陳 帥

(福州市城投建筑有限公司 福建福州 350007)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市迅速擴張。為滿足日趨緊張的用地需求，地下空間綜合利用開發(fā)項目急劇增多，基坑工程亦逐漸往深大方向發(fā)展[1]。大型基坑周邊往往存在大量既有建筑物，對基坑開挖過程中的地層變形控制提出了更高要求。軟土地層通常含水量較高，并具有較高的可壓縮特性，極易受到工程施工的擾動[2]，使得軟土地層中基坑施工過程中的地層變形控制面臨著巨大挑戰(zhàn)。尤其是當基坑臨近地鐵線路時，過大的地層變形會導(dǎo)致地鐵隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生大變形破壞[3]，嚴重危及地鐵的運營安全。

基坑降水是軟土地層基坑施工過程中重大危險源之一，也是坑周地層變形的主要原因之一，降水成功與否直接關(guān)系到整個工程的安全。若降水控制不當，不僅可能導(dǎo)致基底突涌、基坑垮塌等事故[4]，還會引起地層產(chǎn)生過大變形而危及到周邊建筑物的安全[5]。在這種情況下，提出針對臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水的控制技術(shù)，顯然具有積極的現(xiàn)實意義。鑒于此，本文依托福州市濱江市民廣場基坑工程，首先對臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水施工風險進行分析，由此提出判定軟土基坑降水成功與否的兩個標準，并最終構(gòu)建一個適用于臨近既有敏感建筑軟土深大基坑降水控制系統(tǒng)。

1 工程概況與水文地質(zhì)條件

福州市濱江市民廣場基坑工程位于福州市臺江區(qū)，閩江北岸五橋、六橋之間，江濱大道旁。擬建工程征地面積為58 228 m2，總建筑面積為111 336.69 m2，建筑設(shè)地下2層地上2層，地下二層為機動車庫和設(shè)備用房，地下一層為機動車庫、餐飲、商業(yè)、影院；道路層(一層)為商業(yè)、餐飲、兒童活動等；景觀層(二層)為商業(yè)及進出廣場的樓梯間設(shè)備房等。

項目基坑分為兩個分期施工。其中一期工程上跨地鐵二號線金祥站～祥坂站區(qū)間盾構(gòu)隧道，已于2017年7月完成至底板澆筑工序，研究基坑為濱江市民廣場二期工程，基坑具體平面尺寸以及其與地鐵區(qū)間隧道空間位置如圖1所示。基坑開挖深度11 m，采用沖(鉆)孔灌注樁(φ1000@1200 mm)結(jié)合外側(cè)三軸水泥土攪拌樁(φ850@600 mm)隔水帷幕作為圍護結(jié)構(gòu)。采用一道鋼筋混凝土支撐作為水平支撐體系，支撐上下兩側(cè)各布置一道擴孔錨索?？觾?nèi)所有工程樁在隧道盾構(gòu)穿越前均已施工完畢。

項目場地地貌類型屬于福州盆地中部沖淤積平原地貌，場地范圍內(nèi)地層由上至下依次分布為①雜填土(層厚1.20 m～5.60 m)、②淤泥(層厚0.70 m～3.40 m)、③中砂(層厚1.60 m～1.90 m)、④淤泥質(zhì)土(層厚5.90 m～25.50 m)、⑤粉土(層厚0.90 m～7.10 m)、⑥中砂(層厚0.70 m～3.10 m)、⑦卵石(層厚1.00 m～21.80 m)，基底為燕山期花崗巖。

(a)基坑平面布置圖

(b)基坑縱向剖面圖圖1 福州市濱江市民廣場基坑工程

濱江市民廣場基坑工程地層所賦存的地下水，主要分為潛水與承壓水兩種類型。其中潛水主要賦存于場區(qū)表層①雜填土中，主要接受大氣降水豎向入滲補給和地表水的入滲補給，多以蒸發(fā)方式排泄，一般水量不大，富水性不大，雨季時水量較大，地下水位上升，本工程雜填土中碎石、礫石(砂)、砼塊等建筑垃圾含量較高，滲透性較好。根據(jù)臨近場地施工經(jīng)驗，①雜填土的滲透系數(shù)為2～8 m/d，該土層因碎、塊石含量不均，滲透性變異較大。承壓水主要賦存于場地內(nèi)的⑥中砂、⑦卵石中的孔隙承壓水，其主要受地下側(cè)向或?qū)娱g越流補給。根據(jù)地區(qū)調(diào)查資料，建設(shè)場地水位年動態(tài)變幅一般在1.0 m～1.50 m左右，近3～5年的最高水位為羅零高程8.00 m，歷史最高地下水位標高約為8.50 m。場地南側(cè)江濱西大道外為閩江，其中⑥中砂層中承壓水與閩江江水呈直接補給關(guān)系，該層內(nèi)含水量大，其滲透系數(shù)經(jīng)抽水試驗測得平均值為15.66 m/d，對該工程基坑開挖影響較大。

2 含水軟土地層基坑施工難點與降水風險

2.1 含水軟土地層基坑施工的難點

在軟土地層中，地下水的存在會嚴重影響基坑的施工。具體表現(xiàn)在：①當?shù)貙雍枯^大時，會極大的增加基坑開挖難度，并降低基坑開挖效率。在濱江市民廣場基坑工程之中，基坑開挖范圍內(nèi)土層主要為淤泥質(zhì)土及淤泥土夾砂，土層含水量高、強度較低，具有較高的可壓縮特性。在此類地層中進行基坑開挖，極易出現(xiàn)開挖面軟弱、積水、土體難自穩(wěn)等一系列不良現(xiàn)象，嚴重影響施工的質(zhì)量與效率。②當?shù)貙雍枯^大時，承壓含水層內(nèi)存在極大的突涌風險。隨著開挖深度的增加，上覆土壓力逐漸減小，當上覆土壓力低于承壓水頂托力時，承壓水突涌就會演變便成為基坑開挖過程中最大的風險之一。濱江市民廣場基坑底板落在淤泥層，局部淤泥層厚度小，下部存在承壓含水層(中砂層)，隨著基坑的逐漸開挖，基坑涌水、流砂可能性將會逐漸增大。由上述分析可見，為使基坑能在干燥條件下施工，確?；咏Y(jié)構(gòu)在施工期間的安全與穩(wěn)定，必須對基坑進行降水處理。

2.2 基坑降水的風險

降水施工不可避免地會引起地層產(chǎn)生沉降。一方面在于，降水過程中，地下水會攜帶大量的土體細粒一同抽走。在此情況下，土層結(jié)構(gòu)會逐漸失穩(wěn)而產(chǎn)生局部陷落，進而導(dǎo)致極具破壞性的不均勻沉降。另一方面在于，隨著地下水位逐漸下降，淺層土體顆粒之間水分逐漸消散，有效應(yīng)力逐漸增加，在此過程中，土體骨架逐漸壓密進，導(dǎo)致地面沉降逐漸增大。簡而言之，基坑降水程度越高，地層變形越大。降水成功與否，直接決定施工的質(zhì)量與安全。若降水過度，地層將會產(chǎn)生過大的變形，不利于基坑本身穩(wěn)定的同時，基坑周邊建筑物或構(gòu)筑物也會受到嚴重威脅。

濱江市民廣場基坑工程位于福州中央商務(wù)區(qū)，基坑西面為IFC大廈、東面為德旺圖書館、北面為長汀街、南面為江濱西大道等既有構(gòu)筑物，基坑底板下3 m～7 m為地鐵二號線金詳～祥坂站區(qū)間隧道，研究的二期基坑工程分布于區(qū)間隧道上方兩側(cè)，如圖2所示。在上述工況下，基坑降水施工難度及風險較普通含水軟土地層基坑均要更高。除了要防止過度降水造成的地層沉降量過大而引發(fā)臨近建筑產(chǎn)生不良反應(yīng)外，還必須要對隧道上方兩側(cè)基坑的地層水位進行均衡把控，以防兩側(cè)基坑由降水不均，產(chǎn)生過大的地層偏壓，致使隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)受力不均而發(fā)生嚴重的變形破壞。由此可見，在如此復(fù)雜的坑周環(huán)境下進行基坑施工，必須對施工期間地層水位進行嚴格把控。

圖2 基坑場地周邊環(huán)境示意圖

3 基坑降水控制系統(tǒng)

基于前文施工難點與降水風險，可總結(jié)出判定基坑降水成功與否的2個標準：其一，基坑開挖是否能在干燥條件下安全、高效地進行；其二，坑周地層變形(包括降水產(chǎn)生的沉降變形及降水不均衡產(chǎn)生的偏心壓力引起的側(cè)向變形)是否能得到有效控制。因此，基坑降水控制系統(tǒng)的構(gòu)建，也應(yīng)當針對這兩個判別標準進行設(shè)計。圖3為基坑降水控制系統(tǒng)組成示意圖，整個降水控制系統(tǒng)由降水實施、降水監(jiān)測、降水控制與保障措施共同組成，其中降水實施模塊為具體降水施工的具體實施方案。在實施過中，由降水監(jiān)測模塊對坑內(nèi)及坑外地下水位進行實時監(jiān)測，降水控制模塊則根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，對降水具體實施方案進行調(diào)整，而保障措施模塊則確保基坑降水控制系統(tǒng)在停電或汛期等非常規(guī)情況下仍然正常運作。后文將結(jié)合本工程的地理位置、工程地質(zhì)及水文特點等，根據(jù)各模塊要實現(xiàn)的具體功能進行分項設(shè)計。

圖3 基坑降水控制系統(tǒng)

3.1 基坑降水方案設(shè)計

坑周地層沉降往往與地下水位降深有關(guān)。因此，在理想狀態(tài)下，對坑內(nèi)進行降水時，應(yīng)保持坑外土層地下水位的穩(wěn)定。為實現(xiàn)這一目的，本基坑工程首先采用三軸攪拌樁(φ850@600 mm)隔水帷幕，深入含水層的隔水底板中(淤泥層)，以落底式帷幕方式，將基坑內(nèi)的地下水與基坑外的地下水進行分割，以此切斷基坑內(nèi)、外地下水之間的水力聯(lián)系。本基坑工程以上部高壓縮性的淤泥夾砂層為易沉降的地層，失水后極易發(fā)生固結(jié)沉降，若水止水帷幕能夠形成有效隔水體，則整個基坑屬于全封閉式疏干降水，坑外水位基本不下降，以這種方式，坑周地表沉降就可得到有效控制。

為能在干燥條件下安全、高效地進行基坑開挖施工，采用在坑內(nèi)布置降水井方式，來達到疏干基坑內(nèi)部地下水的目的。降水井位置應(yīng)避開塔吊基礎(chǔ)、格構(gòu)柱、內(nèi)支撐、工程樁、被動區(qū)三軸水泥土攪拌樁群等，并伸入⑥中砂層不小于1 m。降水井泥孔徑均為400 mm、管徑為219 mm，井管為壁厚3 mm鋼管，濾水管為鋼質(zhì)橋式濾水管，外包40目錦綸濾網(wǎng)，濾料2 mm～5 mm礫石，回填至濾管頂部，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在進行降水井布置時，應(yīng)對易發(fā)生突涌位置進行優(yōu)先布置。根據(jù)本項目地質(zhì)勘察報告，“地下室開挖至設(shè)計底板后，②淤泥層厚度小于2.20 m地段易發(fā)生突涌，其余地段②淤泥層隔水層厚度較大，不會存在發(fā)生突涌的可能性”。因此，在布置降水井時，對坑中坑及坑底以下淤泥質(zhì)土厚度小于3.0 m位置，優(yōu)先布置降水井。降水井應(yīng)合理布設(shè)排水管道，以便于接入施工現(xiàn)場排水設(shè)施。基坑開挖前應(yīng)進行抽水試驗，在檢測止水帷幕止水效果的同時，推測降水對周邊環(huán)境的影響程度，并根據(jù)基坑周邊水位觀測井內(nèi)水位變化情況，確定降水井及回灌井的具體布置方案，回灌井結(jié)構(gòu)同降水井。在本工程中，除了在坑內(nèi)隔水層薄弱處布置降水井以外，再沿圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)10 m處每間隔30 m(由抽水試驗確定的降水漏斗圈直徑)布置一口降水井，具體布置如圖5所示；本工程中坑外暫不設(shè)置回灌井，若止水帷幕效果不佳，坑外地下水位出現(xiàn)明顯下降，則沿基坑止水帷幕外側(cè)5 m處每間隔30 m設(shè)置一口回灌井。

圖4 降水井結(jié)構(gòu)圖

圖5 降水井平面布置圖

考慮到基坑底板僅距離地鐵二號線金詳～祥坂站區(qū)間隧道3 m～7 m，二期基坑分布于隧道結(jié)構(gòu)上方兩側(cè)，降水控制不當極可能會對地鐵隧道結(jié)構(gòu)造成嚴重影響。因此，必須嚴格控制降水管井水位高度。首先，始終將水位維持在開挖面/底板以下0.5 m～1.0 m；其次，時刻保持兩側(cè)基坑地層水位在同一水平位置上，以防偏壓的產(chǎn)生。施工及降水過程中，與地鐵保護性監(jiān)測單位密切配合，實時監(jiān)測地鐵結(jié)構(gòu)變形情況，應(yīng)采取注漿加固措施。

3.2 降水監(jiān)測與控制方案設(shè)計

為確?；咏邓桨傅捻樌麑嵤?，對降水監(jiān)測與控制方案進行設(shè)計。為保證基坑降水可以滿足施工要求，基坑開挖前，提前7 d～15 d進行疏干降水，不透水層應(yīng)提前30 d進行預(yù)降水，力爭在開挖前將開挖范圍內(nèi)土體含水量降低。降壓井降水遵循“按需降水”的原則，基坑開挖至臨界高程后，始終保持水位在安全水位以下。基坑挖土階段，對基坑外環(huán)境及水位觀測井進行兩階段跟蹤觀測，在水位未達到設(shè)計水位之前，進行每天兩次的地層水位觀測。當?shù)貙铀坏竭_設(shè)計深度，且趨于穩(wěn)定后，監(jiān)測頻率可減少至每日一次。若水位觀測井水位低于穩(wěn)定地下水位2.0 m，或基坑外沉降比較大，或沉降加速變化比較大時，就應(yīng)立即啟動回灌措施，回灌壓力控制在0.05 MPa左右。

在進行降水作業(yè)前，應(yīng)對地層的靜止水位進行測定。為檢驗降水方案的合理性以及排水系統(tǒng)的暢通性，必須進行生產(chǎn)性抽水試驗。對包括電箱和電纜線等設(shè)備在內(nèi)的電路系統(tǒng)組件進行全面檢查，確保降水工作能持續(xù)進行。降水正式運行前，應(yīng)對相關(guān)施工人員進行專業(yè)培訓，熟悉掌握降水設(shè)備的操作技能。相關(guān)人員應(yīng)對坑內(nèi)地層水位進行每日監(jiān)測，并對降水、排水系統(tǒng)進行檢查。降水停止并提泵后，應(yīng)及時將降水井封井。

3.3 基坑降水控制系統(tǒng)運行保障措施設(shè)計

降水成功與否，直接關(guān)系到整個工程的安全。為保證整個基坑降水控制系統(tǒng)的順利運行，應(yīng)當進行相應(yīng)的保障措施的設(shè)計。

當?shù)貙雍枯^高時，為防止地下水對基坑開挖作業(yè)造成不良影響，必須確保降水系統(tǒng)在開挖期間能夠持續(xù)運轉(zhuǎn)。因此，必須構(gòu)建一套足夠穩(wěn)定的供電系統(tǒng)，以滿足降水設(shè)備的用電需求。本工程建立了一套網(wǎng)電與發(fā)電機組供電雙保險供電系統(tǒng)(圖6)，以便在網(wǎng)電停電情況下，仍能采用發(fā)電機組供電的方式來維持降水設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，從而有效規(guī)避了由于停電對基坑降水效果造成的影響。備用電源功率按工程實際需要進行考慮。

①-網(wǎng)電 ②-備用電源 ③-抽水設(shè)備圖6 雙電源供電示意圖

基坑抽水運行過程中，需要在基坑施工便道外側(cè)修建排水溝，確保降水運行排水的順暢，保障降水效果。排水溝有一定坡度，并與市政排水系統(tǒng)相連，基坑排出的水經(jīng)沉淀后排入雨水管網(wǎng)。根據(jù)地鐵公司標準化要求，現(xiàn)場排水溝實際尺寸為600 mm×700 mm(寬×深)，水溝上部設(shè)置混凝土蓋板；沉淀池尺寸6 m×3 m×2 m(長×寬×高)，頂部與地面平齊，上部設(shè)置格柵式蓋板。對于施工現(xiàn)場的排水設(shè)施，其最大排水能力必須滿足工程降水施工的最大降水需求。在此基礎(chǔ)上，為降低降水設(shè)備的揚程消耗，應(yīng)當盡可能減少降水井與排水設(shè)施的距離，以此減少排水過程中的水頭損失。

降水井作為基坑降水系統(tǒng)的重要組成部件，對基坑地下水的水位控制具有重要的作用?？紤]到后期補井難度較大，因此在基坑開挖期間，必須保證降水井的結(jié)構(gòu)安全，避免由于施工機械的碰撞對其造成破壞。因此，在降水井布置階段，井位盡可能靠近支撐邊，距支撐垂直方向約80 cm～100 cm，在運行階段，嚴禁挖機等機械設(shè)備碰撞降水井，并采取搭設(shè)輔助工作平臺進行后期的運營管理與保護。圍護平臺與第一道砼支撐相連，且平臺上設(shè)置護欄，方便上下人員及井口保護。為避免對降水效果及后期封井作業(yè)造成影響，基坑開挖過程中不得破壞降水井井管，為此，在基坑開挖過程中，將降水井沿豎直方向與支撐采用鋼筋焊接的方式進行加固處理，以此保護出露井管的結(jié)構(gòu)安全。

至此，降水實施、降水監(jiān)測、降水控制與保障措施模塊全部完成設(shè)計，基坑降水控制系統(tǒng)構(gòu)建完畢。

4 工程應(yīng)用

在濱江市民廣場基坑工程施工過程中，利用構(gòu)建好的基坑降水控制系統(tǒng)對基坑進行降水處理，取得較好的降水效果。在基坑開挖作業(yè)得以干燥條件下安全、高效進行的同時，對坑周地層變形取得較好的控制效果，確保了臨近敏感建筑的安全與穩(wěn)定。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示(表1)，基坑開挖期間，周邊既有建筑變形值均在允許范圍內(nèi)，地鐵車站主體最大橫向位移僅為1.93 mm，最大豎向位移僅為5.64 mm(沉降)，地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)最大橫向位移僅為2.36 mm，最大豎向位移僅為6.83 mm(沉降)，均小于設(shè)計預(yù)警值10 mm，遠遠低于設(shè)計控制值20 mm。

表1 地鐵結(jié)構(gòu)變形情況 mm

5 結(jié)語

本文依托福州市濱江市民廣場基坑工程，詳細分析了臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水施工風險，總結(jié)出了判定基坑降水成功與否的兩個標準：其一，基坑開挖是否能在干燥條件下安全、高效地進行；其二，坑周地層變形(包括降水產(chǎn)生的沉降變形及降水不均衡產(chǎn)生的偏心壓力引起的側(cè)向變形)是否能得到有效控制。而后，基于兩個判別準則，構(gòu)建了由降水實施、降水監(jiān)測、降水控制與保障措施共同組成基坑降水控制系統(tǒng)，成功實現(xiàn)了坑內(nèi)降水、坑外保持水位、兩側(cè)基坑均衡降水的目標。在工程應(yīng)用中，基坑開挖期間地鐵車站主體與區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)水平位移與豎向位移均小于設(shè)計預(yù)警值-10 mm，并遠遠低于設(shè)計控制值-20 mm，實現(xiàn)了較好的控制效果。采用的降水方案及構(gòu)建的基坑降水控制系統(tǒng)，可為類似工程條件的基坑降水施工提供一定參考。