王冬平，魏俊海

(天津市勘察設(shè)計集團有限公司，天津 300191)

大規(guī)模市政工程建設(shè)中不可避免地會遇到地下水的控制問題，市政工程是一種具有工期長、工作量大、工序復(fù)雜等特點的工程類別。在市政工程建設(shè)中，由于地下水的獨特的化學成分，對工程建筑會造成極大的作用和影響。主要表現(xiàn)在腐蝕鋼筋、侵蝕地下承力土壤、弱化構(gòu)件屬性。除此之外，地下水的浮力對結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工也有著不容忽視的影響，市政工程施工中應(yīng)當處理好地下水對工程建設(shè)的影響。

1 地下水的類型及形成因素

在現(xiàn)階段各項工程建設(shè)中，我們普遍將地下水分成三類：承壓水、潛水、上層滯水(見圖1)。這主要是根據(jù)地下水的埋藏條件和水力性質(zhì)來進行的分類，其中地下水的水力性質(zhì)是造成工程事故的主要性質(zhì)，這也是研究地下水的一個重要切入點。三類水的形成各不相同，包氣帶局部隔水層(弱透水層)之上積聚的具有自由表面的重力水稱為上層滯水(Upper stagnant water)，此類地下水主要來自大氣降雨、地表水的滲入，一般在排水功能完善的城市很少見。上層滯水是一些還跟不上現(xiàn)代化腳步城市要面對的主要難題，這些城區(qū)排水功能不規(guī)范，地下排水系統(tǒng)老化，設(shè)備設(shè)施得不到更新，雨季來臨時，這種問題會更加明顯。根據(jù)調(diào)查顯示，我國有80%以上的老舊街道存在著地下水侵蝕土層的危險，而這種危害主要來源于地表水滲入。

圖1 地下水的分類

潛水(phreatic water)，是指地表以下第一個穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的地下水，它不承受靜水壓力；水位受降水等因素影響而升降；它在重力作用下,由潛水位較高的地方滲流向較低的地方處,是地下徑流的主要源泉.

承壓水(Confined water)是存在于兩個隔水層之間的具有一定水頭壓力的地下水，承壓水形成條件比較復(fù)雜，它埋藏于兩隔水層之間，形成于透水層中，如果下滲水在隔水層之間布滿整個透水層則才可能形成所謂的承壓水。另外，周圍地貌特征和土質(zhì)構(gòu)造也和承壓水關(guān)系緊密，在地質(zhì)構(gòu)造適宜的情況下，無論是松散沉積物，還是基巖，都可形成承壓水。根本區(qū)別就在于兩者埋藏條件不同，承壓水是埋藏在上下兩個隔水層之間的地下水，潛水埋藏在第一個隔水層之上的地下水。城市市政工程中，經(jīng)常遇到的地下水問題就是潛水和承壓水問題。這兩類地下水造成的不良施工困難主要表現(xiàn)在涌突、管涌、結(jié)構(gòu)上浮等。多市在實施地下工程中都曾有施工人員在地下作業(yè)時喪生于此，承壓水與潛水的工程影響已然成為社會各界關(guān)注的熱點問題。

2 市政工程地下水處理理論依據(jù)

市政工程中地下水的勘測是一項巨大的工程，這意味著在滿鋪的市政干道之下要進行極其精確的數(shù)據(jù)測量和水位檢測，必須借助特定的地下水檢測器械才能實現(xiàn)。數(shù)字化模擬系統(tǒng)GMS在地下水勘測與防治中具有顯著的成像效果，它將多個模塊集成，能夠反映真實的地下水流狀況。而地下水的理論分析也是一個值得深挖的概念，只有將GMS和地下水理論分析結(jié)合在一起，才能完成對地下水的一個全面了解，從而達到預(yù)期減災(zāi)防災(zāi)的目的。

2.1 GMS的數(shù)據(jù)輸入方式和功能

GMS的全稱是Groundwater Modeling Systems, 即地下水模型系統(tǒng)，是美國Brigham Young University環(huán)境模型研究實驗室和美國陸軍排水工程實驗工作站在綜合MODFLOW、FEMWATER、MT3DMS、RT3D、SEAM3D、MODPATH、SEEP2D等已有地下水模型的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個綜合性的地下水模擬軟件。該軟件模塊使用模塊數(shù)據(jù)輸入、外部GIS數(shù)據(jù)輸入、工具性輔助模塊數(shù)據(jù)輸入等方式，使用者根據(jù)自己的數(shù)據(jù)使用要求選擇不同的輸入方式，從而得出相應(yīng)的三維模擬結(jié)果。

2.2 地下水“涌突”的理論依據(jù)

涌突指的是在深基坑大開挖過程中會破壞掉承壓水上部不透水頂板的絕對厚度，進而直接承壓水頂破基坑底部的橫向面板造成的破壞現(xiàn)象。涌突的穩(wěn)定性驗算可以采用相關(guān)規(guī)范中的公式進行：

H/(h×γ)≥K

(1)

式中：H表示不透水頂板開挖后的厚度，h為承壓水頭高于不透水頂板的高度，k為涌突穩(wěn)定安全系數(shù)，該系數(shù)規(guī)定大于等于1.1,根據(jù)相關(guān)規(guī)范，只有當滿足H≥K×h×γ時才不會發(fā)生管涌現(xiàn)象。

2.3 地下水“結(jié)構(gòu)上浮”的理論依據(jù)

結(jié)構(gòu)上浮是指大開挖形成的基坑底部結(jié)構(gòu)被地下水沒過，地下水形成的水浮力相較上層結(jié)構(gòu)荷載較大時造成的整個建筑下沉或者傾斜的現(xiàn)象。這在市政工程中同樣危險著市政道路和市政地下空間的穩(wěn)定性，根據(jù)市政工程相關(guān)規(guī)范進行抗浮驗算可以用到以下公式：

K=(結(jié)構(gòu)重力+覆土重力+地上體系重力)/水浮力

(2)

式中：K為抗浮安全系數(shù)。當不計地層側(cè)摩阻力時，k≥1.05；當計及地層側(cè)摩阻力時，k≤1.15。

2.4 地下水“流沙”的理論依據(jù)

土體在飽水之后，會形成“水頭差”，水頭差造成滲透力的方向變化到與重力相反的方向，接著那些松散土顆粒就會產(chǎn)生懸浮流動，“流沙”因此產(chǎn)生。形成“流沙”之后，土壤喪失承載能力，致使工程無法施工，嚴重情況還會引起地基“空心化”，從而引起建筑物的下沉、傾斜甚至倒塌。水力坡度是產(chǎn)生“流沙”這種現(xiàn)象的主要臨界因素，水力坡度越大，水中的顆粒流動就會越迅速，隨著水流整體流動的加快達到流沙產(chǎn)生的臨界點，流沙現(xiàn)象就會產(chǎn)生。所以控制水力坡度是控制流沙產(chǎn)生的最重要途徑。產(chǎn)生流沙的臨界水力坡度按照下式計算：

i=γ/r

(3)

《水力學》推導了該公式的來源，其中式中r為水的容重，γ為土的有效容重，i為產(chǎn)生流沙的臨界水力坡度。

3 多因素耦合在某市政工程中的具體應(yīng)用

欲改建一條長約為7.8 km的市政重要線路，該線路是連接城市東部與市中區(qū)的主要公路干線，隨著車輛逐年增長，交通壓力越來越大，傳統(tǒng)的紅綠燈控制車流的方式在此線路上已經(jīng)失去了作用。在道路的擴建過程中，就遇到了老生常談的地下水問題。根據(jù)地質(zhì)勘察報告，場地第一層地下水為潛水，水位位埋深約10.3 m，第二層地下水為承壓水，水位埋深約24 m，承壓水頭約7 m，抗浮水位埋深約4.8 m。

3.1 GMS與理論控制法在該線路中的運用

本次模擬將地下水流考慮為最接近真實情況的三維流動，采用外部GIS數(shù)據(jù)輸入，在整段設(shè)置7個觀測點，得出每個觀測點的k值，表1如實反映了7個觀測點的數(shù)據(jù)信息。

表1 各段k值表

通過k值尋找，我們可以得出每段產(chǎn)生“涌突”臨界開挖深度。具體見表2。

表2 臨界開挖深度

根據(jù)以上計算結(jié)果可知該市政工程在各個施工段都應(yīng)該控制開挖深度，當遇到設(shè)計要求必須大開挖至臨界深度一下時，必須設(shè)置井點進行降水處理，否者就會發(fā)生“涌突”對施工人員造成危險，情況嚴重還將造成原路面的下陷和開裂。

3.2 地下水的施工控制方法

本項目是城市改造項目，因此在施工中必須考慮單邊作業(yè)法，在正常施工作業(yè)的情況下還必須為通行車輛設(shè)置單邊通道、為行人設(shè)置人行便道等。市政管線的管廊設(shè)置在道路兩側(cè)距表面5 m距離，而抗浮水深度是4.8 m，所以降水井的設(shè)置必須滿足兩個條件：(1)不能大開挖，(2)降水井的連接必須使用頂管的施工工藝。

頂管施工就是利用頂管套筒和頂進設(shè)備——傳力頂鐵將套筒頂入需要掘進的土壤當中，工人則在套筒內(nèi)進行掘進工作，最后利用起吊機將廢棄土方運走。該施工方法主要有以下幾個優(yōu)點：

(1)跨越施工，對周圍建筑影響小。

(2)工期短，成本低。

(3)隱蔽作業(yè)，不阻礙交通。

(4)精度高。

圖2 頂管施工示意圖

4 結(jié)語

在市政工程深基坑施工中，地下水滲透破壞現(xiàn)象極易出現(xiàn)。我們應(yīng)當了解地下水造成的施工困難是哪些，并針對不同的地下水類型設(shè)計理想的施工控制辦法。除此之外地下水的保護也很重要，進行工程建設(shè)時，不能忽略對地下水的保護。根據(jù)對某市政工程道路改建的測算我們可以得到以下結(jié)論：

(1)勘察階段需要科學評價地下水對地質(zhì)、巖土造成的影響。在施工階段應(yīng)當選取最合適的地下水控制方法進行施工，特殊類型地下水需要特殊施工工藝保障施工人員安全和工程完整性。

(2)對于難以進行現(xiàn)場勘測的工程，可以預(yù)先在設(shè)計階段進行模擬分析，再結(jié)合實際情況檢查地下水的各種性質(zhì)。

(3)結(jié)合實際工程要求，若實行大開挖工藝會破壞正常交通秩序，危急鄰近建筑穩(wěn)定性，可以采用頂管施工法，既降低造價也能從根本上減少地下水的影響。

(4)在控制地下水的同時，應(yīng)當注重地下水質(zhì)的保護。地下水可以用于城市生活、農(nóng)田灌溉、工業(yè)制造。含有特殊元素的地下水還可以作為醫(yī)療用品的原材料。地下水總的來說是處于內(nèi)外平衡的狀態(tài)，人為原因造成地下水過渡流失可能會帶來地面下陷、地下空洞等一系列問題。因此在市政建設(shè)中一定要考慮好地下水的變化趨勢，否則，將對城市造成難以估量的損失和影響。