高水位粉砂土層綜合管廊基坑降水技術*

陳雁云，王云鋒，周春亮

(中交路橋華東工程有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著我國大規模經濟建設，地下工程項目數量越來越多、規模越來越大、基礎越埋越深、條件越來越復雜，各類地基基礎、基坑施工都需要考慮進行地下水控制[1]。地下水控制是工程建設的重要組成部分，具有很強的科學性和專業性，對巖土工程設計、施工的影響最大也最復雜。

在眾多影響基坑安全的因素中，地下水占有重要的作用。根據大量的基坑工程事故統計，很多都與地下水有關，而且后果往往很嚴重。地下水對基坑工程的影響，除了水土壓力中水壓力對支護結構的作用外，最主要在于基坑涌水涌砂、邊坡失穩(滑坡)、滲流破壞(流砂、突涌、管涌)、水土流失造成地面塌陷、排水固結引起地面沉降、建筑物變形以及水、土資源環境惡化等[2]。選擇合理的地下水控制方法，可防止地下水的不良作用對基坑安全及周邊環境產生影響，保障基坑工程和地下工程施工正常進行。

1 工程概況

高港大道(通港路～揚子江路)地下綜合管廊工程項目地處泰州高港地區，毗鄰長江，綜合管廊長2.462km，斷面尺寸為8.7m×4.0m，分3艙布置，分燃氣艙、綜合艙、電力艙，內含系統包括供配電、消防、通風、電氣、監控、排水等系統。

綜合管廊基坑開挖深度約為7～14m，建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設防烈度為7度，基坑支護結構安全等級為二級。綜合管廊基坑支護類型為鉆孔灌注樁+內支撐，鉆孔灌注樁為φ850@1 050排樁，樁頂設1 200mm×900mm鋼筋混凝土冠梁；鋼支撐采用φ800×10鋼管，縱向布置間距為6m，內支撐一端設置活絡端，施加250kN的預加力；灌注樁外側采用φ600@400雙重管高壓旋噴樁作止水帷幕，并結合管井降水，如圖1所示。

圖1 基坑支護示意

2 地質與水文條件

2.1 地形地貌

高港區屬長江三角洲沖積平原，古代是淺海，后來逐漸成為陸地。地形平坦，地面高程一般為2.000～5.000m、最低處1.800m(局部地面)。大體北部為高沙平原，南部為沿江平原，江岸線附近的狹長區域為江邊灘地。

2.2 地質條件

根據地質勘察報告，本項目的地基土體可分為4層，現從上至下依次為：①表土 灰褐色～灰色，上部含大量磚礫碎石等，下部由素填土組成，主要由粉土、粉質黏土組成，飽和，松散狀，局部含植物根莖，河道部位以淤泥、淤泥質土為主，該層土整個場區普遍分布，土質不均，成分雜，結構松散，為高壓縮性低強度土，工程性質差；②粉砂 灰黃色～青灰色，飽和，中密，以石英、長石、云母等為主要礦物成分，渾圓狀，磨圓性好，顆粒均勻，級配不良，黏粒含量極低，該層屬中偏低壓縮性、中等強度地基土，工程性質較好；③粉砂夾粉土 粉砂，青灰色，中密為主，飽和，主要礦物成分為石英、長石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級配不良，黏粒含量平均值低；粉土，灰黃色～青灰色，濕～很濕，稍密～中密，搖震反應迅速，無光澤反應，低干強度，低韌性；粉土與粉砂的層厚比約為1/3，場區普遍分布；該土層為中低壓縮性，強度中等，工程性質好；④粉砂 青灰色，中密為主，飽和，主要礦物成分為石英、長石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級配不良，黏粒含量低，場區普遍分布，該土層為中低壓縮性，強度中等，工程性質良好。土體力學參數如表1，2所示。

表1 土體力學參數

表2 地基土承載力 MPa

2.3 水文條件

根據區域水文地質資料，場區歷史最高地下水位及近3～5年最高水位埋深約0.5m，地下水位年季節變化幅度一般在3.0m，呈冬季向夏季漸變高的趨勢。

3 地下水不良作用

基坑工程中地下水的不良作用可歸納如下。

1)在含水層處于飽和狀態下開挖或止水帷幕失效，產生滲流破壞。如發生流砂、滑坡、管涌和基底突涌。其中，大量的泥砂流失將產生災難性后果，如建筑傾斜、基坑失穩等。

2)地下水位下降引起地層固結沉降，導致周圍地面沉降甚至區域性地面沉降。

3)強透水性含水層的大量涌水，導致基坑被淹或者水位無法降至滿足施工要求。

4)坑內土體疏干效果差，影響基坑施工效率。

以上也是深基坑地下水控制的4個要素。本項目水位較高，土層為粉砂及粉砂夾粉土地質，透水性強，降水施工對管廊基坑施工起到至關重要的作用。若降水失效，坑內水位無法達到坑底以上，導致基坑無法干作業；若過分大面積降水，可能導致周邊道路、構筑物沉降超標，引起開裂甚至倒塌。

4 降水設計

4.1 降水類型

降水方法根據場地水文地質條件、降水目的、降水技術要求、降水工程可能涉及的環境保護因素等進行選擇(見表3)。土質主要為粉砂層，另有粉砂夾粉土，滲透系數大，采取的降水類型為管井[3]。

表3 降水類型

4.2 降水分析

綜合管廊基坑地下圍護結構與止水帷幕深入到降水含水層中，部分隔斷基坑內、外的水力聯系，地下水的流動受到阻擋，滲流邊界非常復雜，地下水呈三維流態，降水設計時往往需要進行滲流計算[4]。此類型基坑降水為“隔水帷幕深入降水含水層中的基坑降水”。

土層的含水層厚度大，周邊環境有道路、房屋構筑物，常采用此類方法進行地下水位控制，由于受圍護結構繞流阻水的影響，坑內降水時，基坑內、外往往會產生較大的水位差，需預防管涌發生[5]。降水結構如圖2所示。

圖2 降水結構

項目周邊環境場地復雜，不適用于采用坑外降水，采用坑內降水主要控制坑外水位不下降或少下降，有利于環境保護，缺點是形成坑內、外水頭差，易引起管涌。初步擬定降水方案，在坑內兩側按梅花形布置管井，縱向間距15m，管井深度設在坑底以下2m，管井直徑300mm。

4.3 降水模擬計算

1)抗滲流穩定計算

抗滲流計算方法采用臨界水力坡度法[6]，垂直滲徑換算系數(上段)0.8，垂直滲徑換算系數(下段)1.0，水平滲徑換算系數0.0，有效重度由飽和重度計算。通過計算得出抗滲流穩定安全系數為2.2。

2)地表沉降計算

地表沉降計算方法采用同濟拋物線法[7]。按單點降水深度不同計算地表沉降，當降水深度達到最大時，地表沉降最大為8.3mm，地表沉降分析如圖3所示。

圖3 沉降計算

3)降水計算結果如表4所示。

表4 降水計算結果

通過初步分析計算，井群出水量和單井實際出水量滿足要求，選擇出水量大于90m3/d的水泵，功率選擇2.2kW。

5 降水施工

5.1 管井施工

降水期間需對水位等監測數據進行分析，確?；油鈧人蛔兓挥绊懼苓吔ㄖ笆姓O施。采用φ300mm井管形成深井降水系統，成孔直徑≥500mm，成井深度結合現場實際情況但需保證降深。井管外徑為300mm，基底標高以下管壁上布φ10@40孔，梅花形布置。為保證井管周邊有良好的透水性及防止泥砂滲入，應在管壁外側包2層30目濾網[8]。管井降水在開挖前14d開始施工。

5.2 管井運行

1)施工期間需確保管井連續抽水，施工用電須達到100%的保證率，同時要配足夠數量的備用水泵[9]。選擇一個管井為觀察孔，保證降水水位線在基坑0.5m以下。

2)在臨近建筑物邊設置沉降觀察點。降水后需進行24h不間斷觀測，一旦發現有沉降須立即停止降水或減少降水，并做好記錄、分析。

3)分析整理記錄，繪制抽水時間與地下水位的變化關系圖表、出水量(設置量水設備測量流量)與抽水時間的關系圖表，依據觀測記錄繪制水位降落曲線及動態變化情況。

圖4 觀測井水位標高

6 實施與優化

6.1 實施過程

按擬定的方案進行實施，通過14d的觀測，坑內最終水位維持在坑底以上約100cm處，未達到降水效果，1～5d水位逐步連續下降，6～14d基本維持在平衡，水位無下降情況。選取了3個觀測井進行統計分析，水位標高如圖4所示。

針對此降水失效情況，分析現場實際現象：①期間管井降水運行正常；②第7天時發現管井內的水位已達到極限，出現無水現象，說明井內出水量大于涌水滲水量；③出現井內無水現象時，停止降水約1h，管井內水位上漲約1.5m高。

6.2 措施優化

針對以上現象，分析原因，主要是管井長度不夠、降水深度不夠、降水井間距過大等導致降涌平衡，坑內水位一直處于坑頂上，模擬計算出坑內水流夾角為116°，如圖5所示。

圖5 降水失效原因分析

因此，對管井設計進行優化調整，在坑內兩側按梅花形布置管井，縱向間距10m，管井深度設在坑底以下5m，另外，考慮管井深度越深滲水涌水量越大，需保證水泵出水量滿足滲透量要求[10]。

通過實施觀測，降水期間第7天坑內水位已達到坑底以下1m位置，后續基本保持穩定，在此布置情況下，出水量與滲水量平衡。以此作為經驗值參考，進行大面積降水施工。

7 結語

通過項目實施情況可以得知，在高水位粉砂土層下綜合管廊基坑降水施工取得良好成效，能滿足施工作業要求。

基坑的降水設計作為理論參考，可依據止水帷幕深度、降水井深度、出水量、土層滲透系數等參數確定。但由于土質土層的復雜性，更需要通過實施，對降水效果進行判斷分析，取得經驗值，確定降水范圍、降水時間等。

由實踐得知，止水帷幕越深，降水深度越大，坑內降水效果越顯著，但需考慮方案的合理性與經濟性，選擇最合適的設計。在一定深度的止水帷幕下，可增加管井數量，適當加大管井深度，控制單個水泵出水量，謀求降水平衡。此施工技術可為其他同類型環境的基坑降水提供參考。