陳雁云，王云鋒，周春亮

(中交路橋華東工程有限公司，上海 201210)

0 引言

隨著我國大規(guī)模經(jīng)濟建設(shè)，地下工程項目數(shù)量越來越多、規(guī)模越來越大、基礎(chǔ)越埋越深、條件越來越復(fù)雜，各類地基基礎(chǔ)、基坑施工都需要考慮進行地下水控制[1]。地下水控制是工程建設(shè)的重要組成部分，具有很強的科學(xué)性和專業(yè)性，對巖土工程設(shè)計、施工的影響最大也最復(fù)雜。

在眾多影響基坑安全的因素中，地下水占有重要的作用。根據(jù)大量的基坑工程事故統(tǒng)計，很多都與地下水有關(guān)，而且后果往往很嚴(yán)重。地下水對基坑工程的影響，除了水土壓力中水壓力對支護結(jié)構(gòu)的作用外，最主要在于基坑涌水涌砂、邊坡失穩(wěn)(滑坡)、滲流破壞(流砂、突涌、管涌)、水土流失造成地面塌陷、排水固結(jié)引起地面沉降、建筑物變形以及水、土資源環(huán)境惡化等[2]。選擇合理的地下水控制方法，可防止地下水的不良作用對基坑安全及周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，保障基坑工程和地下工程施工正常進行。

1 工程概況

高港大道(通港路～揚子江路)地下綜合管廊工程項目地處泰州高港地區(qū)，毗鄰長江，綜合管廊長2.462km，斷面尺寸為8.7m×4.0m，分3艙布置，分燃?xì)馀?、綜合艙、電力艙，內(nèi)含系統(tǒng)包括供配電、消防、通風(fēng)、電氣、監(jiān)控、排水等系統(tǒng)。

綜合管廊基坑開挖深度約為7～14m，建筑場地類別為Ⅲ類，抗震設(shè)防烈度為7度，基坑支護結(jié)構(gòu)安全等級為二級。綜合管廊基坑支護類型為鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐，鉆孔灌注樁為φ850@1 050排樁，樁頂設(shè)1 200mm×900mm鋼筋混凝土冠梁；鋼支撐采用φ800×10鋼管，縱向布置間距為6m，內(nèi)支撐一端設(shè)置活絡(luò)端，施加250kN的預(yù)加力；灌注樁外側(cè)采用φ600@400雙重管高壓旋噴樁作止水帷幕，并結(jié)合管井降水，如圖1所示。

圖1 基坑支護示意

2 地質(zhì)與水文條件

2.1 地形地貌

高港區(qū)屬長江三角洲沖積平原，古代是淺海，后來逐漸成為陸地。地形平坦，地面高程一般為2.000～5.000m、最低處1.800m(局部地面)。大體北部為高沙平原，南部為沿江平原，江岸線附近的狹長區(qū)域為江邊灘地。

2.2 地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，本項目的地基土體可分為4層，現(xiàn)從上至下依次為：①表土 灰褐色～灰色，上部含大量磚礫碎石等，下部由素填土組成，主要由粉土、粉質(zhì)黏土組成，飽和，松散狀，局部含植物根莖，河道部位以淤泥、淤泥質(zhì)土為主，該層土整個場區(qū)普遍分布，土質(zhì)不均，成分雜，結(jié)構(gòu)松散，為高壓縮性低強度土，工程性質(zhì)差；②粉砂 灰黃色～青灰色，飽和，中密，以石英、長石、云母等為主要礦物成分，渾圓狀，磨圓性好，顆粒均勻，級配不良，黏粒含量極低，該層屬中偏低壓縮性、中等強度地基土，工程性質(zhì)較好；③粉砂夾粉土 粉砂，青灰色，中密為主，飽和，主要礦物成分為石英、長石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級配不良，黏粒含量平均值低；粉土，灰黃色～青灰色，濕～很濕，稍密～中密，搖震反應(yīng)迅速，無光澤反應(yīng)，低干強度，低韌性；粉土與粉砂的層厚比約為1/3，場區(qū)普遍分布；該土層為中低壓縮性，強度中等，工程性質(zhì)好；④粉砂 青灰色，中密為主，飽和，主要礦物成分為石英、長石、云母等，渾圓狀，磨圓性好，顆粒級配不良，黏粒含量低，場區(qū)普遍分布，該土層為中低壓縮性，強度中等，工程性質(zhì)良好。土體力學(xué)參數(shù)如表1，2所示。

表1 土體力學(xué)參數(shù)

表2 地基土承載力 MPa

2.3 水文條件

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，場區(qū)歷史最高地下水位及近3～5年最高水位埋深約0.5m，地下水位年季節(jié)變化幅度一般在3.0m，呈冬季向夏季漸變高的趨勢。

3 地下水不良作用

基坑工程中地下水的不良作用可歸納如下。

1)在含水層處于飽和狀態(tài)下開挖或止水帷幕失效，產(chǎn)生滲流破壞。如發(fā)生流砂、滑坡、管涌和基底突涌。其中，大量的泥砂流失將產(chǎn)生災(zāi)難性后果，如建筑傾斜、基坑失穩(wěn)等。

2)地下水位下降引起地層固結(jié)沉降，導(dǎo)致周圍地面沉降甚至區(qū)域性地面沉降。

3)強透水性含水層的大量涌水，導(dǎo)致基坑被淹或者水位無法降至滿足施工要求。

4)坑內(nèi)土體疏干效果差，影響基坑施工效率。

以上也是深基坑地下水控制的4個要素。本項目水位較高，土層為粉砂及粉砂夾粉土地質(zhì)，透水性強，降水施工對管廊基坑施工起到至關(guān)重要的作用。若降水失效，坑內(nèi)水位無法達(dá)到坑底以上，導(dǎo)致基坑無法干作業(yè)；若過分大面積降水，可能導(dǎo)致周邊道路、構(gòu)筑物沉降超標(biāo)，引起開裂甚至倒塌。

4 降水設(shè)計

4.1 降水類型

降水方法根據(jù)場地水文地質(zhì)條件、降水目的、降水技術(shù)要求、降水工程可能涉及的環(huán)境保護因素等進行選擇(見表3)。土質(zhì)主要為粉砂層，另有粉砂夾粉土，滲透系數(shù)大，采取的降水類型為管井[3]。

表3 降水類型

4.2 降水分析

綜合管廊基坑地下圍護結(jié)構(gòu)與止水帷幕深入到降水含水層中，部分隔斷基坑內(nèi)、外的水力聯(lián)系，地下水的流動受到阻擋，滲流邊界非常復(fù)雜，地下水呈三維流態(tài)，降水設(shè)計時往往需要進行滲流計算[4]。此類型基坑降水為“隔水帷幕深入降水含水層中的基坑降水”。

土層的含水層厚度大，周邊環(huán)境有道路、房屋構(gòu)筑物，常采用此類方法進行地下水位控制，由于受圍護結(jié)構(gòu)繞流阻水的影響，坑內(nèi)降水時，基坑內(nèi)、外往往會產(chǎn)生較大的水位差，需預(yù)防管涌發(fā)生[5]。降水結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 降水結(jié)構(gòu)

項目周邊環(huán)境場地復(fù)雜，不適用于采用坑外降水，采用坑內(nèi)降水主要控制坑外水位不下降或少下降，有利于環(huán)境保護，缺點是形成坑內(nèi)、外水頭差，易引起管涌。初步擬定降水方案，在坑內(nèi)兩側(cè)按梅花形布置管井，縱向間距15m，管井深度設(shè)在坑底以下2m，管井直徑300mm。

4.3 降水模擬計算

1)抗?jié)B流穩(wěn)定計算

抗?jié)B流計算方法采用臨界水力坡度法[6]，垂直滲徑換算系數(shù)(上段)0.8，垂直滲徑換算系數(shù)(下段)1.0，水平滲徑換算系數(shù)0.0，有效重度由飽和重度計算。通過計算得出抗?jié)B流穩(wěn)定安全系數(shù)為2.2。

2)地表沉降計算

地表沉降計算方法采用同濟拋物線法[7]。按單點降水深度不同計算地表沉降，當(dāng)降水深度達(dá)到最大時，地表沉降最大為8.3mm，地表沉降分析如圖3所示。

圖3 沉降計算

3)降水計算結(jié)果如表4所示。

表4 降水計算結(jié)果

通過初步分析計算，井群出水量和單井實際出水量滿足要求，選擇出水量大于90m3/d的水泵，功率選擇2.2kW。

5 降水施工

5.1 管井施工

降水期間需對水位等監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確保基坑外側(cè)水位變化不影響周邊建筑及市政設(shè)施。采用φ300mm井管形成深井降水系統(tǒng)，成孔直徑≥500mm，成井深度結(jié)合現(xiàn)場實際情況但需保證降深。井管外徑為300mm，基底標(biāo)高以下管壁上布φ10@40孔，梅花形布置。為保證井管周邊有良好的透水性及防止泥砂滲入，應(yīng)在管壁外側(cè)包2層30目濾網(wǎng)[8]。管井降水在開挖前14d開始施工。

5.2 管井運行

1)施工期間需確保管井連續(xù)抽水，施工用電須達(dá)到100%的保證率，同時要配足夠數(shù)量的備用水泵[9]。選擇一個管井為觀察孔，保證降水水位線在基坑0.5m以下。

2)在臨近建筑物邊設(shè)置沉降觀察點。降水后需進行24h不間斷觀測，一旦發(fā)現(xiàn)有沉降須立即停止降水或減少降水，并做好記錄、分析。

3)分析整理記錄，繪制抽水時間與地下水位的變化關(guān)系圖表、出水量(設(shè)置量水設(shè)備測量流量)與抽水時間的關(guān)系圖表，依據(jù)觀測記錄繪制水位降落曲線及動態(tài)變化情況。

圖4 觀測井水位標(biāo)高

6 實施與優(yōu)化

6.1 實施過程

按擬定的方案進行實施，通過14d的觀測，坑內(nèi)最終水位維持在坑底以上約100cm處，未達(dá)到降水效果，1～5d水位逐步連續(xù)下降，6～14d基本維持在平衡，水位無下降情況。選取了3個觀測井進行統(tǒng)計分析，水位標(biāo)高如圖4所示。

針對此降水失效情況，分析現(xiàn)場實際現(xiàn)象：①期間管井降水運行正常；②第7天時發(fā)現(xiàn)管井內(nèi)的水位已達(dá)到極限，出現(xiàn)無水現(xiàn)象，說明井內(nèi)出水量大于涌水滲水量；③出現(xiàn)井內(nèi)無水現(xiàn)象時，停止降水約1h，管井內(nèi)水位上漲約1.5m高。

6.2 措施優(yōu)化

針對以上現(xiàn)象，分析原因，主要是管井長度不夠、降水深度不夠、降水井間距過大等導(dǎo)致降涌平衡，坑內(nèi)水位一直處于坑頂上，模擬計算出坑內(nèi)水流夾角為116°，如圖5所示。

圖5 降水失效原因分析

因此，對管井設(shè)計進行優(yōu)化調(diào)整，在坑內(nèi)兩側(cè)按梅花形布置管井，縱向間距10m，管井深度設(shè)在坑底以下5m，另外，考慮管井深度越深滲水涌水量越大，需保證水泵出水量滿足滲透量要求[10]。

通過實施觀測，降水期間第7天坑內(nèi)水位已達(dá)到坑底以下1m位置，后續(xù)基本保持穩(wěn)定，在此布置情況下，出水量與滲水量平衡。以此作為經(jīng)驗值參考，進行大面積降水施工。

7 結(jié)語

通過項目實施情況可以得知，在高水位粉砂土層下綜合管廊基坑降水施工取得良好成效，能滿足施工作業(yè)要求。

基坑的降水設(shè)計作為理論參考，可依據(jù)止水帷幕深度、降水井深度、出水量、土層滲透系數(shù)等參數(shù)確定。但由于土質(zhì)土層的復(fù)雜性，更需要通過實施，對降水效果進行判斷分析，取得經(jīng)驗值，確定降水范圍、降水時間等。

由實踐得知，止水帷幕越深，降水深度越大，坑內(nèi)降水效果越顯著，但需考慮方案的合理性與經(jīng)濟性，選擇最合適的設(shè)計。在一定深度的止水帷幕下，可增加管井?dāng)?shù)量，適當(dāng)加大管井深度，控制單個水泵出水量，謀求降水平衡。此施工技術(shù)可為其他同類型環(huán)境的基坑降水提供參考。