船行二站拆建工程深基坑降排水問題的分析與研究

陳 敏 仝道斌 韓愛東

(1.宿遷市宿城區水利工程建設服務中心，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市宿城區水利局，江蘇 宿遷 223800；3.江蘇省水利建設工程有限公司，江蘇 揚州 225000)

水工建筑物深基坑作為一項施工風險較高的專項工程，一直備受國家及施工企業的高度重視。根據相關規定，深基坑工程是指開挖深度超過5m(含5m)的基坑的土方開挖、支護、降水工程，以及開挖深度雖未超過5m，但地質條件、周圍環境和地下管線復雜，或影響毗鄰建筑(構筑)物安全的基坑的土方開挖、支護、降水工程[1]?；娱_挖深度一般與建筑物設計規模及地基承載要求呈正相關關系。隨著開挖深度的增加，不僅施工難度加大，基坑支護要求提高，而且安全隱患問題亦愈發突出。雖然水利工程基坑安全問題與開挖形式、支護方式、周邊環境以及地質條件均有關聯，其通常伴隨有更大的底板和支護結構，受地下水的作用更為明顯，最不易處理的安全問題往往來自于地下水滲流產生的降水問題。它極易造成基坑安全事故和工期延誤。因此，地下水情復雜地區的深基坑開挖是一項極富有挑戰性的施工項目[2]。

1 工程概況

a.船行二站拆建工程概算投資3600萬元，是宿遷市宿城區船行灌區續建配套與節水改造項目2019年度重點實施項目之一，設計裝4臺1400QZ-70潛水軸流泵，裝機功率2240kW，設計流量14.3m3/s。進水池設計水位17.2m，出水池設計水位23.4m。泵站工程等別Ⅲ等，主要建筑物級別3級，次要建筑物級別4級。防洪標準為50年一遇。配套建筑物合理使用年限為50年。

b.基坑支護形式。本工程開挖深度為10.7m，基坑北側距離辦公樓約2m，南側開挖最外層邊線距離居民房僅6.2m，不具備自然放坡條件。因此，本工程最終采用“拉森鋼板樁+預應力錨索”，局部實施鋼筋混凝土灌注樁加固的形式，同時引河上下游設置水泥土攪拌樁，使基坑封閉。

c.地質情況見圖1～圖2、表1～表2。

圖1 工程地質剖面圖(一)

圖2 工程地質剖面圖(二)

表1

表2

2 滲流發生過程及降水方案的調整

a.原降水方案的制定。根據地質勘察，基坑處地下水為潛水，③層粉土及以上飽和土層為主要潛水含水層。因此，在原地面標高22.00m處進行布井，布設井深15.0m，管井直徑為30cm,共6口潛水井。運用無壓完整井理論對基坑管井系統總涌水量進行計算[3](見圖3)。

圖3 無壓完整井涌水量計算簡圖

式中Q——井點系統的涌水量,m3/d;

K——土的滲透系數,m/d;

H——含水層厚度,m;

S——基坑中心的水位降低值,m;

R——抽水影響半徑,m；

x0——基坑假想半徑,m；

A——基坑井點管所包圍的平面面積，m2。

泵室設計基坑高程基坑標高12.60m，當開挖至標高14.00m后，基坑滲流量突然加大，局部出現涌水點，產生流沙現象。經對現場滲溢出來的土體分析，溢出物與標高4.20m以下的中細砂土類似，初步判斷標高14.00m至承壓含水層頂間的土體已無法承受承壓水的浮托力，形成滲水通道，引發坑底突涌。

b.降水方案的調整。現場潛水井雖然24小時不間斷抽排，但降水效果甚微。由于地下承壓水已在土層內形成了管涌通道，滲流破壞不斷加大，對基坑及周邊建筑物安全形成威脅，因此暫停原降水方案，并對管涌處設置反濾，局部回填。結合現場情況，對原排水方案進行了優化調整，調整后的方案采用“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”的降排水方式，即在潛水層仍然設置適當數量的無壓非完整井排水，而為了進一步降低地下水位，再設置一定數量的承壓非完整深井至承壓層進行排水，最終兩者結合共同達到降低地下水位的目的。針對本工程的具體方案為潛水層土體布設管井直徑為30cm的6口潛水井，對隔水層下的承壓水布設8口深井作降壓處理。運用承壓非完整井理論[3]對基坑涌水量進行計算(見圖4)。

圖4 承壓非完整井涌水量計算簡圖

=10229.3m3/d

式中Q——井點系統的涌水量，m3/d；

K——土的滲透系數，m/d；

M——承壓含水層厚度，m；

S——基坑中心的水位降低值，m；

R——抽水影響半徑，m；

x0——基坑假想半徑，m；

r——井點半徑，m。

深井抽排運行2d后，基坑涌水現象得到了緩解，地下水位下降明顯。通過對承壓水壓力的釋放，形成降水漏斗，較好地解決了突涌問題，使施工走入了正軌。

3 滲流變形破壞因素分析

a.正確選擇降排水方案。為保證基坑自身安全和穩定，確保有序的分層開挖，就必須要考慮所有可能引起基坑變形的各類因素。除了對深基坑支護形式要充分研究論證外，基坑降排水方案的選擇也是關鍵內容。只有正確區分持力層以下靜態潛水和動態的承壓水，才能制定出科學合理的方案。現有施工效果表明，船行二站拆建工程基坑降排水采用“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”的方案是合理有效的。

b.土體物理性能的改變?；娱_挖隨著臨近設計標高，坑底經歷了一個卸載過程。開挖初期可以認為土層內有效應力仍舊保持為穩定的狀態。在距離坑底標高2m以內，隨著開挖深度增大，土體自重力逐漸減少，基坑底部土體向上回彈，孔隙水壓力增大，應力不斷減少。實踐說明在基坑(特別是深基坑)從勘察設計到施工前方案編制階段，首先要對基坑中水、土特征及變形特征進行分析。尤其對最易變化的靜水、動水進行充分的監測。根據現場施工情況可知，地下水位及水壓力不能有效降低，不但直接影響土的物理性質(結構、密度、含水量等)和土體抗剪強度指標值，還會引起土體中應力狀態的改變，從而造成工程質量安全事故發生。

c.基坑變形的過程?；勇∑鹗亲冃蔚淖畛跗茐默F象。隆起變形是彈塑性變形，隨著土體減少，基底逐步向上產生部分回彈。隨著自重的減少，承壓水壓力也逐步增大，隨之破壞程度加大，逐步出現基坑涌水，甚至可能導致支護體的失穩，最后造成基坑安全事故發生。經分析，本次基坑隆起變形破壞由承壓水引起。若任由基坑突涌現象發展，泥沙不斷被帶出，則基坑危險性極大，造成的損失更為嚴重。因此基坑開挖前，對基坑內的靜水、動水(承壓水)埋置深度進行分析和研究是十分必要的。

d.降壓計算和分析。該工程潛水層分布在標高13.10m左右，是持力層坐落的位置，應對該段土層潛水進行抽排。由于該土層厚度在1.7～2.0m之間，且滲透力較強(滲透系數為10-4數量級)，以下土層滲透系數在10-6～10-7數量級，為微透水性土層。因此僅僅依靠潛水井無法消除承壓水浮托力造成的影響。承壓水埋深在標高4.20m以下為細中砂，滲透系數達到10-4～10-3數量級，雖然承壓水頭以上為“不透水層”，根據相關規程規范進行抗承壓水突涌穩定性驗算：

式中γty——坑底突涌抗力分項系數，對于大面積普遍開挖應大于1.2，對于局部承臺分別開挖，應大于1.0；

D——坑底至承壓水層頂板的距離，m；

γ——范圍內土的平均天然重度，kN/m3；

Hw——承壓水水頭高度，m；

γw——水的重度，kN/m3。

通過驗算，坑底突涌抗力分項系數大于1.2，滿足要求。但受現場土層分布及前期工程的影響，存在局部薄弱區，現場基坑出現幾處涌水點，一部分可能是上期工程施工時遺留的水井，另一部分是地基土層存在薄弱段，從而形成了壓力釋放點，下部水上涌。

e.側向滲流對基坑圍護的影響。本工程基坑南北側靠近居民房、管理房等建筑物，采用鋼板樁支撐圍護。由于樁體有效長度內槽口之間有一定的止水作用，基坑外地下水位在標高19.00m，基坑內外水位差達6.4m，經分析鋼板樁圍護結構周圍流線和等勢線相對集中，在鋼板樁底部易產生側面滲流破壞，因此深井長度應考慮減少鋼板樁側面滲流破壞的影響。不僅基坑內在滲水壓力作用下易產生塑性變形，而且鋼板樁外側土體在水位差較大的情況下也容易順著樁底部側向滲流而流動，也會產生較大的塑性區，導致基坑外側地面沉降，因此分析確定沿鋼板樁布井深度在樁底部以下2～3m為宜。

4 結論和體會

a.降排水方案制定的依據。深基坑持力層以下，具有復雜的土層和靜、動潛水情況下，應根據具體情況進行復合式的降排水布置。土層中潛水層無滲透壓力作用，可按無壓水層進行無壓完整井的布設設計。有承壓水層面可根據“抗承壓水突涌穩定性驗算”來確定是否設置降壓井。

b.理論與實際的結合。目前對基坑穩定和基坑變形計算有多種方法。但往往計算得出的數值與實際情況有一定的差別，理論可提供部分參考數據和必要的判據。在具體實施過程中，應根據實際情況進行必要的修正，才能達到理想的效果。

c.降壓水位的確定。降壓井的布置一般是根據承壓水頭高度以及透水層埋深計算確定的。降壓井埋置到透水層內的深度，應進行研究分析。井內抽水機械放置的位置，要通過現場試驗確認，盡可能調整至合適的位置，防止埋入太深，配置設備功率太大，造成周邊建筑物地下水位下降過快，形成不均勻沉降。

d.突涌穩定因素。在地下水情復雜的基坑外圍必須布設相應的觀測井與回灌井，一般井點離降水點外7～10m。靜、動狀態下的地下水是否進行降壓，應通過抗承壓水突涌穩定性驗算判斷。當坑底至承壓水層頂板的距離確定時，主要涉及土的平均天然重度γ。該工程施工效果證明：完全利用地質報告提供的γ=19～20KN/m3是不適合的。因為隨著淺水井的抽排水體不斷溢出，土體自身來不及固結。因此，γ中應考慮土體孔隙比增加導致的土體重量減輕，本工程采用γ=20×0.8=16KN/m3。該數值顯然更有利于方案的選擇和制定,更具有科學性和可操作性。

e.抽水量的計算。基坑開挖要避免出現滲流破壞，關鍵是判斷涌水來源。經計算，本工程基坑涌水量為10332.6m3/d,其中潛水層涌水量103.3m3/d，占總涌水量1%，承壓水層涌水量10229.3m3/d，占總涌水量99%。實際施工中對深井排水量的測算為：D深=50×24×8×0.8=7680m3/d，占理論涌水量74%。剩余的26%涌水量2652.6m3/d由潛水井來排除(潛水井幫助深井代排2549.3m3/d)。

因此，通過對本工程降排水方案的優化調整充分證明地下水情復雜的深基坑降排水應以深井為主導，提出的“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”降壓排水方案為今后同類型水利工程施工提供了一定的科學依據。