深厚軟基深基坑開挖降水減壓方案設計與應用

鄭漢濱　王松波

【摘要】廣東省潮州供水樞紐工程在深厚軟基深基坑開挖中采用“減壓井+局部封底”的降水減壓方案，并在開挖過程中，針對出現的險情，采取擴大封底范圍和施打鋼板樁等工程措施，確保基坑開挖的安全，保證工期，同時節省投資，效果顯著，對類似軟基工程項目深基坑開挖有一定的借鑒作用。

【關鍵詞】 軟基；深基坑；減壓；設計；施工

【Abstract】Guandong province caozhou supply water the vital point engineering is in the deep soft Ji deeply the Ji pit open dig the water decompression project of decline of the adoption"decompression well+ part bottom"， and aim at to appear in open dig the process of insurance feeling， adopt extension bottom scope with give a steel plate stake etc. engineering measure， insure Ji pit to open to dig of safety， assurance work period， in the meantime economical investment， the effect show Zhao， rightness similar soft Ji engineering item deep the Ji pit open to dig to have certain of draw lessons from a function.

【Key words】Soft foundation；Deep foundation pit；Decompression；Design；Construction

1. 工程概況

1.1 潮州供水樞紐工程是合理調配水資源，為城鎮及工農業用水創造條件、結合發電、兼顧航運、水環境保護等綜合利用的樞紐工程。樞紐主要建筑物有攔河閘、發電廠房、船閘、土壩等。其中西溪廠房置于淤泥、淤泥質土上，地面高程為▽2.0m，建基面為▽-16.35m，基坑開挖最大深度達18.5 m。廠房地質結構（見圖1）從上往下為：

①人工填土層（SQ）：主要分布于廠房左側上游副廠房，主要由素填土組成，以粉土、粉質粘土為主，可塑～硬塑狀。厚3.00～5.00m，不均。

②alQ43河流相沖積土層：近代河流沖積而成，主要分布于廠房河床表層及副廠房。成分以中細砂組成，呈松散狀，厚0.60～2.00m。

③m+alQ42海陸交互相沉積土層，成分主要為灰黑色淤泥或淤泥質粘土夾淤質粉細砂，總厚約20.00m，層頂面高程為0.50～1.00m。該層總體上土質不均勻，淤泥中夾有較多淤泥質粉細砂和有機質，淤泥呈流塑狀，淤泥質粉細砂一般呈松散狀。該層地基承載力較低，壓縮性高，易產生較大沉降或不均勻沉陷。

④alQ41河流相沖積土層，由粗砂、礫砂、礫石和含卵礫石組成，沉積物從上至下具明顯的由細至粗的沉積規律，一般呈中密～密實狀，地基承載力較高，變形較小。

1.2 廠房基坑長161.75m，寬38.00m，采用內撐式地下連續墻支護，連續墻厚800mm，內支撐為鋼筋混凝土支撐。基坑底部以下3.00～5.00m下臥砂卵石層為承壓含水層，與江水有水力聯系，基坑底與承壓水層水頭差達23.00m（基坑布置見圖2）。如不采取適當降水減壓措施，在如此高的水頭作用下，必將發生滲漏、管涌、基底浮托等安全問題。同時，由于廠房外閘壩基礎水泥攪拌樁已施工完畢，所采取的抗基底浮托措施必須確保不會引起攪拌樁復合地基產生過大的沉降及不均勻沉降。

2. 降水減壓方案的設計

2.1 方案設計。

2.1.1 基于上述的地質條件，基礎開挖過程中，地基將面臨地下水的滲流而產生滲透變形（流土或管涌）。特別是開挖至基坑底時，承壓水水頭差達23.00m，可能發生廠房基坑在高水頭作用下基底浮托、攔河閘攪拌樁復合地基過大的沉降和不均勻沉降等安全問題，這是設計的焦點。因此，實施的降水減壓方案必須滿足如下兩個基本條件。

（1）條件1：減壓井的涌水量控制在施工允許范圍內；

（2）條件2：由于設置減壓井降低水頭引起的相鄰已建閘壩攪拌樁復合地基沉降控制在允許的范圍內。

2.1.2 經過周密的設計比較，初步形成以下3種方案：

（1）方案1：全封底方案。此方案在左右兩道連續墻內根據各部分的開挖深度，用旋噴樁封2.00～4.00m厚的基礎。

（2）方案2：強排水方案。此方案在基坑內布置20～30個20～30m深的井，用潛水泵根據所開挖高程強行排水，保證地下水位底于開挖面高程。

（3）方案3：減壓井+局部封底方案。此方案即在基坑開挖最深段封底寬31.93m，厚4.00m。并在基坑兩側布置30個減壓井。

2.2 方案選擇。經比較，各方案的優缺點如下：

（1）方案1：基坑開挖最安全，但費用過高，總投資概算約6000萬元，不宜采用。

（2）方案2：費用最低，投資概算約200萬元，但強排可能引起相鄰已建的閘壩地基產生較大整體沉降和不均勻沉降，也不宜采用。

（3）方案3：在基坑最深處封底，并通過減壓井自流釋放降低基坑下面承壓含水層的水壓力，共同解決承壓水壓力對開挖層的浮托破壞的問題。總費用約為1200萬元。此方案費用適中，可操作性強，兼顧了安全、費用與工期的要求。

（4）經廣東省水利廳先后多次組織水利專家和有關單位技術人員對設計方案從技術、經濟及安全性等多方面進行方案比選、論證，基本同意方案3，即減壓井+局部封底方案，并要求設計單位進一步對方案進行校核和完善。

2.3 設計方案的校核。設計單位按照單向開挖和雙向開挖兩種施工方案，通過抗浮托驗算、滲流計算，沉降分析計算，對“減壓井+局部封底”方案進行校核。

2.3.1 抗浮驗算。根據透水層的有效重度與滲透力之比計算抗浮安全性，各開挖階段抗浮驗算結果， 均能滿足抗浮安全要求。計算公式及詳細結果見式1及表1。：

2.3.2 滲流計算。滲流計算主要是分析基坑內設減壓井后，基坑內部和周圍地層水頭變化、分布情況以及相應的井出水量，成果包括各開挖時期基坑橫、縱向剖面區域等水頭線、井口高程與典型壩縱位置承壓水頭關系曲線、井口高程與井出水量關系曲線等，成果圖（略）。根據計算，減壓井群發揮作用時，總出水量主要隨井口高程降低面增加，單井出水量同時還隨井數減少而增加。各階段計算中，總出水量最大不超過0.35m3/s，單井出水量最大不超過20L/s，滲流計算結果滿足要求。在滲流計算中，同時對單、雙向開挖施工期累計出水量進行計算，分別為3.67×106m3和3.17×106m3，很明顯，雙向開挖方案優于單向開挖方案，設計推薦采用。

2.3.3 沉降分析計算。（1）攔河水閘閘板底的標高為▽-1.10m，攪拌樁底的標高▽-21.0m左右，由于水閘下的攪拌樁底已達到砂卵石層，相對于攪拌樁復合地基，砂卵石層的壓縮模量較大，變形較小，因此，沉降計算僅考慮攪拌樁復合地基的壓縮變形。由于基坑減壓時部分水閘已施工完畢，故沉降由兩部分組成：第一部分為水閘自身荷載引起的沉降，第二部分為水頭降低引起的沉降。

（2）經計算，單向開挖減壓結束時水閘近端及遠端的沉降分別為176mm及171mm，其中減壓引起的沉降分別為29mm及23mm；雙向開挖減壓結束時水閘近端及遠端的沉降分別為172mm及168mm，其中減壓引起的沉降分別為25mm及20mm，兩種開挖方案減壓引起的沉降均在總沉降中所占比例較小，且在減壓結束后發生回彈，相當于一個預壓的過程，不會加大水閘的永久沉降；單向開挖方案水閘的永久沉降及最大不均勻沉降為148mm及10mm，雙向開挖方案水閘的永久沉降及最大不均勻沉降為148mm及8mm，可以滿足工程需要（平板鋼閘門運行時所允許的最大不均勻沉降為10～20mm）。

2.4 安全監測及應急措施。為了保證施工期間的安全，在壩縱0-020.85～0-022.85、0+025.55～0+038.55、0+069.15～0+071.15三個區域設置側壓管對水頭進行監測，在基坑內每側的地下連續墻邊各布置一個，共6個，測壓管底部進入強透水層。根據水頭的監測結果，通過調整孔口高程控制水頭及減壓井涌水量。施工過程中，如果發現某處有滲水涌砂現象，可采取堵排結合方法進行處理，即及時對該處實施砂包回填，同時降低該處附近的減壓井井口高程。

3. 應用效果

3.1 施工經過。

3.1.1 封底施工。封底施工于2003年8月23日開工，10月15日完工。在壩縱0+016.65m～0+048.53m范圍內的基坑底以下打設4.00m厚旋噴樁，樁頂高程為▽-16.20m，集水井處樁頂標高為▽-18.80m。施工設備采用PP120高壓注漿泵、GP-1500、5型高噴臺車、ZY100型單管旋噴樁機等，旋噴樁間距按照試驗結果按行、列均800mm，呈梅花型布置。

3.1.2 減壓井施工。減壓井施工于2004年9月5日開工，10月4日完工。減壓井基本個數為30口，縱向3排，橫向10排，布置在壩縱0-029. 5m～0+071m范圍，間距8.0m，考慮減壓井備用再增加10口井，總井數40口， 備用井大部分位置靠上游，間插于原井位。

3.2 存在問題及處理

3.2.1 局部封底范圍外涌水冒沙處理。在進行開挖過程中，原局部封底范圍外的上游側基坑左6#減壓井（樁號：0+13.89，高程：▽-5.00m）附近出現多處涌水冒沙現象。鑒于西溪基坑水文地質情況復雜，稍有不慎會危及施工人員設備和周邊建筑物安全，廣東省水利廳組織有關專家在工程建設現場召開專題技術會議和發包人多次組織召開“四方”會議研究分析，這些冒砂涌水可能是由于鉆孔灌注樁施工過程中的空樁與下臥的強透水層發生水力聯系造成的局部破壞造成。決定除進一步降低減壓井出水口高程外，封底范圍位置向上游延伸40.0m，在樁號0+16.65～0-23.35m范圍打設厚2.00m的旋噴樁，樁頂高程為▽-14.50m。

3.2.2 進口斜坡段流砂處理。進口斜坡段的施工高程從▽-6.80m～▽-14.35m，坡比為1：5.4，在幾乎是流砂的地質條件下，形成1：5.4的坡比是不可能的。為此，經過謹慎的考慮，在34.47m的斜坡段內施打兩道鋼板樁攔截水平向水流及粉細砂，單樁厚10.0mm，寬400.0mm，樁長9.0m，樁底高程▽-16.0m。樁之間改為水平段開挖，再回填混凝土墊層及粗砂細石反濾層。即通過反濾層集中后，再用兩臺3KW的抽水機24小時抽水，當底板澆注完畢后，再封管灌漿。

3.2.3 連續墻接縫涌水的處理。在開挖中，樁號0+13.37m處的左側連續墻高程▽-10.0m處，突然從接縫處大量涌水。經分析，連續墻后面的淤砂層為強透水層，可能與江水連通。當時，圍堰外的江面水位為▽3.80m，水頭差為13.80m左右。基坑內立刻用75KW的抽水機抽水，避免基坑開挖面被浸沒。同時，先在涌水處用砂包堆至▽-4.00m高程，并在連續墻后面灌漿，但效果不明顯。最后在連續墻后貼墻面打入三塊厚10.0mm，寬400.0mm的鋼板樁，打至▽-15.0m，完全解決了涌水。

3.3 應用效果。潮州供水樞紐工程在深厚軟基深基坑開挖中采用“減壓井+局部封底”的降水減壓方案，雖然在開挖過程中，由于土質原因出現了一些變化，但通過采取擴大封底范圍和施打鋼板樁等工程措施，確保基坑開挖的安全，截至開挖結束， 施工安全監測成果表明攔河水閘累積沉降量最小值為19mm，最大值為65mm，實際沉降量小于設計允許沉降量，同時保證工期、節省投資，效果顯著。

4. 結語

4.1 深軟基深基坑開挖中，采用“局部封底+減壓井”的降水減壓措施，費用節約明顯。本基坑開挖降水減壓總費用約1300萬元，比全封底估算費用6000萬元，節約了約4700萬元。

4.2 深基坑、深軟基、高承壓含水層基坑開挖的設計處理方案，除了考慮基坑支撐體系的穩定外，還應考慮基坑底的抗浮穩定，即建基面的安全是否滿足要求，以及排（降）水對相鄰建筑物的安全影響。

4.3 在基礎穩定的前提下，滲水量大小并不是決定封底的主要因素。采用自流減壓結合旋噴樁封底的方法，計算出減壓井自流降壓允許的基坑開挖高程，是有效解決基坑穩定（抗浮）和排水可能引起相鄰建筑物的過量沉降的措施。

4.4 基坑的水位下降對相鄰已建成閘壩的沉降影響量不大。通過計算，減壓引起的沉降量遠小于荷載引起的沉降量。

4.5 采取降水減壓措施后，相鄰建筑物總沉降量的大小與建筑物穩定情況關系密切。開挖結束攔河水閘累積沉降量最小值為19mm，最大值為65mm，實際沉降量小于設計允許沉降量，且該部分在開挖前累積沉降最大值已達50mm，開挖影響的沉降量小于15mm，主要因為閘壩于2003年6月已澆注完畢，經過三個多月的自然沉降，已基本穩定。在其它工程中應用，必須充分考慮周圍建筑物的穩定情況。

4.6基坑開挖的工期盡可能縮短，這對基坑開挖安全十分重要。因為在基坑的開挖過程中，面臨的不利因素甚多，如地質條件變化、涌水、冒砂、地下水位上升、洪水等。開挖面暴露的時間越長，產生滲透變形（流土或管涌）可能越大。因此，基坑的支撐體系設計，宜利于大型機械作業，以縮短施工工期。

4.7 加強施工期監測和落實預案，有利于掌握基坑及相鄰建筑物變化情況，及時采取應對措施。

參考文獻

[1] 廣東省水利電力勘測設計研究院《廣東省潮州供水樞紐工程西溪廠房深基礎開挖及減壓方案研究補充報告》2003年7月

[文章編號]1619-2737（2015）09-14-032

[作者簡介]鄭漢濱（1980-），男，學歷：本科，職稱：助理工程師，從事水利樞紐工程建設管理和樞紐水工建筑物運行管理工作。