张 弛

(上海建工二建集团，上海 200080)

0 引 言

软土地区超大深基坑工程面临的主要风险是由地下水引起的基坑本体,以及基坑变形引起的对周边环境影响的风险[1]。基坑本体风险主要包括支护体系失稳破坏、地下连续墙渗漏,以及基坑突涌等。对周边环境的影响则主要包括,由基坑开挖或降承压水引起的坑外土体的变形引发的坑外构筑物、地铁、管线等发生不均匀的沉降或破坏。

地下水控制是岩土工程中的重要问题,并广泛地应用在基坑工程、隧道工程,和边坡工程中。地下水控制方法大体分为三种:一、降水;二、隔水;三、两者结合[2]。降水是指人工降低地下水位,将基坑内水位降到开挖线以下,在其降水的范围内形成降水漏斗。其缺点是会引起周边地面的沉降。隔水是设置防水帷幕,包括水平向和竖直向防水帷幕,用以切断基坑内外的水力联系。对于软土地区的超大深基坑而言,由于基坑面积越来越大,开挖深度越来越深,项目综合体各分区同时施工,会形成各基坑相互联系而共同组成基坑群。因而在实际施工此类超大超深基坑中,需要考虑群坑效应,并采用围护-降水一体化的设计[3]。

1 概 述

以超大超深基坑的地下水控制技术为例,基坑开挖过程中水的来源基本包含地表水(上层滞水)、潜水,和承压水三类[4]。地表水的排水措施根据表层土的情况确定。对于密实度高、含水量不大的表层土采用明排。对于松散、含水量大的表层土,则采用隔渗措施或设集水井排水。潜水通常处于地质浅部的粉土、粉砂层。常用的地下控制方法有轻型井点及多点浅井,或带反滤层的大井降水。承压水的处理通常也有隔水、降压,和封底三种技术手段。

2 地下水控制技术

目前成熟且应用广泛的地下水控制技术,按照降水方式的不同分为:明排、止水帷幕、井点降水(减压)、引渗,和回灌等。其中井点又分为:轻型井点、喷射井点,和电渗井点。

2.1 明排

基坑开挖时,沿坑底四周开挖排水沟,在排水沟内每隔一定距离设置集水井,基坑挖土时渗出的水,经排水沟流向集水井,再用潜水泵抽出基坑。随基坑开挖深度增加,排水沟和集水井也随之下移。明排法适用于含水层较薄、降水深度较小(一般不超过2 m)、不易产生流沙、流土、管涌和塌陷等现象的黏性土、砂土和碎石土地层。基坑地下水位超过基础底板标高不大于2.0 m,渗透系数小于0.5 m/d,降水深度小于2.0 m。可单独使用或组合使用。

2.1.1 坑底排水

一般来说,排水沟低于基坑0.3～0.4 m,集水井低于排水沟0.8～1.0 m,排水沟可以是明沟,也可以填入渗透性较好的砂石做成的盲沟。

2.1.2 基坑侧壁排水

当基坑深度范围内有多个含水层,由于不能完全疏干含水层中的地下水,基坑侧壁出现分层渗水时,应在各含水层底部设置导水管,将地下水导出。

2.2 止水帷幕

基坑开挖前环绕基坑四周做封闭的止水帷幕,阻止地下水向基坑内流动,实现坑内无水。止水帷幕截水方法几乎不受工程地质和水文地质条件的限制,在软土地区或基坑临近大型地面水体时尤为适用。止水帷幕根据其底部是否插入下卧不透水层,分为落底式和悬挂式两种。对于落底式竖向隔水帷幕,其插入下卧不透水层的深度可按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-99)的规定执行,即:

l=0.2hw-0.5b

(1)

式中:l为帷幕插入不透水层的深度;hw为作用水头;b为帷幕厚度。止水帷幕还应进行基坑底的抗管涌验算。基坑开挖后,地下水在基坑内外形成水头差h′,基坑底以下的土浸在水中,其有效重度为浮容重γ′。当地下水的向上渗流力j≥γ′ 时,土粒出于悬浮状态,于坑底产生管涌现象。要避免管涌现象产生,则要求:

γ′≥Kj

(2)

(3)

式中:L为渗流路径计算长度。以上海规范为例,计算渗流计算长度为垂直向渗流路径的1.5倍。则可得出不发生管涌的条件为:

(4)

因为有,

(5)

(6)

则不发生管涌的条件还可写为:

(7)

式中:Jcr为临界水力坡度;Gs为土的比重;e为土的孔隙比;n为土的孔隙度。当抗渗流验算不满足时,应考虑增加隔水帷幕插入基坑底以下的深度,或坑外增加降水或减压措施。当基坑底位于深厚含水层,且含水层渗透性较强时,可采用悬挂式隔水帷幕与水平封底或坑内井点降水相结合的方案。

2.3 降水井

常用的井点根据降水原理的不同,可分为真空井点、轻型井点、喷射井点和管井等。

2.3.1 真空井点

真空井点降低地下水位,是沿基坑四周或一侧,以一定的间距将较细的井点管沉入含水层中,井点管上部与总管相连,通过总管利用真空泵将地下水从井点管中不断抽出,以达到降低地下水位的目的。

真空井点法适用于渗透系数为0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地层,适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水。受真空泵工作原理限制,单级真空井点法降水深度不超过6 m,如基坑较深则需采用多级井点,这需要有足够的场地条件。

2.3.2 轻型井点

如用井点设备降低地下水时,水位的降低会引起土体固结,使周围地面产生降沉,如不采取措施,亦会危及基坑附近的建筑物、地下管线和道路。深基坑的开挖,基坑的变形和周围地面的沉降是施工中亟待解决的问题之一。

2.3.3 喷射井点

喷射井点有喷水井点和喷气井点两种,其工作原理相同,只是工作流体不同。前者以压力水作为工作流体,后者以压缩空气为工作流体。与真空井点不同的是,真空井点是在真空泵的作用下,在包括集水箱、总管和井点管的整个系统内形成一定程度的真空,而喷射井点是通过高速水流或气流在喷嘴处形成真空,在井点管内形成最大限度的真空度。

喷射井点法适用于渗透系数为0.1～20 m/d的黏性土、粉土、砂土地层,适用于抽降上层滞水或水量不大的潜水,其降水深度可达20 m。

2.3.4 管井

管井降水系统由井管和抽水设备组成,井管由井壁管和过滤器两部分组成,目前常用的是无砂混凝土管。抽水设备根据不同的降水深度及出水量要求,选用合适扬程和流量的离心式水泵、深井潜水泵或深井泵。管井降水适用于渗透系数为1.0～200 m/d的粉土、砂土、碎石土地层,尤其适用于水量较大的潜水或承压水层,其降水深度超过5 m,其应用最广。

2.4 减压井

当基坑坑底为不透水层或弱透水层,其下为承压水层时,基坑开挖后,下伏的承压水可能使基坑底部出现突涌、隆起、流沙等破坏,应按下式进行基坑底抗渗流稳定验算。

(7)

式中:γm为承压含水层以上的土饱和重度,kN/m3;t+Δt为承压含水层顶面距基坑底面的深度,m;Pw为承压水压力,kPa;γRw为基坑底土层渗流稳定抗力分项系数,γRw≥1.2。

当由上式验算不满足要求时,应预先在基坑四周或基坑内部布设管井井点,降低下伏承压水的水头,保证基坑的安全。

2.5 引渗

当存在多层含水层,且下部含水层的水位低于上层水位时,可以通过井孔或砂井等将上层水引渗到下层含水层中。如混合水位满足降水要求,则可自然降低地下水位;如混合水位不满足降水要求,可通过抽降下层地下水降低地下水位。也可采用抽渗结合的方法,效果更好。引渗井可在基坑内外布置,井间距宜根据试验确定,一般采用2.0～10.0 m。采用引渗井时应注意浅层地下水,对下部地下水的污染问题。

3 工程实例

以浦东机场T3航站楼的超大超深基坑的地下水控制技术为例,采取的降水措施如下:

(1) 二、三层土中的水采用自流井(管井变种)。

(2) 四层土土中的水采用管井降水。

(3) 应对七层土(假设20 m左右)、九层土② (假设30 m左右)中的承压水采取的措施:由于承压水层水量大、9层② 土本身的覆水性好、深井和管井本身的出水量有限,以及水泵出土功率有限制等原因,采用深井降水措施(一般也不容易抽干)。

(4) 也可以采取止水帷幕的降水措施,设计单位根据勘探结果和结构要求,来设计合理的止水帷幕深度。

(5) 需要注意的是,多加深井可以多抽承压水,但承压水抽取过多会带来基坑沉降问题。深井的“水量漏斗”范围一般有几千米,不同形状的水量漏斗对应的沉降会相互叠加,造成总沉降更难估算和控制。

本基坑工程开挖影响范围内主要含水层有:⑤ 2层砂质粉土、⑤ 3-2层砂质粉土、⑦ 1-1层砂质粉土、⑦ 2-1粉砂、⑦ 2-2层粉砂含水层组、⑨ 1层粉砂、⑨ 2层细砂含水层组,和粉砂含水层。

场地范围内地层分布特征差异较大,总体上分为北区和南区两个区。北区地层特征表现为:无微承压含水层分布、⑦ 层分多个亚层、层顶埋深浅、厚度约40 m、垂向渗透性差异大,以及⑦ 、⑨ 、层连通。南区地层特征表现为:局部分布⑤ 2层，⑤ 3-2层微承压含水层、起伏大、呈透镜体状，⑦ 层普遍埋深约38 m，⑤ 2层、⑤ 3-2层切割区埋深多超过50 m,以及⑦ 、⑨ 、层连通。

针对浦东机场T3航站楼的超大超深基坑,采取的地下连续墙隔水措施。在50 m深的地下连续墙全深度范围内,采用常规抓斗式成槽机成槽。墙体的垂直度偏差应控制在1/500以内。为确保工效,试验期间施工工效为0.8幅/d。对于70 m深的地下连续墙,则可采用上部抓槽、下部铣槽的抓铣结合工艺。墙体的垂直度偏差可控制在1/800以内,且工效较高,试验期间施工工效为0.7幅/d。通过采用合理的泥浆配比可以达到良好的护壁作用,能够确保50 m和70 m深地下连续墙在24 h内的槽壁稳定。采用气举反循环进行二次清孔后,可以有效地清理槽底沉渣,墙底取芯监测需要做到墙体无明显沉渣。

4 抢险措施

在基坑开挖前,防患于未然,需要提前做好应急抢险方案。如果遇到基坑突涌的情况,会采取坑内明渠强排、控制水头、使用抽水井等措施。若7②层土出现突涌等基坑问题,可采用粗石粒,加注聚氨酯等发泡绝缘材料。堵住管涌后再采用明排,强排的办法,多做几口井。排水条件不好时,相关计算采用固结排水强度指标。需要时刻根据现场情况来取用土体的强度指标。最不利情况下,也有应急抢险队。