高承壓水地基深基坑支護設計及隔滲施工技術研究

■張 榮 ■蘭渝鐵路有限責任公司，甘肅 蘭州 730000

本文系統的了解了某河道承壓水層的性狀，采用隔水帷幕結合井點降水的方案，加強了對深基坑支護設計以及高承壓水層的降水治理進行具體分析，進一步完善了水利建設工程的施工工藝以及技術成果，解決好深基坑高承壓水的現狀。

1 高承壓水地基中支護結構設計

高承壓水是指在地表以下的水層中充滿兩個穩定隔水層之間承受靜水壓力的含水層中的重力水，其自身的形成過程直接影響著整個地區的地質發展狀況，也成為是產生地下工程危害的主要因素之一。當基坑之下有承壓水時，深挖基坑時出現了含水層的透水層厚度不斷減少，當承壓水減小到一定數值時，該水龍頭壓力能夠頂裂或者是出現突涌現象。突涌的形式主要分為:(1)基坑頂裂，出現網狀或者樹狀裂縫形狀，地下水出現突涌的現象，并且帶出了土顆粒;(2)深基坑在其底部出現了流砂現象，使得深基坑圍護結構失去平衡;(3)深基坑的底部還可能出現沸騰現象，造成地基受到擾動。高承壓水對深基坑具有一定的危險性。

地基支護結構的設計問題。當深基坑在開挖過程中挖到地基的底部時，高承壓水上覆不透水層的重度不足與抵抗下部的承壓水頭壓力時，基坑的底部就會出現隆起以及出現破壞現象，造成墻體出現了不穩定現象。這就需要在深基坑支護結構的設計中要保障支護結構的側壁，并且要確保側壁起到能夠擋土、止水、防管涌的作用，還有高承壓水對深基坑避免造成突涌的影響。

2 工作井的設計及其參數

在研究工作井時，由于該井屬于盾構始發井，其圍護結構采用的是地下連續墻，并且井壁的厚度在1200mm左右，井的主體結構采用的是明挖逆作法的施工技術，針對這種深基坑，其中間設備井坑底是淤泥質粉質粘土，并且下部的隔水層厚度在4．376m。

地下水主要分為第四系孔隙潛水含水層和第四系孔隙承壓水含水層兩大類的含水層。第四系孔隙潛水的主要作用是賦予場區淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內，含水層底板大致以淤泥質粉質粘土層為界，其富水性和透水性具有各向異性，其分布具有連續性，在粘土中相對于隔水層構成了含水層的承壓頂板，其透水性比較好，因此在設計深基坑支護結構中，采用的是地下連續墻的圍護型式。盾構開孔比較大，結構樓板稀少，這就要結合施工的狀況采用明挖逆作工法，在井的側墻、壁柱以及盾構孔邊圈梁施工使其形成對水土壓力的抵抗力，施工中連續墻可以通過對預留鋼筋駁器與側墻連接，達到疊合構件，提高設計的合理性。

對盾構工作圍護結構的模型設計，采用的是有限元的方法，根據啟明星深基坑支擋結構分析并利用計算軟件FRWSv4．0進行分析計算。深基坑的參數是:深基坑的開挖深度是30m，厚度選用的是1200mm的地下連續墻圍護結構，墻頂標高是6m，在開挖的過程中總共設計7道支撐，施工中整個過程要考慮的是地面超載30kPa．根據受力分析確定參數的安全性。在圍護結構分析中，確定出參數之后要根據《建筑地基基礎設計規范》《建筑基坑支護技術規程》在深基坑計算中的具體要求，對盾構工作井圍護結構的整體性、穩定性、墻底抗隆起、坑底抗隆起、抗傾覆等各個指標分別計算出來，通過水土分算和水土合算兩種情況，具體計算出圍護結構的位移、彎矩和剪力，并且繪制出包絡圖。具體使用的公式包含:(1)圍護結構整體穩定性的計算公式:

其中Wi——土條i的重量，根據天然重量確定有效應力法

qi——土條i上作用荷載的平均密集度系數

其中σ1、σ2——墻底平面上兩側土的自重壓力;

c，φ——墻底土層的抗剪強度系數。

其中:Ea——擋土墻的主動土壓力;

Ep——擋土墻的被動土壓力;

ha——擋土墻的主動土壓力合力到最下一道支撐之間的距離

hp——擋土墻的被動土壓力合力到最下一道支撐之間的距離。

3 高承壓水層抽水試驗

高承壓水層的水文地質參數的準確性在確定時，需要制定高承壓水的處理方案，施工中根據現場抽水試驗。由于該河道的上方屬于工作井，古河道的平均厚度在22m以上，高低起伏，整個高風險的承壓含水層，地質遺跡水文地質在確定數值時都比較復雜。在進行了現場抽水試驗之后確定了滲透系數等，最終確定了卵礫石層的水文地質參數，高承壓水層抽水試驗的單井涌水量遺跡孔隙潛水含水層與孔隙承壓含水層之間的水力聯系特征，地質參數大大降低了深基坑的降水問題。整個抽水試驗的方案設計具體是:首先要確定各個底層，特別是第8層的水文地質參數，確定出具體的滲透參數、儲水參數、深基坑單井涌水量以及水位恢復變化等，這些參數能夠進一步解決深基坑減壓降水，另外還可以為施工提出了重要的計算依據;其次確定孔隙潛水含水層與孔隙承壓含水層之間是否存在水力聯系的特征;最后對比坑內以及坑外布井的降壓設計效果，之后確定出井位布置的原則以及具體參數。進行抽水試驗的過程中，當抽下層承壓水時，具體表現出上層潛水的浮動比較小，可以看出二者之間沒有直接的水力聯系。根據深基坑地層剖面與模型垂向分層的關系如圖1所示:

地質剖面模型分層砂質粉土第1層砂質粉土粉砂夾粉土 第2層粘質粉土第3層淤泥質粉質粉土粉質粉土第4層粉質粉土粉質粘土夾粉砂第5層粉細砂圓砂 第6層第7層

根據上表表明:計算值和觀測值圖呈現的是一致的變化形式，根據圖像可以反映出土層的滲流特性，在確定出具體的模型。最終確定出抽水試驗的結論:得到的各個層水文地質參數，將各個參數作為設計計算復核的依據，制定施工方案。實施該試驗的必要性:卵礫石層內水文地質參數測定直接影響著設計以及水利施工的安全問題，所有的數值都必須要從現場抽水試驗中具體確定，該數據的測量，能夠比較準確的計算出抽水試驗井與觀測井的設計以及具體的施工質量，最終獲得相關水文地質參數;然而在試驗中，卵礫石層的水量比較大，并且滲透性良好，回水速率大，全降壓設計的安全性以及可靠性都比較差，這就為整個試驗帶來了較大的風險。這就需要根據水文地質因素充分考慮承壓水的處理問題，進一步確定深基坑以及結構在具體施工中的安全性以及合理性。

4 工作井地下水的控制設計問題

4．1 降水的方式以及水文環境問題分析

對于深基坑在開挖過程中，必須要在干燥的環境下進行，避免受到承壓水的影響。確保上層孔隙潛水水位下降到深基坑開挖面的1m以內。在開挖過程中，在考慮到坑底的粘土的透水層厚度滿足抗承壓水突涌的安全性時，能夠在一定程度上降低承壓水頭的高度，并且做好降壓降水工作。江南工作井在深基坑支護設計時采用的是1．2m的地下連續墻，地下水連續墻間均采用的是止水性比較好的十字鋼板接頭來連接之間的設施，連續墻的上部分、砂性土均是完全封閉的狀態，這就提出了套對深基坑進行干燥處理，做好降水工作。由于深基坑在支護設計時其面積比較大，不通過鉆孔位揭示的承壓水層頂標高不一致，為了保證期安全性，在確定了深基坑底部標高之后，要將承壓含水層頂標高與不透水層成反比例，采取減壓措施來避免突涌的出現防止出現水突涌而出，保證深基坑在施工過程中的安全性。同時提出了抗承壓水突涌的措施:(1)降水降低承壓水的頂托壓力。這就要采用深井點來達到降水的目的，使得直接抽水降低承壓水水頭最終滿足抗突涌的要求。(2)采用隔滲帷幕防止承壓水的頂托壓力的出現。具體是對連續墻、高壓旋噴樁等組成止水帷幕，豎向隔斷承壓水含水層，將承壓式對基坑底部不透水層的垂直頂托力轉為對止水帷幕的水平壓力，來消除承壓水的壓力。(3)加厚深基坑底部不透水層的土體重度以及墻體本身的是強度。具體的方法是對深基坑底部不透水層的土體進行注漿或者是旋噴等，進一步加強土體的重度或者是抗剪強度，來增強承壓水在深基坑中的頂托力。(4)水下開挖以及水中封底。進行澆筑，封底完成后要抽干深基坑中的積水，確保施工主體的穩定性。

4．2 隔滲帷幕的方案設計

在進行隔滲帷幕連續墻施工時，要確保隔滲帷幕地下連續墻距離圍護結構地下連續墻的距離保持在3m，在施工中要盡量減少工程施工對周圍環境的影響，在選擇好隔滲帷幕墻體材料C20之后，首先要進行導墻制作:根據設計圖紙，采用混凝土為C25號，在現有的工作平臺中，將其外側用于排水排漿。混凝土澆筑采用的是泥漿下直升導管法。具體的施工流程如圖2所示:

然后劃分槽幅，采用抓斗施工來成槽，將抓斗分成三抓成槽，先抓兩端，后抓種間，當抓斗抓至圓礫卵石層之后，采用液壓銑銑削至孔底部，然后分銑成槽。而在泥漿系統中，在工程造孔護壁中采用膨潤土泥漿，同時在漿池邊布置泥漿凈化系統，配合液壓銑成槽做好供回漿和清孔工作。對于混凝土要凈化處理并回收，在造孔時，將施工中所抽出的漿渣經過泥漿處理系統之后，完成凈化后的泥漿并將其重新使用，在對分離出來的廢渣集中運出。在澆筑混凝土時，置換出來的泥漿進行泥漿凈化處理后直接返回槽孔，在徹底處理之后，確保各項指標合格之后，才可廢除掉，不得重復使用。

4．3 混凝土的澆筑工作

當完成了清孔工序之后，這就要做好混凝土的澆筑工作，其控制的方面有:采用泥漿下直升導管法具體進行澆筑，而導管距離孔底要在20cm左右，并且采用跑球法進行開澆。布置好兩套湖綜合是三套混凝土澆筑導管，將各個導管均勻進料之后，混凝土面高差必須要小于0．5m，另外導管埋深應該控制在2-8m，在澆筑過程中每隔2h左右要檢測槽口熟料塔落程度，控制好具體的高度以及在開澆和終澆階段要盡量縮短混凝土上升面的間隔時間。整個澆筑過程要連續進行，不得出現中斷的現象。

圖2 地下連續墻隔滲帷幕施工流程圖

4．4 隔滲帷幕生產性試驗

為了確保施工的質量以及安全性，這就提出了隔滲帷幕生產性試驗。根據工程所在地的水文地質環境以及地理因素進行超深地下墻施工了解，分析成槽的速度、泥漿穩定性能以及孔壁坍塌的狀況等，結合現場實際情況和帷幕槽底出渣的綜合判斷確定出帷幕的深度以及成槽中的各項質量控制要求。最后還需要做好修正工作。當隔滲帷幕進入卵石層深度的檢驗后，確保地下連續墻隔滲帷幕能夠符合設計的標準，增強施工的安全性。成槽質量要符合具體的控制標準要求，之后完成槽幅設計，針對超聲波測壁儀器在槽段內掃描記錄壁面的凹凸情況，并且記錄具體的數值以便做垂直測定。之后進行清空工作以及隔滲帷幕墻體的質量控制環節。對于新制的混凝土在進行檢驗時，每隔2h取樣進行坍落度以及擴散度進行現場檢測;結合混凝土物理力學性能檢測:在澆灌時，隨機在槽口進行取樣，按照設計的強度，參數在28天范圍內檢測抗壓的強度以及抗滲性能，然后依據規范要求反應混凝土的質量;最終根據墻體接縫處進行檢測:當工程竣工之后，完成了隔滲帷幕的設計以及檢測工作，生產抽水試驗反應的是基坑滲水出現問題時，需要在墻體的接縫處鉆孔進行壓水試驗，做好接縫的滲透性檢測，當出現了接縫處透水性比較大時，可以對其進行透水灌漿或者是高噴處理。

5 總結

針對高承壓水地基深基坑支護問題，采用隔滲帷幕結合內降水方案對深基坑進行了減壓降水處理。確保承壓水水頭引起的地表沉降能夠促進潛水水頭下降引起地表下降，減少對施工周圍環境的影響。另外還需要結合該地區卵礫石層含水量大以及滲透性好的特征，做好降水處理以及規避風險，確定合理的施工方案，確保深基坑開挖的安全合理性，確保整個地下水與承壓水水位相等并且處于動態平衡狀態，對上游水源補給比較充分。無論是在經濟還是安全中都得到了比較好的效果，為解決高承壓水地基深基坑支護的設計提出了可靠的方案。

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