深基坑承壓水組合式處理措施的研究及應(yīng)用

代興云，應(yīng)衛(wèi)超，孫海明

（中國聯(lián)合工程有限公司，浙江 杭州 310052）

0 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，我國對地下空間的開發(fā)程度不斷加大，基坑開挖的深度越來越深，基坑突涌的問題逐漸成為基坑設(shè)計中最需要關(guān)注的問題之一。

承壓水問題是基坑工程中的老問題，我國也有著較為豐富的處理經(jīng)驗(yàn)。目前國內(nèi)承壓水的處理方法主要有四種，分別為坑底注漿加固、基坑內(nèi)注水反壓、降低承壓水頭、設(shè)置防滲隔水帷幕。近年來隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，李成巍提出CSM 工法來處理深基坑的承壓水問題[1]；夏春亮研究了高承壓水的坑底加固措施[2]，采用數(shù)值模擬的方式對某雨水泵房深基坑5 種加固方式進(jìn)行了對比分析，得出滿堂加固處理承壓水的效果最好。張新明等[3-6]對高承壓水基坑的降水進(jìn)行了研究，韋扣均等[7]對某地鐵基坑采用多種措施處理承壓水，取得了良好的效果。

然而，隨著基坑開挖深度的不斷加深，承壓水對基坑的影響，逐漸顯示出多樣化的風(fēng)險，只關(guān)注基坑突涌問題是不夠的；同時，隨著社會發(fā)展，基坑周邊的建構(gòu)筑物的數(shù)量不斷增多，大面積、大幅度降低承壓水的措施也逐漸被舍棄。因此，如何采用綜合性的措施來處理承壓水的問題，已成為一項(xiàng)重要的課題。

結(jié)合某一具體項(xiàng)目，對基坑承壓水的組合式處理方法進(jìn)行分析研究，期望能夠?yàn)轭愃祈?xiàng)目的承壓水處理提供建議與指導(dǎo)。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該項(xiàng)目為杭州地鐵機(jī)場線工程，蕭山科技城站—蕭山國際機(jī)場站區(qū)間第一個風(fēng)井，位于杭州灣環(huán)線高速與大治河交叉口的雅馬哈地塊內(nèi)，周邊均為農(nóng)田與草地；基坑?xùn)|側(cè)38 m 處有混凝土廠房，基坑南側(cè)41 m 處為杭州灣環(huán)線高速。風(fēng)井標(biāo)準(zhǔn)段為兩柱三跨箱形框架結(jié)構(gòu)，基坑寬度25 m，長度約42 m，開挖深度約24 m，基底位于在⑥1淤泥質(zhì)黏土夾粉土，潛水水位在地面以下0.5 m 左右。

1.2 工程地質(zhì)水文條件

根據(jù)勘察報告，如圖1 所示，場地內(nèi)分布土層分層為：①2層素填土（耕土）、②4層砂質(zhì)粉土、③3層砂質(zhì)粉土夾粉砂、③5層粉砂、③7層砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑥1層淤泥質(zhì)黏土夾粉土、⑥3層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土、⑧21層粉質(zhì)黏土夾粉砂、⑩3層粉砂、⑩4層圓礫1層粉砂4層圓礫，具體如圖1 所示。基底位于在⑥1淤泥質(zhì)黏土夾粉土，潛水水位在地面以下0.5 m 左右。項(xiàng)目場地的承壓水主要分布于下部的⑩3層粉砂、⑩4層圓礫層及層砂礫層中，該層承壓水埋深較深，隔水頂板埋深約在地面以下36～45 m 左右，隔水層厚度約在18.0～32.0 m 左右。根據(jù)地勘孔承壓水抽水試驗(yàn)成果顯示，承壓水混合水頭埋深為7.09 m，相當(dāng)于85 國家高程的-1.00 m。

圖1 地質(zhì)斷面圖（單位：mm）

1.3 減壓降水必要性分析

擬建區(qū)間風(fēng)井基坑開挖深度約24 m。本次勘察的揭示擬建場地承壓水含水層為下部⑩3層粉砂、⑩4層圓礫層及層砂礫層，承壓水水頭壓力較大，基坑開挖過程中需進(jìn)行基坑抗突涌驗(yàn)算。

本次風(fēng)井基坑最大挖深度24 m，取相應(yīng)區(qū)域勘探孔XK-JTKG-Z103 進(jìn)行估算，其中場地整平標(biāo)高5.65 m，承壓水頭高程取-1 m；底板標(biāo)高按-18.3 m進(jìn)行估算，此時底板到承壓含水層的距離為10.7 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[8]計算抗突涌安全系數(shù)為0.68，不滿足不小于1.1 的規(guī)范要求，故區(qū)間風(fēng)井基坑需考慮承壓水突涌問題。

2 承壓水處理方案分析

2.1 處理方案的環(huán)境適應(yīng)性分析

2.1.1 坑底加固方案

對基坑底部的隔水層的土體進(jìn)行加固，將土體與注漿體充分?jǐn)嚢枞诤希黾踊拥撞客馏w的重度或者土體的物理力學(xué)參數(shù)，從而增加基坑抵抗承壓水的能力。根據(jù)上述計算，現(xiàn)有的隔水層為10.7 m，不能滿足抗突涌要求，需要增加隔水層厚度。基坑坑底位于⑥1淤泥質(zhì)土中，如采用高壓旋噴樁進(jìn)行坑底加固，根據(jù)加固后效果，⑥1淤泥質(zhì)土和⑥3淤泥質(zhì)土加固后土體重度取20 kN/m3，⑧21粉質(zhì)黏土夾粉砂加固之后土體重度取20 kN/m3，⑩3粉砂加固之后土體重度取21 kN/m3，根據(jù)計算加固體后臨界厚度至少為15.56 m。加固范圍較大，成本過高，方法可取但極其不經(jīng)濟(jì)。

2.1.2 基坑注水方案

該項(xiàng)目基坑尺寸相對較大，基坑長度42 m，寬度為25 m，基坑開挖深度為24 m；根據(jù)地勘承壓水主要賦存于下部的⑩3層粉砂、⑩4層圓礫層及層砂礫層中，隔水頂板埋深約在地面以下36～45 m 左右，隔水層厚度約在10.7 m 左右；且基坑底部土層主要為淤泥質(zhì)土，土體重度小，抗剪能力弱；若考慮采用基坑注水，進(jìn)行水下開挖，經(jīng)計算開挖至14 m 深時，就要進(jìn)行注水，持續(xù)注水量為9 975 m3。基坑底部仍需要采用混凝土底板封底，根據(jù)計算，底板厚度需設(shè)計為1.4 m，同時為達(dá)到使用時期的抗浮要求，需要設(shè)置抗拔樁。水下澆筑抗拔樁和底板混凝土技術(shù)要求較高，施工難度較大，施工質(zhì)量無法保證，且造價也會明顯提高。因此，采用注水的開挖方法處理承壓水不合理。

2.1.3 全降水方案

現(xiàn)狀承壓水頭埋深6.56 m，開挖至基坑底時隔水層厚度為10.7 m，降水井結(jié)構(gòu)圖如圖2 所示；根據(jù)相關(guān)規(guī)范計算，要滿足安全系數(shù)1.1 的要求，需降低承壓水11.15 m，根據(jù)浙江省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》（DB33/T1096—2014）[9]式13.4.8 和式F.0.4 進(jìn)行計算基坑涌水量及降水井，見表1 至表2。

表1 單井涌水量計算表

表2 基坑涌水量及承壓降水井計算表

圖2 承壓水降水管井構(gòu)造圖（單位：mm）

全降水降壓方案雖然技術(shù)上可行，需要在基坑內(nèi)部布設(shè)19 口承壓降水井；但是在基坑開挖的全過程需要保證降水持續(xù)進(jìn)行，若意外斷電時間較長，基坑會面臨承壓水突涌的危險，因此全降水方案存在施工安全風(fēng)險；此外，基坑總面積約1 050 m2，潛水降水井按照每200 m2一口布設(shè)，需布設(shè)潛水降水井6 口；風(fēng)井本身基坑面積并不大，屆時基坑內(nèi)部將有25 口降水井，這對基坑的開挖施工影響極大，將施工進(jìn)度拖慢很多；同時大面積降水可能引起周邊建筑物和地下管線的沉降，綜合考慮全降水方案不可行。

2.1.4 隔水帷幕方案分析

設(shè)置隔水帷幕的原理主要是增長地下水的滲流途徑，同時隔水帷幕若能切斷承壓水坑內(nèi)外的聯(lián)系，則可以避免基坑抗突涌的風(fēng)險。

但本工程承壓水層頂粉砂層埋深約38 m，圓礫層層頂埋深約51 m，詳勘報告未顯示圓礫層層底，若采用隔斷承壓水成本過高，不具備可行性。但通過增加隔水帷幕的長度，以增加承壓水的繞流途徑，來降低承壓水頭和基坑涌水量的方式是可以接受的。

2.2 承壓水處理方案

通過對上述四種處理承壓水的方案分析，發(fā)現(xiàn)若僅采用其中一種，要么不經(jīng)濟(jì)，要么就是施工風(fēng)險較大。因此，通過綜合分析，擬對本風(fēng)井選取坑底加固+降低承壓水+隔水帷幕的組合方案進(jìn)行實(shí)施。

具體施工工序應(yīng)先施工地連墻隔水帷幕，待地連墻強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計要求后，對基坑底部的淤泥質(zhì)土進(jìn)行加固，基坑降水井施工應(yīng)在加固24 h 后方可進(jìn)行，以免造成降水井坍塌堵塞。

2.2.1 坑底加固

由于基坑底部位于⑥1的淤泥質(zhì)土層中，該層土體的承載力教差，本身亦需要進(jìn)行加固處理，所以采用高壓旋噴樁對基坑底以下3 m 范圍內(nèi)進(jìn)行滿堂加固，要求加固之后30 d 強(qiáng)度不小于1 MPa，加固之后土體的黏聚力為c=15 kPa，內(nèi)摩擦角為φ=20°，土體重度為20 kN/m3，根據(jù)《浙江省建筑基坑技術(shù)規(guī)程》（DB33/T 1096—2014），對于長、寬不大的基坑，基坑底部采用滿堂加固的方式，計算坑底承壓水抗突涌時，可以按整體頂升考慮。按下式1 驗(yàn)算：

式中：D 為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m；α為“折減系數(shù)”，取0.5～1.0,基坑面積小、深度淺、土性差時取低值；β 為空間效應(yīng)系數(shù)；ls為基坑平面周長，m；s 為基坑平面面積，m2；c 為破裂面的各層土的內(nèi)聚力（采用固快指標(biāo)）加權(quán)平均值，kPa；γ 為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度，kN/m3，對于成層土取加權(quán)平均值；Δh 為承壓含水層頂面的壓力水頭高度，m；γw為水的重度，kN/m3。

若加固之后采用降水方案，需要降低承壓水水頭7.4 m，詳見表3。

表3 坑底加固后基坑抗突涌計算表

2.2.2 隔水帷幕—降水井設(shè)計

采用隔水帷幕增長承壓水的滲流途徑，同時在坑內(nèi)布設(shè)承壓降水井，坑外設(shè)置輔助降水井；在正式施工之前進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以驗(yàn)證降水井的降水效果。

為分析隔水帷幕進(jìn)入承壓含水層深度對承壓水滲流的影響，擬采用數(shù)值模擬的方法對地連墻的插入深度進(jìn)行計算和分析。本工程承壓水層頂粉砂層埋深約38 m，圓礫層層頂埋深約51 m，詳勘報告未顯示圓礫層層底，圓礫層層底深度大于63 m，本次計算假定圓礫層層底深度70 m。

為確保基坑降水效果，結(jié)合圍護(hù)設(shè)計資料，不考慮承壓水深度的時候，地連墻墻底深度最淺約55 m，進(jìn)入含水層約3 m，以55 m 為模型計算基礎(chǔ)，依次增加地連墻深度進(jìn)行計算分析。

（1）數(shù)值模擬假定

擬采用Modflow 滲流軟件進(jìn)行模擬，為計算方便，將模型中地層均采用厚度相同，滲透系數(shù)采用地勘參數(shù)；模型邊界采用定水頭，降水井的單井涌水量按照計算采用800 m3/d。

（2）模型建立

如圖3 所示，為計算的準(zhǔn)確性，將模型范圍500 m×500 m，深度為70 m；模型的上部為地面，模型底部為隔水邊界。模型的網(wǎng)格劃分按照由基坑向外逐漸變疏的原則，同時考慮基坑的形狀、降水井位置、地層狀況。四周均按第一類邊界條件處理；模型三維立體圖見圖4，土層及地連墻的滲透參數(shù)見表4。

圖4 模型三維立體圖

表4 土層參數(shù)表

圖3 模型網(wǎng)格剖分圖

（3）計算結(jié)果

如圖5 所示，計算分析隔水帷幕最安全、最經(jīng)濟(jì)的插入深度，以及所需要的降水井個數(shù)。地連墻深度加深后繞流作用明顯，進(jìn)入含水層3～12 m，每進(jìn)入含水層增加1 m，基坑涌水量減少約為10%；其中，由7 m 向12 m 的過渡中，基坑總涌水量減少均超過10%；從12～17 m時，基坑排水量則不再發(fā)生大的變化。降水井口數(shù)隨止水帷幕的加深呈現(xiàn)出與排水量同樣的變化，止水帷幕進(jìn)入含水層12 m 之后，降水井口數(shù)不再發(fā)生大的變化。

圖5 圍護(hù)樁進(jìn)入含水層深度與基坑排水量及降水井關(guān)系圖

同時考慮到施工方便，基坑內(nèi)部盡可能的少設(shè)置降水井，基坑最終承壓水處理方案為：坑底以下3 m進(jìn)行高壓旋噴樁滿堂加固，圍護(hù)樁總長度為63 m，進(jìn)入承壓含水層12 m，坑內(nèi)設(shè)置4 口承壓降水井，2 口承壓觀測井兼做備用井。

2.3 實(shí)施方案的降水試驗(yàn)效果

本次試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)同原設(shè)計井結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)場條件于基坑內(nèi)施工了6 口承壓試驗(yàn)井Y1～Y6。其中Y1～Y4 作為抽水井，Y5～Y6 作為承壓觀測井兼做備用井，試驗(yàn)井布置如圖6 所示。

圖6 降水平面布置圖

2.3.1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

（1）初始水位標(biāo)高

在正式抽水試驗(yàn)之前，對地下水位進(jìn)行了觀測，結(jié)果見表5。

表5 承壓水位分布情況表

（2）降水井出水量

如圖7 所示，根據(jù)抽水試驗(yàn)可以看出，Y1～Y4 承壓降水井單井出水量基本保持在28～29.5 m3/h，各個降水井之間差別不大，因此該風(fēng)井的單井出水量可保持在670～708 m3/d，與計算得出的單井涌水量813.88 m3/d 相差不大。

圖7 降水出水量圖

（3）承壓水位變化

如圖8 所示，4 口承壓降水井全開的情況下，1 h 基坑內(nèi)水位降深即可達(dá)到7.4 m，抽水7 h 后水位降深可達(dá)18.5～19.9 m，完全能夠滿足設(shè)計降深要求；降水前期水位降深速度為7.9 m/h，后期水位降深速度為1.9 m/h，前期水位降深變化是后期的4 倍左右，主要是因?yàn)殡S著降深的增加，降水井與周邊承壓水位水頭差增大，周邊承壓水向降水井處水流補(bǔ)充的速度也在不斷增加；在停止抽水后，4 h 內(nèi)承壓水位即可恢復(fù)到初始水位，恢復(fù)速度也是前期較快，后期趨于平緩。

圖8 觀測井水位變化圖

在數(shù)值模擬中將邊界設(shè)置為定水頭，模擬中僅表示抽水井工作時的水位降深變化，模擬時將水頭降深設(shè)置為20 m；如圖8 所示，同樣時間內(nèi)數(shù)值模擬中水位降深比實(shí)際的試驗(yàn)水位降深要大；在同樣的降深要求下，數(shù)值模擬可以提前1 h 左右達(dá)到要求，這是因?yàn)閿?shù)值模擬時土層為理想均勻等厚的，地下水的滲流更加通暢。此外，數(shù)值模擬與試驗(yàn)降水井的趨勢基本是一致的，這也說明本文數(shù)值模擬的結(jié)果是可靠的。

3 結(jié)語

本文以某工程為例，對已有的承壓水的處理措施進(jìn)行分析，根據(jù)本項(xiàng)目的情況，采取坑底加固+降低承壓水+隔水帷幕的組合方案對承壓水進(jìn)行處理，并對處理方案進(jìn)行了抽水試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得出以下結(jié)論：

（1）基坑存在承壓水問題時，可根據(jù)工程實(shí)際情況采用其中一種方法解決承壓水的問題；但當(dāng)承壓水頭較高或承壓含水層較厚時，可以將這幾種方法綜合使用，從而得到較為理想且經(jīng)濟(jì)的效果。

（2）通過數(shù)值模擬，分析計算出最經(jīng)濟(jì)的、最合理的圍護(hù)深度為63 m；并根據(jù)降水試驗(yàn)分析出承壓水水頭變化規(guī)律為先快后慢，基坑中布設(shè)4 口承壓降水井能夠滿足基坑抗突涌的要求。

（3）本項(xiàng)目可為同類型工程項(xiàng)目中的承壓水問題的處理提供參考。