污水處理廠基坑開挖前預降水對支護墻變形的影響研究

邵 棟

（西安凈水處理有限責任公司,陜西 西安 710016）

1 引 言

對于以往的基坑工程,監測支護墻的變形大部分是從開挖基坑時開始的,也就是說在開挖基坑前,認為支護墻并沒有產生變形,變形量為0,所以以前大部分學者研究基坑變形時都是以此為基礎的[1-4]。當基坑施工區域有較高的水位時,一定要在開挖前開展預降水工作,避免地下水對工程產生影響[5-6],但降水的時間段內,支護墻已經設置好了,這就使降水活動不可避免的影響到支護墻,使支護墻出現位移和力學方面的變化。而當前學者對基坑變形的研究重點基本都是在“開挖基坑后”的階段內,鮮有人研究基坑沒開挖前預降水活動對支護墻變形的影響,對類似項目的分析也很少。缺乏大寬度、大面積基坑在開挖前,預降水活動對支護墻受力變形影響的研究和分析。基于此,本文以某基坑工程為例,研究分析大面積、大寬度基坑開挖前的降水工作對支護墻側移變形的影響,并與地層條件、降水時間和深度相似的長條形窄基坑進行對比。

2 工程概況與降水井布置

2.1 工程概況

某污水處理廠基坑基坑平面尺寸長和寬分別是256 m 和183 m,15.85 m～17.35 m 為開挖深度h,可看出此基坑面積和寬度較大。基坑的西、北以及東側都有城市道路。并有地鐵聯絡線存在于基坑南側,距離基坑約16 m,為地鐵聯絡線埋深為20.1m。所以在基坑西側、東側以及南側設置了地下連續墻,厚度為1.2 m,深度為33.2 m,并設置止水帷幕。在基坑東西側和北側設置灌注樁,單排。場區粉土層中賦存潛水,1.7 m～3.1 m為水位埋深,13 m 為潛水層地板深度；粉砂層和粉土層里分別賦存第一承壓水和第二承壓水,7.2,9.3 m 為承壓水頭埋深。

2.2 布設降水井測量點

在基坑內設置降水井時,根據一個井有200 m2～250 m2的疏干面積來布設,12 m～21 m 為降水井之間的距離,在坑內一共布設了降水井226 口。降水井類型選取無砂管井,500 mm為井徑,23 m 為其平均深度,并將濾管設置在井內。在基坑四周設置了測斜管,一共20根,編號為C1～C20,28 m 為測斜管長度,測斜管全部安裝在地連墻的鋼筋籠上。并將20 口觀測井設置在基坑外部,18 口來觀測潛水水位,G1～G18 為其編號；2 口來觀測第二承壓層水位,YG1～YG2 為其編號。

3 預降水和支護墻側移的關系

群井降水對大面積基坑支護墻的影響主要為墻體側移,持續時間始于6月30 號,截止于7月13 號。在開挖基坑之前要先開展降水工作,在基坑底部以下2 m 位置處放置水泵。不過在開展降水工作時,多井并沒有發揮出較好的疏干效果,一個井只能達到1 m3/d～4 m3/d 的出水量。所以在7月3 號到7月9 號期間,施工方又設置了降水井78 口,之后一個井能達到20 m3/d～40 m3/d 的出水量。7月14 號,現場開展基坑懸臂開挖工作。疏干降水期間里補充設置的降水井可以達到17 m 的水位降深,對于G6 和G7 這兩個基坑外部的觀測井（監測潛水位）測出水位分別有1.1m、0.3 m 的下降深度,而剩下的觀測井測出的水位都表現出小幅度上升,0.2 m 為最大上升值。此現象表示止水帷幕在G6 和G7 部位處有發生滲漏的概率,或者是此處和基坑內的水力聯系強于其他位置。因為C11～C20、C1～C4 測點開始工作的時間稍晚,只有C5～C10 測點的監測時間是從開挖基坑時開始的,地下連續墻側移是由C5 負責監測,灌注樁側移是由C6～C10 負責監測。表1為部分測點開始降水和補充井的設置時間。

表1 各位置補井和開啟降水井的時間

將開挖基坑前預降水工作里C5～C10 部位支護墻發生的側移繪制如圖,并和某長條形窄基坑[5]里的最大側移發生部位C3 測點進行了對比,結果見圖1。該長條形窄基坑的降水時間與本文基坑基本一致。

圖1 本文基坑各部位測點與長條形窄基坑C3 部位側移規律的對比

圖1的結果表示：

（1）C6～10（灌注樁）和C5（連續墻）都產生了懸臂側移,方向朝著基坑。

（2）在C7、C8 測點周圍對降水井進行補做后,這兩部位的側移值快速增大,發展速度較快；比如,在7月6 號到同月13 號的時間段里,C8 位置最大側移7 天提高了14.1 mm,遠遠高于灌注樁在前7 天里的側移,約為其12 倍。此現象表示坑內降水的過程會對支護墻側移造成嚴重的影響,兩者有著比較緊密的關系。假如基坑里降水工作有著持續的時間較長（7 天）、流量較大（一個井20 m3/d～40 m3/d）和深度較大（18 m）的特點,此種情況下支護墻就會出現非常顯著的側移。值得注意的是,15 mm 為C8 位置的最大側移值,已經接近此基坑變形預警值的一半,并且基坑在這個時候并未被挖開。

當降水深度和降水時間基本一樣時,寬度面積較大的基坑比長條形窄基坑的懸臂側移嚴重。比如,在7月2 號到同月6 號的時間段里,C5 測點位置處的連續墻（1.2 m 厚）在4天內的側移最大值約為7 mm,而寬度較小基坑的連續墻（0.8 m 厚）在4 天內的側移最大值約為5 mm,同時墻體深部發生的側移程度也遠低于此工程。C10、C8、C7 測點也呈現出大致相同的現象。不過C10、C8、C7部位盡管是灌注樁支護,與地下連續墻相比整體性較差,但是已有研究表示,開挖基坑之前的預降水活動造成支護結構側移的關鍵原因是滲流力作用在基坑內土體上,使其發生側移,且方向朝向降水井,土體側移積累導致支護墻產生側移變形,此現象和支護墻的剛度并沒有較大的聯系。除此之外,有學者對多種類型支護墻的側移實測值進行了統計和分析,結果表明增大支護墻剛度并不能削弱墻體的側移程度,墻體剛度和其側移程度沒有較大的關聯,彼此獨立。降水深度和降水時間基本相同時,C10、C8、C7 部位灌注樁比連續墻側移實測值要大并不是兩種支護方式的剛度差引起的。對于C6 測點部位處支護墻側移值增長速度較低是因為測點周圍降水井沒有較大的出水量。參考降水記錄,1 m3/d～4 m3/d 為此位置降水井出水量,也沒有補充做井。

值得一提的是,在基坑未開挖時的降水時間內,還沒有對基坑開展支護墻頂部變形監測工作,所以本文實際測得的支護墻側移結果都是將測斜管的最底端視作0,由下至上進行監測記錄。

4 結論

本文以某新建污水處理廠基坑工程為例子,研究分析了開挖寬度和面積較大的基坑開挖前降水工作對支護墻側移變形的影響,并與地層條件、降水時間和深度相似的長條形窄基坑進行了對比,得到了如下結論：

（1）坑內降水的過程會對支護墻側移造成嚴重的影響,兩者有著比較緊密的關系。假如基坑里降水工作有著持續的時間較長（7 天）、流量較大（一個井20 m3/d～40 m3/d）和深度較大（18 m）的特點,此種情況下支護墻就會出現非常顯著的側移。值得注意的是,15 mm 為C8 位置的最大側移值,已經接近此基坑變形預警值的一半,并且基坑在這個時候并未開挖。

（2）當降水深度和降水時間基本一樣時,寬度面積較大的基坑比長條形窄基坑的懸臂側移嚴重。比如,在7月2 號到同月6 號的時間段里,C5 測點位置處的連續墻（1.2 m 厚）在4 天內的側移最大值約為7 mm,而寬度較小基坑的連續墻（0.8 m 厚）在4 天內的側移最大值約為5 mm,同時墻體深部發生的側移程度也遠低于本文的基坑工程。

（3）基坑支護結構側移的關鍵原因是預降水活動造成的滲流力作用在基坑內土體上,使其發生側移,且方向朝向降水井,土體側移積累導致支護墻產生側移變形,不過此現象和支護墻的剛度并沒有較大的聯系,增大支護墻剛度并不能削弱墻體的側移程度。