全封闭式深基坑密闭性试验方法及分析

2020-12-01谢飞

建筑施工 2020年8期

谢飞

中国核工业华兴建设有限公司江苏南京 210019

根据不同的地质条件和支护形式，深基坑工程在降水井的设置及降水施工方面差异较大。涉及深基坑工程需降水施工的项目，在进行正式降水前均需进行降水试验，通过降水试验判定降水井设置的合理性，同时通过降水试验进行基坑支护体系的密闭性检测，为基坑土方开挖及支护结构设计提供基础数据。本文通过工程实例，介绍基坑降水试验及分析方法。

1 工程概况

背景工程为地下5层、地上47层建筑，建筑面积约为18.47万 m2，高度223 m，基坑开挖深度普遍区为22.0 m，塔楼核心筒坑中坑开挖深度30.8 m，属于典型的超大深基坑工程。

该工程裙楼采用全逆作法施工，塔楼采用顺作法施工。基坑支护体系为地下连续墙，裙楼逆作区为“两墙合一”设计。地下连续墙既作为基坑开挖阶段的挡土止水围护体，又作为地下室结构外墙，地下室各层水平结构作为基坑开挖过程中的水平支撑体系。

2 周边环境情况

2.1 北邻地铁隧道

基坑北侧有地铁隧道（图1），隧道距离北侧地下室外墙12 m，隧道底标高－15.75 m，工程基坑底标高为－22.00、－30.80 m。

图1 基坑与隧道剖面关系

因与地铁隧道距离近，且开挖深度超过隧道的埋深，因此基坑开挖变形控制尤为关键。

2.2 南邻保护建筑

基坑西南侧，距离基坑外墙3.12 m处为省级文物保护建筑天主教堂（图2），该天主教堂建筑年代久远，基础采用天然浅基础。

图2 南侧基坑与天主教堂剖面关系

2.3 周边其他情况

基坑东邻其他超高层建筑，距离15～30 m；西邻某巷，道路红线宽12 m，东南侧邻某住宅小区地下室，最近距离为2 m。

3 地质及水文情况

3.1 地质情况

根据勘探结果，基坑开挖范围内土层为：人工堆积土层（①1杂填土、①2素填土、①2a淤泥质填土），坳沟的软弱土层（②1粉质黏土、②2粉质黏土）及阶地上的沉积土层（③1粉质黏土、③2粉质黏土、③3层粉质黏土和粉土、③3a粉砂夹粉质黏土、④含卵砾石粉质黏土、④a粉质黏土）和强风化岩。

表层人工堆积土层填料杂乱，结构松散，密实度差，开挖面不稳定，开挖极易坍塌，透水性较好。坳沟范围内的②2层土质较差，开挖易流动，使开挖面产生侧向变形。阶地上的沉积土层中的③3a、④层透水性较好，开挖易坍塌；其余土层工程性质较好，透水性弱，开挖面稳定性较好。强风化岩渗透性弱，开挖面稳定性较好。

3.2 水文情况

基坑开挖深度范围地下水较丰富，涉及3层含水层。包括潜水含水层、第1承压含水层和第2承压含水层。

1）潜水含水层厚度较大，除填土层渗透性较强外，其余土层渗透性较弱。所以，人工填土层为基坑施工中主要出水地层。

2）第1承压含水层（③3a层）分布不均匀，厚度变化较大，该含水层渗透性较强，含水量较丰富。

3）第2承压含水层（④层）埋深、厚度变化较大，分布连续，渗透性较强。

潜水含水层、第1承压含水层基坑开挖施工时已经基本挖除，基坑开挖时仅需进行疏干排水。第2承压含水层位于地下室底板附近，为防止基坑涌水，基坑开挖前应设置降水井。

4 降水井及监测井的布置

本工程基坑内共计布置30口疏干井，其中塔楼基坑6口，裙楼基坑24口。

疏干井采用旋挖机进行成井，直径700 mm，深井裙楼区域为26 m，塔楼区域为26、35 m共2种。疏干井井管采用φ273 mm滤水管，壁厚3 mm；疏干井井管采用实管和带滤水孔的滤管进行加工，滤水管孔隙率大于50%，采用桥式滤水管。

井管底部采用厚3 mm钢板进行封堵处理，单节管之间接头采用焊接连接，焊接严密。滤水管外包裹1层40目（孔径0.42 mm）钢丝滤网，滤网采用铁丝绑扎牢固。降水井剖面构造如图3所示。

图3 降水井剖面构造

5 基坑降水计算

5.1 基坑总含水量计算

因本工程基坑支护采用地下连续墙，且墙体底部入岩层，属于理论上的封闭式基坑，因此在进行基坑降水计算时，按全封闭基坑降水量公式[1]计算总含水量：

式中：Q——基坑内降水量；

A——基坑的平面面积；

S——水位降低深度；

i——降水的坡度，可取0.1；

r ——降水半径，取r＝хo/2，хo为基坑假想半径，хo＝（A/π）1/2；

μ——基坑内土体的给水度，取经验值0.085。

经计算，Q＝17 263 m3。因基坑设计为全封闭式基坑，因此可按全封闭式基坑降水考虑。假定基坑按提前10 d降水考虑，每天降水量应为1 726.3 m3，以此对基坑降水井的数量进行复核。

5.2 单井出水量核算

现场选用24台XY80QJ2-70/12-1.1不锈钢油浸式井用潜水泵，功率1.4 kW，最大流量5 m3/h，扬程90 m。

根据所选用的水泵型号，并取折减系数为0.5（按每天12 h抽水启动时间计算），计算每台水泵每天的实际出水量为60 m3，因基坑含水总量为17 263 m3，将全部启动水泵进行抽水，基坑水全部抽完所需时间为17 263/（60×24）＝11.98 d，按12 d考虑。

当基坑支护、止水帷幕、地下连续墙设计施工达到理论效果，并实现基坑封闭作用时，基坑外的地下水不会涌入、渗漏至基坑内，按照基坑设置的降水井及降水量，可以在预定的时间内进行降水疏干；反之，可以通过降水试验判定基坑止水帷幕、地下连续墙等存在渗漏或地下连续墙根部未能有效阻断地下水。

6 降水试验

6.1 降水试验井位选择

为确保降水试验的准确性和降水试验对基坑封闭情况检验的针对性，在降水试验阶段降水井选择时，宜尽量选择靠近基坑边缘的降水井。同时，与降水井对应的基坑外侧的水位观测井（承压水）宜与基坑内降水井一一对应，这样启动降水阶段分析的数据于实际对应的观测井数据分析更有利[2]。降水试验井位选择如图4所示。

图4 降水试验井点选择

6.2 降水试验

在降水试验之前，先对疏干井以及监测井的顶口标高和初始水位进行测量。

降水试验阶段以选择的坑内疏干井一次性抽干的方式，停抽一段时间（2～4 h不等），待水位回升后再抽干，如此往复。连续10 d，不间断地启动抽水泵对每天疏干井汇集的水进行抽排。在每个降水井的抽水管中安装水表，以记录每天和累计的抽水量。

试验期间对疏干井水位以及监测井水位进行测量，每天2～3次，并且记录下疏干井水表的读数，计算总抽水量。

本工程抽水试验从5月6日正式启动，5月13日结束。进行基坑抽水试验期间，裙楼基坑同步进行人工挖孔桩施工，因北侧与地铁隧道邻近，故主要验证北侧地下连续墙的质量（地下连续墙底部止水及墙身渗漏）情况。

6.3 降水试验数据统计及分析

经连续10 d的降水试验，对试验数据进行统计分析，按照基坑内疏干井及基坑外承压水观测井水位变化的数值，采用曲线图绘制出数据变化，以此进行分析（图5）。

由以上水位变化曲线可以看出，CYSW-2、CYSW-3、CYSW-5变化幅度比较大，变化不平稳，且降水试验期间观测井的水位变化值均大于1 000 mm，超过设计及监测方案允许值。其余各点位变化幅度不大，相对稳定。

图5 坑外观测井和坑内降水井抽水试验变化曲线

总体来说，最终水位相比初始水位，除了CYSW-3水位后续出现上升以外，其余井水位都有不同程度的下降。

经分析统计并与设计、地下连续墙施工单位沟通后得知，施工图纸上在地下连续墙接缝的地方没有旋喷止水，只在地下连续墙内外侧采用了三轴水泥土搅拌桩施工，如三轴水泥土搅拌桩施工中存在局部缺陷，对地基原状土产生破坏，则接缝处极有可能产生渗漏。考虑原设计时已施工三轴水泥土搅拌桩，因此，地下连续墙施工单位在施工过程中，北侧没有做墙体接缝处的高压旋喷，初步推测可能由于地下连续墙部分接缝渗水而导致监测井水位下降。

6.4 降水试验后注浆处理

经分析讨论，为确保北侧地下连续墙接缝止水效果，在北侧地下连续墙接缝处外侧采用二次高压旋喷注浆。2012年5月15日，地下连续墙施工单位北侧高压旋喷注浆机械进场，对北侧进行加固注浆处理；2012年5月16日，建设单位委托专业检测机构对北侧地下连续墙采用声呐法进行检测。声呐监测结果表明，在未进行注浆处理前，地下连续墙接缝及根部存在不同程度的渗漏。

高压旋喷注浆处理后，在基坑内降水井和人工挖孔桩施工阶段，降水及监测结果显示，基坑外水位变化基本趋于平稳，但仍然出现水位变化有超值现象，同时地铁侧出现反复变形，经地铁设计院和地铁公司专家多次针对变化数据进行分析、讨论，变形与地铁隧道本身所处地质条件和隧道施工方法也有关，隧道处于安全可控状态。