基坑工程中地下水控制的实例分析与探讨

2021-03-30焦俊虎

山西建筑 2021年7期

焦俊虎

(太原市建筑设计研究院，山西太原 030002)

1 概述

黄土层是一个孔隙以储水为主，裂隙以导水为主的孔隙——裂隙含水层，具有双层介质的特性[1]；地下水的主要类型有包气带水、潜水、承压水等。调查表明：城市中工程事故多是由于地下水处理不当而造成的，常见的由于地下水控制不当而造成的基坑破坏形式和特征如下：边坡失稳、流砂、管涌、滑坡、坑底隆起、突涌、坑外地表大幅失陷等问题[1]。

地下水控制设计前应收集相关范围内主要自然和工程资料。本工程的地下水控制设计施工安全等级为一级，场地降水工程等级为复杂,隔水工程等级为复杂[2]。所以在正式设计前收集了主要市政现状设计资料，勘察阶段提供了地质资料和抽水试验，并通过查阅资料，走访了部分居民和退休设计师，了解一些关于此地块的工程资料和历史风貌，这在很大程度上丰富了设计资料。为本工程地下水控制设计的主要依据和参考价值。可以将“隔、截、降、排、回”等主要措施结合使用；要加强监测手段，注重实时水情的变化，根据实际情况，将措施在工程中综合使用，可以使施工作业面安全，环境安全，为施工顺利进行创造条件。减小动水压力，降低坑底的承压水水头，加速土体固结，可以加固地基。同时也会引起周边管线和道路的附加沉降以及附近建筑物的不均匀沉降问题。因此，控制地下水的过程既要保护坑底土，减小扰动，在确保安全的前提下以较短的时间内完成基础的施工，尽量减少对周围环境安全的影响[3]。

2 工程概况

太原湖滨广场综合项目位于太原市迎泽公园东北角，东临青年路，北接迎泽大街。基坑工程长度为170 m，最大宽度为145 m，轮廓面积约24 000 m2，地下室层数裙楼及塔楼均为3层，裙房地上4层，主楼地上48层。裙楼基底在第一土层和第二土层，塔楼基底位于第三土层。裙房基底标高-12.860，塔楼基底标高为-18.30，开挖深度最大为17.86 m，降水高程约为14 m。本工程基础形式采用钢筋混凝土灌注桩(后压浆)——筏板基础。基坑的安全等级为一级。基坑平面如图1所示。本项目所处区域的地貌类型单元为汾河东岸Ⅰ级阶地，太原市境内的河流主要是汾河，距离本项目区2.9 km，工程上不考虑其影响。

3 地下水的基本特征

在基坑围护中，地下水的特征情况决定了所采取的方案。本工程水文地质特征含有上层滞水、潜水和承压水。上层滞水埋深较浅，实际数量小，不在工程考虑的范围内。而对本工程基坑安全构成重大威胁是位于场地西南方向，距基坑边15 m的迎泽湖，蓄水量约30万m3。本工程场地潜水主要接受大气降水入渗补给，流向为由东北向西南径流，水力坡度为3.7‰，西部迎泽湖地表水与潜水含水层水力联系密切。承压水层主要接受上游地区的侧向径流补给及相邻含水层的越流补给，流向为由东北向西南径流，水力坡度为4.4‰[4]。

鉴于本工程的重要性和复杂性，勘察单位进行了抽水试验，具体结果如下：

1)19 m抽水井。观测井观测第3层的静止水位，浅部混合水平均静止水位为孔口下2.11 m,相应高程为782.52 m。最大降深为12.61 m～14.28 m，从勘察资料上分析，降水最大位置处于第三土层。降水井的水量补给水主要来自第三土层。经观测，抽水井在停抽10 min后水位恢复较快，16 h后的恢复程度为90%以上。经复核计算，1.92 m～19 m段含水层平均渗透系数为5.38 m/d，平均影响半径为90.76 m，单井涌水量为4.0 m3～12.5 m3。

2)32 m抽水井。观测井观测第5层的静止水位，平均静止水位为孔口下2.72 m,相应高程为782.11 m,最大降深为25.88 m，降水最大位置处于第五层土。降水井的水量补给水主要来自第五土层。经观测，抽水井在停抽10 min后水位恢复较快，16 h后的恢复程度为90%以上。经复核计算， 20.1 m～29.5 m段含水层平均渗透系数为6.54 m/d，平均影响半径为75.09 m，单井涌水量为25.54 m3～25.88 m3。

3)迎泽湖处附近42 m观测井。观测第7(含砾细砂)层承压水的静止水位，稳定水位为孔口下约2.28 m,相应高程为781.58 m。

抽水试验进行的时间点为勘察即将完成时，场地处于天然状态。所以上述试验数据及反算数据的获得的渗透系数和影响半径均为天然状态下的参数，在进行降水设计时应考虑基坑特征及工程桩施工的影响。工程地质剖面图见图2。

室内试验测得的渗透系数(cm/s)：

第②层，粉土，Kv=3.74×10-4,KH=6.04×10-4，厚度为0.6 m～6.3 m。

第③层，中细砂，Kv=3.86×10-4,KH=1.9×10-3，厚度为0.7 m～6.0 m，层底标高750.61～764.44，单井涌水量4.0 m3/h～12.5 m3/h，渗透系数为7.15 m/d，含水层，富水性强。

第④层，粉土夹粉质黏土，Kv=1.83×10-4,KH=3.91×10-4，厚度为0.9 m～10.6 m。场区内分布稳定，其下含水层具有承压性。

第⑤层，含砾中细砂，Kv=6.6×10-4,KH=9.97×10-4，厚度为0.6 m～11.8 m，为主要承压含水层，底板标高为743.30～781.89，单井涌水量为22.54 m3/h～25.88 m3/h,渗透系数为8.42 m/d。

第⑥层，粉土夹粉质黏土，Kv=1.86×10-7,KH=3.38×10-7，厚度为3.3 m～19.5 m，可视为相对隔水层。

第⑦层，第⑧层分别为含砾细砂、卵石，层底标高为729.51 m～744.47 m，为第二承压含水层。

4 设计思路

由于本工程基坑占地规模较大，降水深度较深，地质情况复杂，而且工程项目位置处于太原市繁华的商业地段，由于基坑土体变形以及由其引发任何次生灾害或市政管线的不良反应，不但会造成巨大的经济损失，而且会造成较大的社会负面影响。综合以上因素，本工程结合实际情况，将“隔、降、排、截”等四种措施互相配合，加强基坑变形和降水的监测工作，确保基坑及周边市政设施和地下水环境的安全[1]。

“隔”,主要指基坑周边连续布置止水帷幕。本工程的止水帷幕采用深层搅拌桩工艺，由于施工单位采用了新型工艺，施工桩长达到了19 m，从《岩土工程勘察报告》分析，完全可以施工至第三土层底部，基本“封堵”了基坑外围对第三土层潜水对基坑的直接补给，概念上完成对“杯中水”的设计。具体设计方案为自标高783.40布置3排深层搅拌桩，桩长19 m，止水帷幕总厚度为1.4 m。在后续施工中证明，此措施发挥了主要作用，支护结构上未发现明显漏水现象。

“降”，主要指在基坑内布置降水井，本工程共布置降水井及减压井64口，深度有16 m，20.6 m及26 m三种。这里主要依据对抽水试验地分析，并依据相关规定通过对潜蚀、管涌的计算综合确定的[5]。将抽水试验的井深19 m变为16 m，井深32 m变为26 m，在满足工程需要的情况下，尽量减少对地下水的抽排。后续施工中发现，降水井的设计出水量在开挖过程中，尤其是塔楼部分的降水井和靠近结构框架柱网节点处的出水量约相当于1/10～1/20,数量约占总量的23%，规律性比较明显。经分析后认为主要原因是后压浆灌注桩在注浆过程中浆液扩散，造成土体的渗透系数显著减小，影响主要取决于土层中的水压力和注浆压力的比值，尽管如此，降水井对基坑的降水起到了非常积极作用，工程中辅以其他措施，未发现明显的管涌、隆起等现象，成功将地下水降至基底以下，满足基础施工要求。

“截”，本工程中，塔楼基坑较裙房基坑深6.1 m,开口尺寸面积在2 100 m2左右，所以此部分应进行另行支护设计。此处支护主要是将止水帷幕同支护结构相结合，采用高压旋喷技术，桩径为0.6 m，桩长19 m。鉴于工程的实际情况，塔楼19 m帷幕不能完全形成对基坑的封闭，仅能配合减压井对第五土层的承压水进行拦截。塔楼的基础采用(群)桩筏基础，桩径1.0 m，桩距3.0 m，桩长超过50 m。坑底设计中未采取具体措施，但有应急预案。本措施是信息化施工的重要补充措施。基坑开挖过程中发现，16 m此降水井出水量相当小，开挖至基底时，仅有局部渗水，应急预案可以满足实际需要。

“排”，主要是指集水明(或暗)排，为辅助措施，仅在开挖过程中的某时间段局部使用。由勘察单位提供的地质资料可以看出，各土层的厚度变化非常大，造成区域明显分化，水文地质情况比较复杂，所以“排”在本工程中是一项不可或缺的重要补充措施。其可以弥补降水井堵塞、大气降水、表面积水、局部排水不畅等不利因素，这里不再赘述。

“回”，主要是指回灌，包括回灌量和回灌压力两个方面[2]，作为工程应急预案选项。本工程除日常水质需要回灌，并未出现意外，积累资料不多。

5 地下水控制效果

本工程采用管井降水，坑内共设降水井为64眼，坑外布置观测井和回灌井32眼。每眼降水井的覆盖面积为314 m2，降水井数量少于本土经验值200 m2/眼，主要是考虑本工程裙房部分单桩基础，水文地质情况与勘察报告基本一致。减少降水井的优点有以下几个方面：1)减少业主的使用和维护成本；2)有利于地下水环境的保护；3)可以大大降低周边市政管线的变形危险。基坑降水尤其是承压水，应遵循“按需减压降水”的原则，这涉及理论计算与现场实际情况的反复验证的情况，综合考虑环境因素、安全承压水位埋深与基坑施工工况之间的关系。从基坑外所布置的14眼观测井的水位观测记录情况来看，东西南北四个方向，从4月下旬至8月上旬，坑外地下水位情况基本稳定，分别在地表下6.0 m～8.0 m之间，可以满足工程的相关要求。后续工程的顺利进行，说明地下水控制设计是成功的。