑側壁排水

當基坑深度范圍內有多個含水層,由于不能完全疏干含水層中的地下水,基坑側壁出現分層滲水時,應在各含水層底部設置導水管,將地下水導出。

2.2 止水帷幕

基坑開挖前環繞基坑四周做封閉的止水帷幕,阻止地下水向基坑內流動,實現坑內無水。止水帷幕截水方法幾乎不受工程地質和水文地質條件的限制,在軟土地區或基坑臨近大型地面水體時尤為適用。止水帷幕根據其底部是否插入下臥不透水層,分為落底式和懸掛式兩種。對于落底式豎向隔水帷幕,其插入下臥不透水層的深度可按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-99)的規定執行,即:

l=0.2hw-0.5b

(1)

式中:l為帷幕插入不透水層的深度;hw為作用水頭;b為帷幕厚度。止水帷幕還應進行基坑底的抗管涌驗算。基坑開挖后,地下水在基坑內外形成水頭差h′,基坑底以下的土浸在水中,其有效重度為浮容重γ′。當地下水的向上滲流力j≥γ′ 時,土粒出于懸浮狀態,于坑底產生管涌現象。要避免管涌現象產生,則要求:

γ′≥Kj

(2)

(3)

式中:L為滲流路徑計算長度。以上海規范為例,計算滲流計算長度為垂直向滲流路徑的1.5倍。則可得出不發生管涌的條件為:

(4)

因為有,

(5)

(6)

則不發生管涌的條件還可寫為:

(7)

式中:Jcr為臨界水力坡度;Gs為土的比重;e為土的孔隙比;n為土的孔隙度。當抗滲流驗算不滿足時,應考慮增加隔水帷幕插入基坑底以下的深度,或坑外增加降水或減壓措施。當基坑底位于深厚含水層,且含水層滲透性較強時,可采用懸掛式隔水帷幕與水平封底或坑內井點降水相結合的方案。

2.3 降水井

常用的井點根據降水原理的不同,可分為真空井點、輕型井點、噴射井點和管井等。

2.3.1 真空井點

真空井點降低地下水位,是沿基坑四周或一側,以一定的間距將較細的井點管沉入含水層中,井點管上部與總管相連,通過總管利用真空泵將地下水從井點管中不斷抽出,以達到降低地下水位的目的。

真空井點法適用于滲透系數為0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地層,適用于抽降上層滯水或水量不大的潛水。受真空泵工作原理限制,單級真空井點法降水深度不超過6 m,如基坑較深則需采用多級井點,這需要有足夠的場地條件。

2.3.2 輕型井點

如用井點設備降低地下水時,水位的降低會引起土體固結,使周圍地面產生降沉,如不采取措施,亦會危及基坑附近的建筑物、地下管線和道路。深基坑的開挖,基坑的變形和周圍地面的沉降是施工中亟待解決的問題之一。

2.3.3 噴射井點

噴射井點有噴水井點和噴氣井點兩種,其工作原理相同,只是工作流體不同。前者以壓力水作為工作流體,后者以壓縮空氣為工作流體。與真空井點不同的是,真空井點是在真空泵的作用下,在包括集水箱、總管和井點管的整個系統內形成一定程度的真空,而噴射井點是通過高速水流或氣流在噴嘴處形成真空,在井點管內形成最大限度的真空度。

噴射井點法適用于滲透系數為0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地層,適用于抽降上層滯水或水量不大的潛水,其降水深度可達20 m。

2.3.4 管井

管井降水系統由井管和抽水設備組成,井管由井壁管和過濾器兩部分組成,目前常用的是無砂混凝土管。抽水設備根據不同的降水深度及出水量要求,選用合適揚程和流量的離心式水泵、深井潛水泵或深井泵。管井降水適用于滲透系數為1.0～200 m/d的粉土、砂土、碎石土地層,尤其適用于水量較大的潛水或承壓水層,其降水深度超過5 m,其應用最廣。

2.4 減壓井

當基坑坑底為不透水層或弱透水層,其下為承壓水層時,基坑開挖后,下伏的承壓水可能使基坑底部出現突涌、隆起、流沙等破壞,應按下式進行基坑底抗滲流穩定驗算。

(7)

式中:γm為承壓含水層以上的土飽和重度,kN/m3;t+Δt為承壓含水層頂面距基坑底面的深度,m;Pw為承壓水壓力,kPa;γRw為基坑底土層滲流穩定抗力分項系數,γRw≥1.2。

當由上式驗算不滿足要求時,應預先在基坑四周或基坑內部布設管井井點,降低下伏承壓水的水頭,保證基坑的安全。

2.5 引滲

當存在多層含水層,且下部含水層的水位低于上層水位時,可以通過井孔或砂井等將上層水引滲到下層含水層中。如混合水位滿足降水要求,則可自然降低地下水位;如混合水位不滿足降水要求,可通過抽降下層地下水降低地下水位。也可采用抽滲結合的方法,效果更好。引滲井可在基坑內外布置,井間距宜根據試驗確定,一般采用2.0～10.0 m。采用引滲井時應注意淺層地下水,對下部地下水的污染問題。

3 工程實例

以浦東機場T3航站樓的超大超深基坑的地下水控制技術為例,采取的降水措施如下:

(1) 二、三層土中的水采用自流井(管井變種)。

(2) 四層土土中的水采用管井降水。

(3) 應對七層土(假設20 m左右)、九層土② (假設30 m左右)中的承壓水采取的措施:由于承壓水層水量大、9層② 土本身的覆水性好、深井和管井本身的出水量有限,以及水泵出土功率有限制等原因,采用深井降水措施(一般也不容易抽干)。

(4) 也可以采取止水帷幕的降水措施,設計單位根據勘探結果和結構要求,來設計合理的止水帷幕深度。

(5) 需要注意的是,多加深井可以多抽承壓水,但承壓水抽取過多會帶來基坑沉降問題。深井的“水量漏斗”范圍一般有幾千米,不同形狀的水量漏斗對應的沉降會相互疊加,造成總沉降更難估算和控制。

本基坑工程開挖影響范圍內主要含水層有:⑤ 2層砂質粉土、⑤ 3-2層砂質粉土、⑦ 1-1層砂質粉土、⑦ 2-1粉砂、⑦ 2-2層粉砂含水層組、⑨ 1層粉砂、⑨ 2層細砂含水層組,和粉砂含水層。

場地范圍內地層分布特征差異較大,總體上分為北區和南區兩個區。北區地層特征表現為:無微承壓含水層分布、⑦ 層分多個亞層、層頂埋深淺、厚度約40 m、垂向滲透性差異大,以及⑦ 、⑨ 、層連通。南區地層特征表現為:局部分布⑤ 2層，⑤ 3-2層微承壓含水層、起伏大、呈透鏡體狀，⑦ 層普遍埋深約38 m，⑤ 2層、⑤ 3-2層切割區埋深多超過50 m,以及⑦ 、⑨ 、層連通。

針對浦東機場T3航站樓的超大超深基坑,采取的地下連續墻隔水措施。在50 m深的地下連續墻全深度范圍內,采用常規抓斗式成槽機成槽。墻體的垂直度偏差應控制在1/500以內。為確保工效,試驗期間施工工效為0.8幅/d。對于70 m深的地下連續墻,則可采用上部抓槽、下部銑槽的抓銑結合工藝。墻體的垂直度偏差可控制在1/800以內,且工效較高,試驗期間施工工效為0.7幅/d。通過采用合理的泥漿配比可以達到良好的護壁作用,能夠確保50 m和70 m深地下連續墻在24 h內的槽壁穩定。采用氣舉反循環進行二次清孔后,可以有效地清理槽底沉渣,墻底取芯監測需要做到墻體無明顯沉渣。

4 搶險措施

在基坑開挖前,防患于未然,需要提前做好應急搶險方案。如果遇到基坑突涌的情況,會采取坑內明渠強排、控制水頭、使用抽水井等措施。若7②層土出現突涌等基坑問題,可采用粗石粒,加注聚氨酯等發泡絕緣材料。堵住管涌后再采用明排,強排的辦法,多做幾口井。排水條件不好時,相關計算采用固結排水強度指標。需要時刻根據現場情況來取用土體的強度指標。最不利情況下,也有應急搶險隊。