朱方兵，钟灵俊，金璐

（中冶南方城市建设工程技术有限公司，湖北武汉 430077）

0 引言

武汉地处长江中游，当地广泛分布着长江I 级阶地冲洪积地层，地层主要由第四系全新统河流相及部分河湖相冲洪积物及冲湖积物构成，为潜水—承压水含水层系统，呈典型的二元结构地层。基坑工程中常见的不良作用有：基坑在进行管井降水时，地下水位下降，含水层被疏干，地下土层会产生固结沉降，导致基坑周边地面发生沉降甚至导致区域性地面沉降，进而导致进一步的次生灾害；基坑在未采取有效处理措施的情况下强行开挖，或者基坑开挖后止水帷幕失效，会产生流砂、管涌或基底突涌现象。基坑工程地下水控制作为基坑设计的重要内容，其目的是要根据场地的工程地质、水文地质条件，采取可靠的控制措施，防止因为地下水发生不良作用，影响周边环境以及引起支护结构失稳导致安全事故[1-2]。

本文针对武汉中心城区某基坑，从所处的地貌单元、地层时代、地层类型入手，查明地下水类型和水文地质条件后对症下药，再结合周边环境、基坑开挖深度等因素，采用“降疏为主”的基本方式处理地下水，即采用悬挂式帷幕隔断上层滞水以及粘性土与粉土、粉砂互层中的承压水，加管井群降水疏干下部含水层中的承压水[3-4]。

1 工程概况

图1 基坑周边环境图

拟建项目位于武汉市武胜路与武胜西街交汇处，邻近汉江及长江距离分别是1km、2.5km。该工程由4 栋33 层高层组成，下设3 层满铺地下室，主楼及裙楼基础均采用桩基础，主楼采用剪力墙结构。总建筑面积123260.3m2，其中地下室建筑面积24414.1m2。建筑物±0.000 相当于黄海高程22.60m。

基坑开挖面积约13176m2，基坑开挖周长约557m，基坑开挖深度为13.37～15.77m。基坑平面呈不规则矩形，基坑东西向长度约200m，南北向长度约60m。

基坑北侧临武胜西街；基坑东侧开邻近武胜路及武胜路立交桥，基坑内边线距离武胜路立交桥桥墩约36.0m；基坑南侧红线外为多幢8～9 层民房，基坑内边线距离民房约12.3～25.5m；基坑西侧红线外为三幢8～9 层民房，基坑内边线距离民房约12.6m。

该基坑内外环境条件较为复杂。对该基坑工程而言，基坑对周边环境的影响主要是对周围建（构）筑物的影响。

2 工程地质及水文地质条件

2.1 工程地质条件

项目地貌单元属长江北岸I 级阶地。各岩土层的分布及地质特征如表1 所示。

表1 地层分布及降水参数一览表

2.2 文地质条件

地下水可分为两种类型：上层为赋存于（1-1）杂填土层中的上层滞水；下层为赋存于（4）、（5）砂土层中的承压水，上下层地下水之间由于被（2）层、（3-1）及（3-2）层阻隔而无水力联系。

下层承压水与长江及汉江水体有密切的水力联系，水量较丰富，（3-2）层中含有少量层间弱承压水。根据抽水试验资料得1#楼场地承压水水头埋深约为6.0m，绝对标高为16.40m。

3 基坑支护结构体系

在确保工程安全的前提的条件下，兼顾经济性以及周边环境，该基坑采用“钻孔灌注桩+两道钢筋混凝土内支撑+止水帷幕”作为支护结构。典型基坑支护剖面图见图2。

图2 典型基坑支护剖面图

图3 天汉基坑降水计算

4 地下水控制设计

4.1 地下水处理总原则

因该工程含水层较厚，下部含水层水量大，基岩埋深较深，该工程地下水处理应以“止、降、排”为总体设计思路，根据地表水及承压水不同属性采取针对性的处理方案[5]。

4.2 基坑涌水量估算

因基坑局部地段已经揭穿含水层顶板，故本方案拟采用疏干降水进行计算，按稳定流承压水非完整井考虑。

计算公式：采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012）附录E 中E.0.4 节均质含水层承压水非完整井基坑涌水量计算公式：

上式中：Q——基坑降水总涌水量（m3/d）；

k——渗透系数（m/d）；

M——承压水含水层厚度（m）；

sd——基坑地下水位的设计降深（m）；

R——降水影响半径；

r0——基坑等效半径，可按照计算；

A——基坑面积（m2）。

根据计算所得到的基坑涌水量：Q=19692.05m3/d。

4.3 地下水控制设计

按照武汉地区的相关工程经验，对开挖深度小于15m 的，且位于地铁等重要保护对象影响范围外的深基坑工程，在综合考虑安全性、经济性的基础上，优先采用悬挂式止水帷幕+管井降水处理方案，且有很多成功的案例。

该项目地下水处理原则为止降结合方式，在坑内采用深井降水的同时，为减小基坑降水运行期间对周边环境影响，增加地下水的渗流路径，在基坑周边设置一定深度的止水帷幕，以满足抗渗流稳定性要求[6]。

1）竖向隔渗帷幕设计

在支护桩后侧采用一排三轴搅拌桩形成竖向连续隔渗帷幕，一般区段帷幕深度为24m，西侧临近主干道区域加深隔渗帷幕为28m，增加该区域安全系数。三轴搅拌桩直径850mm@600 mm，采用P.O42.5 级水泥，水泥掺量为20%。

2）下部承压水处理

坑底主要是粉砂、细砂，该层为承压含水层，因此对下部承压含水层采取中深井降水处理。

根据场地勘察报告并结合地区深基坑降水工程实践经验及天汉软件计算结果，该基坑设计采用设计31 口降水井，单井出水量80 m3/h。

由于主楼电梯井及局部集水坑区域开挖深度较深，设计采用Φ850@600 三轴搅拌桩形成底面及侧壁封堵的止水帷幕，以保证坑中坑施工安全，同时基坑水位降深按普通开挖深度考虑即可。

在施工降水时，为了复核设计参数（地下水水位、渗透系数及影响半径），应先施工1～2 口抽水井，并根据抽水试验结果调整设计方案。

因抽取承压水的目的是为了降低承压水位，降水过程中按需降水，尽量少抽，同时又要保证降水井的含砂量不超过有关规范要求，结合场区实际地质条件，综合考虑降水井的深度取35m。

5 降水模拟计算

5.1 计算模型

由于该项目的降水较为重要，针对本降水设计，特进行了降水模拟验算，降水模拟软件选用目前国际上最流行且被广泛认可的三维软件Visual MODFLOW[7-9]。

计算模型选用700m×1000m×70m（约五倍基坑范围），网格划分：x方向350～650m 范围网格划分2.0×2.0m，100～350m、650～900m 范围网格划分5.0×5.0m，0～100m、900～1000m 范围网格划分10.0×10.0m；y 方向300～400m 范围网格划分2.0×2.0m，100～300m、400～600m 范围网格划分5.0×5.0m，0～100m、600～700m 范围网格划分10.0×10.0m。计算模型左右侧限制xy 方向位移，底部限制xyz 方向位移。

坑内降水井，设31 口降水井。为观察周边水位变化，设G1#～G15#观测井。其中G1#～G8#观测井为基坑帷幕加长区以东，与基坑距离分别为-25m（坑内）、-5m（坑内）、5m（坑外）、15m（坑外）、45m（坑外）、105m（坑外）、200m（坑外）、350m（坑外）；G9#～G15#观测井为基坑普通帷幕区以南，与基坑距离分别为-25m（坑内）、-5m（坑内）、5m（坑外）、15m（坑外）、45m（坑外）、105m（坑外）、200m（坑外）；考虑了一定的安全储备，计算时31 口降水井的抽水量取为50m3/h。承压水水位标高按丰水期19.0m（绝对标高）考虑。

5.2 模拟结果

通过数值模拟可以发现：

1）基坑周边约150m 处地下水水头下降至绝对标高16.0m，降幅约3.0m；基坑周边约300m 处水头下降至18.0m，降幅1.0m，影响较小；

2）在模拟计算条件下（31 口降水井未间断抽水150d），水头变化在30 天左右基本达到平衡；

3）坑内G9 点水头降至7.60m、G1 点降至8.11m，约为坑底以下1.0～0.5m，能满足基坑施工要求；

4）28m 止水帷幕水头与24m 止水帷幕相比较，28m 帷幕附近水头降低值略小于24.0m 帷幕。两者在基坑边缘附近差值较大，约1.04m，随着距离的拉大，两者的差值越来越小（见图6、图7）。

图7 不同止水帷幕附近水头差值

5.3 模拟总结

1）基坑降水具有一定的时空效应。在空间上，基坑降水时，距离基坑越近地面沉降越大，所以在基坑施工期间要加强对临近基坑的重要构筑物的监测及保护；在时间上，地下水下降需要经过一段时间的持续性抽水过程才能实现，所以基坑施工应先进行降水施工，达到设计降水位后才能进行土方开挖。

2）加长止水帷幕的长度，能延长地下水渗流路径，能够减少基坑降水对周边环境的影响。另一方面，考虑到加长帷幕长度对坑外水头影响的作用有限，以及从绿色环保经济的角度考虑，设计时选取合适的帷幕长度即可，而针对环境保护要求高的区段适当加长处理。

5.4 监测结果对比

该基坑项目已施工完成，实践证明基坑地下水控制设计科学、合理，顺利保证了基坑的安全运行。

对基坑施工期间的地下水监测数据进行整理发现：基坑周边约150m 处地下水水头降幅约2.8m，基坑周边约300m 处水头0.8m；28m 帷幕与24.0m 帷幕在基坑边缘附近差值较大，约1.31m，随着距离的拉大，两者的差值越来越小。监测结果与模拟结果基本相吻合。

6 设计总结

在岩土工程界，一直存在着是以封堵为主还是降疏为主两种理念进行地下水控制设计的争论，按照两种理念控制地下水设计，结果差别很大，影响基坑安全、进度、造价等。我们在做基坑工程地下水控制设计时，应充分结合当地的工程经验、地质条件及水文地质条件，确定地下水控制原则。

该基坑开挖深度小于15m，基坑周边没有对变形影响特别敏感的建、构筑物，地下水控制以降疏为主的原则进行设计，最终项目安全顺利的实施完成，基坑监测数据显示，周边地面沉降、临近的房屋、高架桥墩等变形均控制在允许范围内。

7 结论与建议

1）在做基坑工程地下水控制设计时，应充分结合当地的工程经验、地质条件及水文地质条件，确定地下水控制原则。

2）对位于长江I 级阶开挖深度在15m 以内，且位于地铁等重要保护对象影响范围外的深基坑工程，采用悬挂式止水帷幕+管井降水处理方案，能有效、安全、绿色环保地解决基坑地下水问题。

3）在降水井点位置、数量和抽水量不变的条件下，设置帷幕可以提高降水效果，增加帷幕深度可以使得降水效果进一步提高，但同时需要考虑周边环境对变形敏感的要求及经济性，确定合理的帷幕深度。

4）基坑降水具有一定的时空效应。在空间上，基坑降水时，距离基坑越近地面沉降越大，所以在基坑施工期间要加强对临近基坑的重要构筑物的监测及保护；在时间上，地下水下降需要经过一段时间的持续性抽水过程才能实现，所以基坑施工应先进行降水施工，达到设计降水位后才能进行土方开挖。