□文/鐘建文 馮恒北 王 靜 牛 磊

地下水控制是基坑施工中的重要課題。在沿?；蛘呖拷恿?、湖泊的場(chǎng)地條件下，由于存在厚度較大的強(qiáng)富水、強(qiáng)透水無(wú)黏性土層，基坑通常采用懸掛式止水帷幕，但由于懸掛式止水帷幕沒(méi)有隔斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系，導(dǎo)致基坑涌水量相對(duì)較大，增加了降水對(duì)基坑周邊環(huán)境的影響，因此，懸掛式基坑的地下水控制問(wèn)題尤為關(guān)鍵，直接關(guān)系到基坑能否順利開(kāi)挖。

目前，基坑涌水量一般采用大井法進(jìn)行估算，將基坑作為一個(gè)整體考慮；但由于含水層厚度、隔水結(jié)構(gòu)深度以及巖土物理力學(xué)特征的不均勻性，估算的精度有時(shí)與工程實(shí)際存在較大偏差。閆瑞明等[1]對(duì)采用阻力系數(shù)法計(jì)算基坑涌水量的問(wèn)題進(jìn)行了闡述，為有懸掛式止水帷幕的基坑降水問(wèn)題提供了新的思路。

本文以哈爾濱松花江河漫灘地區(qū)某地鐵車(chē)站深基坑為背景，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法對(duì)有懸掛式止水帷幕基坑周邊水位和基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算并將計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，以考究改進(jìn)阻力系數(shù)法應(yīng)用于懸掛式止水帷幕基坑設(shè)計(jì)計(jì)算的可行性。

1 改進(jìn)阻力系數(shù)法

阻力系數(shù)法是閘壩非巖石地基中恒定滲流的一種近似計(jì)算方法，可用于確定滲流區(qū)各處的滲流要素，包括滲透壓力、滲透坡降和滲透流量。這一方法是1957 年丘加也夫根據(jù)巴甫洛夫斯基分段法理論和努麥羅夫?qū)弊儩B流區(qū)計(jì)算理論提出的。毛昶熙等[2]沿用阻力系數(shù)概念提出改進(jìn)阻力系數(shù)法，這是一種在滲流分析阻力系數(shù)法、分段法和獨(dú)立函數(shù)法三種算法的基礎(chǔ)上提出的精度較高的算法。其基本思路：根據(jù)地下輪廓的特點(diǎn)將閘基滲流區(qū)域劃分為簡(jiǎn)單的區(qū)段，計(jì)算各典型段的阻力系數(shù)并得出各典型段的滲壓水頭損失，最后得出各滲流角的滲壓水頭分布。

2 懸掛式止水帷幕特點(diǎn)

設(shè)置止水帷幕延長(zhǎng)基坑周邊地下水向坑內(nèi)匯集的滲流路徑，有利于減少降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，同時(shí)也降低了降水的強(qiáng)度和費(fèi)用[1]，因而在城市建設(shè)中廣泛采用。按止水帷幕與含水層關(guān)系，可分為落底式和懸掛式兩種。在含水層厚度較大的場(chǎng)地中采用懸掛式止水帷幕+基坑內(nèi)深井降水的組合方法，可有效解決基坑地下水控制的問(wèn)題，減少工期，節(jié)省造價(jià)，提高工程建設(shè)效率[3]，在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、安全及環(huán)境方面能達(dá)到較好的統(tǒng)一性，具有明顯的優(yōu)越性[4]。但由于懸掛式帷幕沒(méi)有完全隔斷基坑內(nèi)外地下水的水力聯(lián)系，坑內(nèi)降水和周邊環(huán)境控制的難度相對(duì)較高。

對(duì)于采用懸掛式止水帷幕的基坑，基坑降水計(jì)算的關(guān)鍵在于確定坑外地下水向坑內(nèi)的繞流量，或者說(shuō)是量化評(píng)估帷幕對(duì)基坑內(nèi)外地下水繞流的阻隔效果。

3 計(jì)算案例

3.1 工程概況

哈爾濱市軌道交通3號(hào)線(xiàn)體育公園站為地下二層車(chē)站。車(chē)站主體基坑采用800 mm厚地下連續(xù)墻作為施工階段的圍護(hù)結(jié)構(gòu)擋土擋水，使用階段兼作車(chē)站主體抗浮結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)段基坑開(kāi)挖深度約17.2 m，小里程端頭井開(kāi)挖深度約20.1 m，大里程端頭井處基坑開(kāi)挖深度約為19.1 m。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，隔水層分布不均，存在缺陷，局部區(qū)域上下含水層之間呈連通狀態(tài)，而基巖埋藏較深。這種地層在當(dāng)?shù)貥O具代表性，一般采用的落底式止水帷幕，造價(jià)高且施工進(jìn)度緩慢；因而考慮選取體育公園站大里程端152 m長(zhǎng)度范圍作為懸掛式止水帷幕的試驗(yàn)段，對(duì)其在哈爾濱松花江河漫灘地區(qū)的可行性和推廣價(jià)值進(jìn)行實(shí)證研究。

試驗(yàn)段范圍內(nèi)的地下連續(xù)墻設(shè)置深度為37.0 m；其他區(qū)域采用落底式止水帷幕，地下連續(xù)墻設(shè)置深度為47.0 m；兩區(qū)域中間設(shè)置47.0 m深分倉(cāng)墻。見(jiàn)圖1。

圖1 基坑總平面

3.2 地質(zhì)條件

松花江流域地層分布主要有白堊系和第四系，基底為古老的松遼地塊，淺層廣泛分布漫灘相第四系全新統(tǒng)天然沉積土，由松花江曲流作用垂向沉積而成[5]。地層巖性以填土、粉質(zhì)黏土、砂類(lèi)土為主，按地層成因年代及物理力學(xué)性質(zhì)，場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地層分為4個(gè)大層：第四系全新統(tǒng)人工堆積層（）；第四系全新統(tǒng)漫灘沖積層；第四系下更新統(tǒng)冰水堆積層（Q） ；白堊系嫩江組沉積巖（）。見(jiàn)表1。

表1 主要土層參數(shù)

3.3 水文條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)潛水主要賦存于第四系全新統(tǒng)砂層中，地層富水性好、透水性強(qiáng)，與松花江水力聯(lián)系密切，有較統(tǒng)一自由水面，含水層總厚度20～30 m，靜止水平均高程111.19 m，水深度6.30 m；補(bǔ)給方式主要有松花江側(cè)向徑流、大氣降水入滲等，其中松花江側(cè)向徑流補(bǔ)給為主要來(lái)源；排泄方式主要為蒸發(fā)及人工開(kāi)采，地下水位變幅2～3 m/a。場(chǎng)區(qū)內(nèi)第一層承壓水主要賦存于2-4 層砂層中，承壓水與上部潛水連通，水頭高與潛水面一致。第二層承壓水主要賦存于第四系下更新統(tǒng)東深井組冰水堆積層砂層中，含水層頂板為7-1層黏性土層，底板為白堊系下統(tǒng)粉砂質(zhì)泥巖，含水層厚度約9～15 m，具微承壓性，水頭高程在110.0 m 左右，該含水層透水性強(qiáng)、富水量大，主要接受側(cè)向徑流補(bǔ)給且以側(cè)向徑流排泄為主。見(jiàn)圖2。

圖2 含水層剖面

4 基坑地下水控制計(jì)算

4.1 基坑分段

結(jié)合場(chǎng)地地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征和改進(jìn)阻力系數(shù)法的基本原理，將采用懸掛式止水帷幕的基坑分成3個(gè)計(jì)算單元。其中南側(cè)地層起伏較小，為單元I；北側(cè)地層起伏相對(duì)較大，劃分為單元Ⅱ和單元Ⅲ。見(jiàn)圖3和圖4。

圖3 南側(cè)懸掛段縱剖面

圖4 北側(cè)懸掛段縱剖面

單元I長(zhǎng)度152 m，選取具有代表性的鉆孔位置確定一個(gè)斷面對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行分析，將懸掛式止水帷幕地基劃分為進(jìn)口段（S1）、出口段（S2）和水平段（S3），采用改進(jìn)阻力系數(shù)法推求周邊水頭損失，進(jìn)而對(duì)基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算。見(jiàn)圖5。

圖5 基坑滲流計(jì)算斷面

4.2 阻力系數(shù)計(jì)算

根據(jù)含水層的分布和滲透特性及與止水帷幕的位置關(guān)系，計(jì)算時(shí)：

1）基坑涌水量主要考慮7-2 中粗砂微承壓含水層的繞流；

2）承壓水頭標(biāo)高根據(jù)勘察資料取110.0 m（埋深8.3 m）。

各分段阻力系數(shù)計(jì)算

式中：Si——進(jìn)出口段垂直滲透深度，S1=10.88 m、S2=19.55 m；

L——止水帷幕的長(zhǎng)度，根據(jù)板樁水頭損失的獨(dú)立作用原則[2]，結(jié)合工程精度要求，取L=0.2T=1.26 m；

T——地基計(jì)算深度，T=min(T，Te)，Te按式（4）取值，求得T=min(7.74，6.29)=6.29 m。

當(dāng)L/S2＞5時(shí)，Te=0.5L

分段阻力系數(shù)ζ1=1.20、ζ2=0、ζ3=1.43。其中，水平段阻力系數(shù)計(jì)算值為ζ2=-3.1，負(fù)值表示水平段長(zhǎng)度小于兩端板樁影響長(zhǎng)度[2]，故取ζ2=0。

4.3 水頭損失計(jì)算

各分段的水頭損失按式（5）計(jì)算

式中：hi——各分段水頭損失值，m；

H——滲透水頭，取初始水頭與坑內(nèi)安全水頭之差；

n——總分段數(shù)。

進(jìn)出口段水頭損失按式（6）和式（7）修正

式中：h0’——修正后的進(jìn)出口處水頭損失，m；

B——水頭修正系數(shù)；

h0——未經(jīng)修正的進(jìn)出口處水頭損失，m；

T——進(jìn)出口段地基深度，m；

T’——進(jìn)出口段另一端的地基深度，m；

S’——底板埋深與帷幕入土深度之和，m。

計(jì)算得β=1.2＞1，則不需要修正[2]，基坑各分段坑外水頭損失計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 基坑外水頭損失計(jì)算結(jié)果

4.4 涌水量計(jì)算

基坑涌水量

式中：li——第i段止水帷幕的長(zhǎng)度；

qi——第i段繞過(guò)帷幕低端滲入基坑的單位寬度的流量。

式中：q——單位寬度流量；

H——滲透水頭；

k——計(jì)算涉及的各土層的等效平均值。

基坑各單元涌水量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 基坑滲流計(jì)算結(jié)果

5 基坑降水實(shí)測(cè)分析

5.1 基坑降水方案

考慮地層條件、地下水分布情況以及帷幕插入深度等因素，基坑采用坑內(nèi)管井降水[6～9]，其中，懸掛帷幕區(qū)域坑內(nèi)設(shè)置降水管井，井管采用鋼管+橋式濾管，過(guò)濾段孔隙率約為15%，于坑外設(shè)置潛水觀測(cè)井和備用減壓井。在降水實(shí)施過(guò)程中，對(duì)各含水層水位變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)嚴(yán)密監(jiān)控，根據(jù)水位變化情況，適時(shí)啟動(dòng)坑外備用減壓井，調(diào)整各降水井的運(yùn)行時(shí)間以及降水幅度，保證水位滿(mǎn)足基坑施工需要的同時(shí)，盡量減少對(duì)周邊環(huán)境的不利影響。見(jiàn)圖6。

圖6 懸掛段基坑降水平面布置

5.2 周邊水位對(duì)比分析

基坑采用分段開(kāi)挖的方式，自西側(cè)大里程端開(kāi)始；遵循按需降水的基本原則，根據(jù)開(kāi)挖范圍分批次運(yùn)行坑內(nèi)降水井，維持坑內(nèi)水位在開(kāi)挖面以下0.5 m左右。由于坑內(nèi)降水主要源自7-2層承壓水的透過(guò)和分布不均的4-2-1層垂直補(bǔ)給，降水運(yùn)行期間，坑外和淺層水位基本沒(méi)有變化，受大氣降水影響，只是在初始水位上下小幅度波動(dòng)，因此，重點(diǎn)關(guān)注基坑開(kāi)挖階段，坑外深層（7-2層）觀測(cè)井水位變化情況，見(jiàn)圖7。

圖7 施工階段坑外深層水位歷時(shí)變化曲線(xiàn)

基坑大里程段施工階段，坑外深層地下水水頭呈先下降，之后緩慢回升的總體趨勢(shì)，其中相對(duì)變化量較大的為J-5～J-8，累計(jì)降深最大值1.82 m（J-5），對(duì)應(yīng)位置屬于計(jì)算單元I；該單元水位降深計(jì)算值1.46 m為計(jì)算單元中的較大值，兩者相差0.36 m。實(shí)測(cè)坑外累計(jì)降深最小值1.21 m（J-4），對(duì)應(yīng)計(jì)算單元II；累計(jì)降深計(jì)算值也是三個(gè)單元中計(jì)算值的最小值1.17 m，相差0.04 m。實(shí)測(cè)坑外水位降深平均值1.42 m，與水頭損失計(jì)算平均值1.38 m相差0.04 m。

綜合上述對(duì)比分析結(jié)果，改進(jìn)阻力系數(shù)法用于懸掛式止水帷幕基坑地下水滲流計(jì)算可行，對(duì)坑外水頭降深平均值及其空間分布的預(yù)測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠，相比其他算法在精度上具有一定的優(yōu)越性。

5.3 基坑涌水對(duì)比分析

由于基坑采用分段開(kāi)挖的方式，因此實(shí)時(shí)開(kāi)挖范圍較小，但是開(kāi)挖深度增加較快，為了將水位控制在開(kāi)挖面以下，坑內(nèi)局部水位在第一周便降至18.0 m以下，平均水位在15.0 m以下，基坑開(kāi)始開(kāi)挖，降水運(yùn)行逐步進(jìn)入穩(wěn)定階段，見(jiàn)圖8。

圖8 施工階段坑內(nèi)水位和出水量歷時(shí)曲線(xiàn)

在剛開(kāi)始抽水階段，基坑出水量極大，單井出水量最大達(dá)50 m3/h，群井（靠近西端頭10口）抽水后，單井平均出水量約30 m3/h，開(kāi)挖期間，降水井維持24 h持續(xù)抽水，隨著抽水時(shí)間的增加，基坑總涌水量有所衰減，第3～4周開(kāi)始，基坑總出水量在4 600 m3/d左右，坑內(nèi)平均水位埋深約17.0 m。隨著車(chē)站主體結(jié)構(gòu)底板的施工，基坑出水量呈現(xiàn)出較為明顯的衰減，基坑降水主要運(yùn)行階段結(jié)束，降水逐步停止運(yùn)行。

在基坑主要降水階段，基坑涌水量約為4 600 m3/d，與采用改進(jìn)阻力系數(shù)法的計(jì)算值4 865.3 m3/d 相差約265.3 m3/d，平均到每個(gè)實(shí)際運(yùn)行的降水井約為1.1 m3/h，計(jì)算誤差為5.7%，可以滿(mǎn)足工程精度要求。

6 結(jié)論

1）在含水層厚度較大的場(chǎng)地條件下，懸掛式止水帷幕基坑滲流狀態(tài)可采用改進(jìn)阻力系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算思路清楚，計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便且能構(gòu)靈活地根據(jù)地層或圍護(hù)結(jié)構(gòu)地空間分布情況，分單元、分?jǐn)嗝孢M(jìn)行計(jì)算，適用范圍比較廣泛。

2）采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算懸掛式止水帷幕基坑的涌水量和周邊水位變化量，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況吻合良好且在計(jì)算精度上具有較為明顯的優(yōu)越性。