復雜周邊環境條件下基坑降排水設計研究

李進勇，吳鵬琴，王建賓，曾夏生

（1.中南勘察基礎工程有限公司，武漢430081；2.中冶華亞建設集團有限公司，武漢 430081）

在影響基坑穩定性的眾多因素中，地下水的控制占據著主導作用。地下水控制不當可能造成流砂、管涌、坑底突涌、帷幕滲漏等，引起地面沉降。因此，妥善解決基坑工程的地下水控制問題成為基坑設計中極為重要的一項工作。基坑工程地下水控制的目的，就是要根據場地的工程地質條件、水文地質條件及現場施工條件特點，采取可靠措施防止因地下水的不良作用引起基坑失穩及其對周邊環境的影響。基坑工程地下水控制的方法分為降排水、隔滲、坑外回灌等。基坑降水設計應根據基坑開挖深度、場地條件、周邊環境、工程地質及水文地質條件，合理選擇降水方法以達到有效控制地下水的目的。本文以一個工程實例為依托，對如何合理選擇基坑降水方式進行了闡述。

1 基坑降排水設計前期資料收集準備工作

1.1 施工資料、場地條件、周邊環境及排水條件

施工資料主要指基坑開挖面積和深度、地下室施工的有關要求等；場地條件主要指紅線、周邊已有建筑物及地下管線、臨時設施等離擬建工程的距離；周邊環境主要指基坑周邊已建建筑物的基礎形式，地下設施及排水管道、光纖電纜、供氣管道[1]等各類管線的分布位置、埋深及變形控制要求；排水條件指周邊排水口的位置、市政管網的分布及排水能力等。這些都是影響選擇基坑降排水方案的重要因素，在設計前應仔細調查收集。

1.2 工程地質條件

地質結構決定巖層、土層的物理性質、力學性質，土的滲透系數取決土顆粒級配、孔隙率等，不同的土層的滲透性有很大的不同，會影響基坑支護降水施工設計方法。降排水方案設計前應仔細研究勘察報告，了解場地的地層分布特征。

1.3 水文地質條件

水文地質條件主要是指場地存在的地下水類型及其賦存狀態，含水層、隔水層的分布規律及補給排泄條件，主要水文地質參數（地下水位或承壓水頭深度、含水層滲透系數和影響半徑等）。

地下水按埋藏條件可分為上層滯水、潛水和承壓水3 種。上層滯水是賦存于包氣帶中局部弱透水層之上的重力水，補給來源于大氣降水及地表水，水位及水量隨季節變化。潛水是地下水中第一個具有自由表面的重力水；潛水的補給來源于大氣降水和地表水，排泄以泉、泄流、蒸發等；潛水水位受季節影響大。承壓水賦存于2 個隔水層之間，補給來源于大氣降水，也有越流補給；排泄是以泉和其他徑流方式向地表水體或地表排出，也可以通過上下部的含水層進行越流排泄；承壓水水位比較穩定，受季節影響相對較小。地下水類型劃分對深基坑地下水控制的意義在于不同類型的地下水的控制方法和環境影響不相同。上層滯水因埋藏淺、透水性弱一般可采用集水明排的處理方式，水量豐富時可設置截水帷幕；潛水一般與深層聯系較少，一般只需側向隔水帷幕或簡單降水即可；深層承壓水由于其水量大、補給豐富常需要復雜細致的設計，如坑內采用深井降水，坑外設置回灌井，側壁含有粉土砂土或淤泥質土時，尚需設置懸掛式或落底式截水帷幕。

2 常用基坑降排水方法

武漢地區一級階地的水文地質條件較為復雜，常分布有多層地下水。淺部有上層滯水或潛水，上層滯水主要賦存于填土、淤泥和淤泥質土等孔隙率相對較大的黏性土中，潛水主要賦存于臨江一帶的砂土中，滲透系數大、水量豐富。下部有承壓水，主要賦存于深部砂卵礫石層中，滲透系數大、水量豐富；該含水層緊鄰江河，與江河水有直接的水力聯系，具有較高的承壓水頭[2]。由于武漢區域水文地質條件的影響，武漢地區常采用的基坑降水方式有集水明排、管井井點降水和深井井點降水。

2.1 集水明排

該方法是在基坑外邊線和內邊線周圍建立一條敞開的排水溝，使從基坑地面或側壁泄水孔滲入的地下水通過排水溝流入集水井，然后用水泵抽出排至市政管網，以達到降水的目的。其主要由排水溝、集水井、泄水孔組成，適用填土、粉土、黏性土或淤泥質黏土等，降水深度一般小于5 m。集水明排具有操作簡單，施工方便，費用低廉等特點，在施工現場被廣泛應用。但在高水位和地下水位豐富場地基坑支護工程中，這種方法難以單獨奏效，往往作為其他地下水控制方法的輔助措施使用。

2.2 管井井點

管井井點系沿基坑每隔20～50 m 設置一個管井，地下水在重力作用下流入井中，每個管井單獨用一臺潛水泵或離心泵不斷抽水以降低地下水位。管井井點由濾水井管、水泵和抽水機械等組成，適用于滲透系數在0.1～200 m/d 之間、地下水豐富的砂層以及輕型井點不易解決的場合，降水深度不限[3]。本法使用機具設備簡單，排水量較大，水泵設在地面，易于維護，可代替多組輕型井點使用[4]。

2.3 深井井點

深井井點降水是在基坑開挖范圍內設置深達含水層一定深度的井管，使地下水通過設置在井管內的潛水泵抽出以降低地下水位。深井井點由井管和潛水泵、排水管等組成[4]，適用于滲透系數在10～250 m/d之間、地下水豐富的砂礫卵石土，降水深度可達15～50 m。本法具有排水量大，降水深度大，排水效果好；井位布置靈活，對基坑挖土的干擾小；地層適應性強、施工速度快；管井制作簡單、降水操作簡單、后期維護簡單等特點。

3 某復雜周邊環境條件下基坑降排水設計

3.1 工程概況

基坑周長約725 m，面積24 600 m2，場地土0.00相當于絕對標高22.0 m，二層地下室底板墊層底標高為-9.5～-10.0 m，場地較為平坦，整平標高21.2～21.7 m，基坑開挖深度約8.7～9.7m。設計采用的支護形式：放坡+雙排樁、放坡+懸臂樁支護，局部采用角撐。

3.2 周邊環境及排水條件

根據業主提供的地下管線圖和現場踏勘，該基坑開挖范圍內無建（構）筑物及地下管線，周邊建筑物和管線情況如下。

北側地下室開挖底邊線距紅線約19.5 m，紅線外為冶金大道。冶金大道上有電線光纖、排水、給水和天然氣管道。

東側墻線距紅線約5.6～12.7 m，紅線外為一小區內道路，距江南御景小區約20 m。

南側墻線距紅線約12.5～18.0 m，紅線外為鄂州街，距客運集團小區約31.7～37.8 m。鄂州街上有電線光纖、排水、給水、共用管道和電視管線。

西側墻線距紅線約15.0 m，紅線外為工業路。工業路上有電力、給水、電信、天然氣、共用管道和排水管道。

西北側墻線距紅線約11.4～13.2 m，紅線外為2～7 F建筑。

本項目市政雨污水排水管道走向為：北側本項目紅線附近設置一個排水口，通過一根DN300 砼排水管匯入馬路對面DN1350 砼市政主排水管；南側紅線附近設置一個排水口，通過DN400 砼管道匯入臨近東側DN700 砼市政主排水管道；西側紅線附近設置一個排水口，通過一根DN300 砼管道匯入臨近DN700 砼市政主排水管道。

3.3 工程地質條件

根據勘察報告，場地巖土自上而下地層為：

（1）層雜填土，層厚0.9～4.0 m，平均層厚2.3 m；雜色，松散狀態，土質不均勻，以黏性土為主，包含磚渣、碎礫石，最大粒徑為11～30 cm，含量約40%。

（2-1）層粉質黏土夾粉砂，層厚4.10～14.60 m，平均層厚9.12 m；黃褐色、褐色，稍濕，軟塑，含鐵錳氧化物，干強度高，刀切面較光滑，稍有韌性，土質不均勻。

（2-1-1）層粉質黏土，層厚1.90～2.70 m，平均層厚9.62 m；黃褐色、褐色，稍濕，可塑，含鐵錳氧化物，干強度高，刀切面較光滑，稍有韌性，土質不均勻。

（2-2）層粉砂夾粉土，松散～稍密，層厚2.80～15.20 m，平均層厚9.62 m。粉砂：青灰色，松散～稍密，主要成分是長石、石英顆粒和云母片，偶見螺殼。局部夾薄層粉質黏土、粉土，具微層理，土質不均勻。粉質黏土：青灰色，軟塑，干強度中等，刀切面較光滑，韌性較好，土質不均勻。

（3-1）層粉細砂，層厚2.20～13.30 m，平均層厚8.56 m；青灰色，主要由石英和長石顆粒、云母片組成，砂質均勻，分選性一般。呈飽和、中密狀態。局部夾少量薄層粉土和粉質黏土。

（3-2）層粉細砂，層厚22.40～33.60 m，平均層厚26.67 m。青灰色，主要由石英和長石顆粒、云母片組成，砂質均勻，分選性一般。呈飽和、密實狀態。局部夾少量薄層中粗砂，薄層粉土和粉質黏土。

（3-3）中粗砂混礫卵石，層厚0.4～0.7 m，平均層厚0.47m；雜色，主要成分為石英巖、石英砂巖等，卵石含量約為50%～65%，粒徑一般40～70 mm，最大粒徑110～30 mm，磨圓度較好，多呈亞圓～扁圓形，隙間充填中粗砂，呈飽和、偏密實狀態。

（4）強風化泥質粉砂巖，層厚0.4～0.7 m，平均層厚0.47 m；青灰色，泥質膠結，巖芯較破碎，多呈土狀和碎塊狀，徒手可捏碎、折斷，采取率約80%。原巖結構大部分破壞，巖石風化不均勻，局部夾有約10%～20%的中風化巖塊，分布不均勻。屬極軟巖，巖石基本質量等級為Ⅴ類。

3.4 水文地質條件

根據勘察報告，主要有2 層地下水，分別為上層滯水和孔隙承壓水。

上層滯水：主要賦存于（1）層雜填土中，該層滲透性差，補給來源主要為大氣降水和地表水的滲透補給，水量有限。勘探期間測得水位埋深為1.2～2.1 m，對應標高為18.73～20.28 m，局部填土中有一定的水量。

孔隙承壓水：賦存于（3-1）層粉細砂及（3-2）層粉細砂中，水量大，與長江有密切的水力聯系。2018 年11月測得承壓水水位埋深5.6～6.1 m，對應標高為15.24～15.97 m。根據區域資料，本場區附近承壓水水位變幅為3～4 m。根據場地抽水試驗結果，承壓含水層滲透系數為18 m/d，影響半徑230 m。

3.5 基坑特點分析

1）本基坑工程，支護周長725m，開挖面積約24600 m2，基坑面積較大。

2）地下室基坑開挖深度為8.7～9.7 m，基坑開挖深度較大。

3）本場區基坑開挖深度范圍內地層為：（1）松散雜填土；（2-1）粉質黏土；（2-1-1）可塑粉質黏土；坑底大部分進入（2-1）粉質黏土夾粉砂，局部進入（2-2）粉砂夾粉土。坑底下為（3-1）層粉細砂及（3-2）層粉細砂，滲透系數為18 m/d，含水層厚度超40 m，水量大，與長江有密切的水力聯系。上部土層較軟，壓縮模量低，大規模降水易產生地面沉降。

4）基坑周邊環境復雜，地下管網密布，應控制好地面沉降以免對周邊管線造成影響。

3.6 降排水方案選擇

3.6.1 上層滯水的治理

上層滯水可采用在基坑開挖頂邊線和底邊線周圍設置排水溝、集水井的方式處理[5]。

1）為防止坡頂土體被地表水滲透軟化，坡頂外應設置不小于2.0 m 的反坡。

2）在基坑邊坡坡面滲水處設置泄水孔以利排水，按橫、豎向間距2.0 m×2.0 m 梅花形布置，根據開挖后實際情況布置。材料采用長為0.5 m 的Φ50PVC 管，管底部用過濾網包裹，入土部分不少于0.35 m，泄水管下傾15°。

3）在距基坑開挖頂邊線外側2 m 處設置截排水溝，坡頂每隔30 m 設置集水井，集水經沉淀后排入市政排水系統。

4）在基坑開挖過程中，應在坑內邊坡坡腳0.5 m以外設置排水溝、集水坑，對坑內積水進行抽排，保證坡腳不得有積水。溝底至少比挖土面低0.3～0.4 m，集水坑比排水溝底低0.5 m[6]。

5）基坑開挖后，坡頂、坡面、坡腳均應及時進行混凝土封閉，坡頂和坡腳積水應及時抽排，嚴禁積水，避免土層泡水被軟化或崩解。

6）基坑開挖期間，基坑內可采用沿基坑坡腳設明（盲）溝和集水坑，積水及時用潛水泵明排至坑外。

3.6.2 孔隙承壓水的治理

根據基坑開挖深度、場地滲透系數大、水量豐富及周邊市政管網排水較多排水能力強等特點，對粉細砂礫卵石層中孔隙水，主要采用中深管井降水。根據本基坑工程的基坑深度、集水井和電梯井的布置，經估算，并結合天漢降水軟件計算結果，考慮到豐水期水量較大和土方開挖可能在施工階段損壞降水井，本工程共設置46 口降水井（包括6 口觀測井兼備用井），降水井材料采用鋼管，坑內降水井井徑為550 mm，鋼管鋼材采取Q235B，壁厚不小于3 mm。基坑外布置15 口回灌井兼觀測井。為減少基坑降水對周邊環境的影響，支護樁外側采用水泥土三軸攪拌樁處理，深度完全封隔（2-2）粉砂夾粉土交互層。具體設計參數如下：

1）降水井深度35.0 m（從自然地面起算），過濾管設置于粉細砂層中，深度15.0 m，長度18.0 m，沉淀管長2.0 m。

2）降水井成孔直徑550 mm，濾水井管直徑250 mm，濾料規格為1～3 cm 連續級配石英砂，孔口0.8 m 井壁投黏土球搗實。

3）濾水段開孔12～18 mm，開孔率不小于30%，沿井管焊Φ10 mm，豎向間距100 mm 的鋼筋，外包2 層60～80 目濾網。

4）降水井配備60 m3/h 的深水潛水泵，基坑井點群應有2 臺備用泵。

5）設置于基坑內的降水井，應避開承臺和基礎梁的位置，穿越基礎底板處基礎施工時應設止水環。

6）降水井按信息法運行，降水期間應對設備、排水管及供電系統周密布置，確保降水不間斷進行。

7）必須先將地下水位降至開挖面下0.5 m 方可進行土方開挖，開挖過程中應持續降水維持水頭標高在開挖面下不小于0.5 m。

8）開挖原則為先挖深坑再挖淺坑。

9）針對基坑降水，建議適當加大監測范圍，重點加強周邊道路管線的監測。

10）當地下室后澆帶施工完畢且基坑肥槽回填后，方可結束降水工程維持階段，并按有關規定對井孔進行回填，將抽水井割除到地下室底板以下，對抽水井進行封堵和防滲處理，避免地下室底板產生滲漏。

經降水驗算，地面沉降預測值為12～30 mm，差異沉降和傾斜均較小，基坑降水引起的地面沉降和傾斜在可控范圍內。最終監測結果地面沉降也在30 mm 以內，基坑降水未對周邊環境造成影響[7]。

4 結束語

不同的基坑降排水方法有其適用的條件及優缺點，降排水方式應根據場地條件、周邊環境及排水條件、場地工程地質條件和水文地質條件合理選擇。降水實施過程中加強信息監測與管理，采用信息化施工，保證基坑工程和周圍建筑物（結構）的使用安全。