基于基坑施工工況及環(huán)境要求的地下水控制設計

姚 博 王永東 袁國磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基于基坑施工工況及環(huán)境要求的地下水控制設計

姚 博 王永東 袁國磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基坑工程設計的安全性與地下水控制設計密不可分。本文根據(jù)基坑施工中的各種工況及環(huán)境保護的要求對由于地下水的作用而產(chǎn)生的浮力、滲流、地面變形、突涌等問題進行計算分析，并根據(jù)計算分析結果及地下水作用機理采取相應的應對控制措施。地下水控制設計所涉及的基坑施工工況主要有：基坑開挖前、基坑開挖中、基坑開挖至坑底、底板澆筑完成、地下每層建筑施工及回填完成；環(huán)境保護要求主要有：基坑內外地下水位控制、基坑外建（構）筑物的變形控制、圍護墻體本身的各類變形控制等。針對各工況及環(huán)境要求而進行的地下水控制設計為基坑工程安全有效的施工提供了保障和指導，確保了基坑及周邊環(huán)境的安全，也為類似基坑工程的地下水控制設計提供了借鑒。

基坑；施工工況；環(huán)境；地下水；控制設計

1 引 言

地下水控制設計的成功與否，直接關系到基坑工程設計與施工的風險高低及效果。

近年來，由于地下空間的發(fā)展需求，深大基坑也越來越多，基坑工程的安全性關系到人民生命財產(chǎn)的安全，對基坑工程設計中的地下水控制設計也越來越受到重視。許多學者及工程技術人員從不同角度對基坑工程中的地下水控制設計進行了研究。陸建生等[1]對復雜環(huán)境下深基坑地下水綜合控制進行了分析；王衛(wèi)東[2]對深大基坑工程設計實踐與創(chuàng)新作了研究；周濟民等[3]對北京地區(qū)地鐵車站深基坑地下水控制技術進行了研究；丁春林[4]對軟土地區(qū)承壓水基坑突涌穩(wěn)定計算法進行了研究；王曙光[5]研究了復雜周邊環(huán)境基坑工程變形控制技術；陸建生等[6]對基坑工程環(huán)境水文地質進行了評價；范士凱等[7]分析了長江一級階地基坑地下水控制方法和實踐；李進軍等[8]對受承壓水影響的深基坑工程中的群井抽水試驗進行了分析；婁榮祥等[9]對上海地鐵11號線徐家匯站深基坑降水進行了數(shù)值模擬。

本文擬以上海佳兆業(yè)金融中心為工程背景，對不同施工工況及環(huán)境變形控制要求的地下水風險進行計算分析，依據(jù)地下水作用機理采取控制措施，為基坑及周邊環(huán)境的安全做好地下水控制設計。

2 基坑安全等級及周邊環(huán)境等級

2.1 基坑安全等級

本工程擬建建（構）筑物性質詳見表1。

由表1可知，本工程基坑安全等級為一級。

2.2 周邊環(huán)境等級

本工程周邊存在地鐵、道路、管線及建筑物，根據(jù)各建（構）筑物重要程度及其與基坑邊線距離、基坑深度的關系確定的周邊環(huán)境等級見表2。

表1 主要擬建（構）筑物性質一覽表

表2 基坑周邊環(huán)境等級表

3 水文地質特征

3.1 潛水

潛水一般分布于淺部土層及③夾層灰色砂質粉土中，補給來源主要有大氣降水入滲及地表水徑流側向補給，其排泄方式以蒸發(fā)消耗為主。淺部土層中的潛水位埋深，一般離地表面0.3～1.5m，年平均地下水水位埋深離地表面0.5～0.7m。由于潛水與大氣降水和地表水的關系十分密切，故水位呈季節(jié)性波動。擬建場地淺部地下水屬潛水類型。勘察期間測得的地下水靜止水位埋深為0.70～1.20m（相應標高為+3.06～+3.62m）。

表3 基坑圍護設計參數(shù)表

設計時地下水位埋深建議按不利因素考慮，高水位可取設計室外地坪下0.5m，低水位可取設計室外地坪下1.5m。

3.2 承壓水

本工程第⑦1-1層、第⑦1t層、第⑦1-2層以及第⑦2層承壓水含水層相連通，故可看作統(tǒng)一的承壓水含水層。上海市第⑦層承壓水位一般為3~12 m，勘察期間測得第⑦層穩(wěn)定承壓水位埋深為6.55～7.05m，平均為6.80m。本工程第⑨層承壓水與第⑦層承壓水相通。

3.3 含水層埋藏分布

本工程基坑設計所涉及到的含水層埋藏分布情況相對較為穩(wěn)定，其頂板埋深及標高起伏不大，各含水層具體埋藏分布的典型水文地質剖面見圖1。

圖1 水文地質剖面圖

4 基坑圍護設計參數(shù)

根據(jù)本工程的勘察報告所提供的成果，本工程基坑圍護設計主要參數(shù)見表3。

5 圍護結構設計情況

根據(jù)本工程的基坑開挖深度及周邊環(huán)境保護要求，經(jīng)過安全性驗算及方案選型比較，本工程基坑圍護結構采用地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土支撐的方式，工程樁及支撐立柱樁采用鉆孔灌注樁。地下連續(xù)墻及支撐結構情況見表4。

表4 圍護結構情況表

6 周邊環(huán)境變形控制要求

本工程基坑北側為地鐵9號線，根據(jù)上海市地鐵公司監(jiān)管要求，其周圍50m范圍內地面沉降控制要求小于20mm，水平位移控制要求小于20mm；基坑其它周邊根據(jù)設計及規(guī)范要求地面沉降變形控制要求小于30mm，水平位移要求小于30mm。

7 滲流穩(wěn)定性計算

7.1 突涌穩(wěn)定性及安全承壓水頭驗算

本工程地下連續(xù)墻底部位于第⑥層暗綠色粉質粘土中，未用截水帷幕隔斷基坑內外的承壓水水力聯(lián)系，坑底土體的突涌穩(wěn)定性驗算按公式（1）進行。

坑底土體突涌穩(wěn)定性驗算公式：

式中：為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，不應小于1.1；為承壓含水層頂面至坑底的土層厚度；為承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度，對多層土，取按土層厚度加權的平均天然重度；為承壓含水層頂面的壓力水

頭高度；為水的重度。

主要工況結算結果見表5。計算簡圖見圖2。

表5 突涌穩(wěn)定性計算結果

基坑突涌臨界開挖深度計算公式如下：

取等于1.1，突涌臨界開挖深度為16.0m。

圖2 突涌穩(wěn)定性驗算圖

為確保基坑開挖及施工期間，不產(chǎn)生坑底突涌問題，就必須使基坑內承壓水水頭下降至一定深度，安全承壓水頭的計算可根據(jù)公式（3）進行，基坑內安全承壓水水頭及基坑內承壓水的水位降深計算結果見表6。

式中:為安全承壓水水頭高度,從承壓含水層頂面起算的高度；為基坑開挖深度；為抗突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.1。

7.2 底板抗浮穩(wěn)定性驗算

根據(jù)結構設計可知，純車庫底板所受上部結構及上覆土體自重所產(chǎn)生的單位面積壓力。

表6 安全承壓水頭計算結果

P1為60KPa,底板厚度2.0m，抗拔樁所提供的單位面積抗拔承載力設計值P2為100KPa。地下水抗浮設計水位埋深按0.5m計算，車庫底板底面埋深為17.0m，則底板所受浮力為165KPa。在地下結構施工過程中，各工況下底板所受浮力計算按公式（4）進行：

式中：為抗浮力的合力；為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

具體計算結果見表7。

表7 抗浮穩(wěn)定性計算結果

8 模擬計算

8.1 坑外側水頭下降值

本節(jié)通過Midas GTS有限元軟件中滲流—應力耦合分析模塊對基坑進行有限元數(shù)值模擬。本工程基坑開挖深度為17.0m，按照開挖要求，水位最少降至坑底下0.5m，即基坑內水位最低降深為17.0m；按承壓水頭計算，承壓水水位降深6.5m就能滿足抗突涌要求，綜合考慮基坑內水位降深為17.0m。以17.0m為水位最大降深，進行坑外側水頭的模擬計算，坑外側水頭模擬計算云圖見圖3。

圖3 坑外水頭模擬計算圖

由圖中模擬結果可知，當坑內承壓水水頭降至坑底時，坑外水頭從25.6m下降至23.4m，坑外水頭降深達2.2m。

8.2 基坑周邊允許最大水位降深

根據(jù)前述周邊環(huán)境變形控制要求，本工程基坑北側允許最大沉降量為20mm，其它各側允許最大沉降量為30mm，以此為限制條件按照公式（5）～公式（8）計算基坑周邊允許最大水位降深，經(jīng)過多次假定及代入計算，最終基坑周邊允許最大水位降深計算結果見表8。

其中按以下情況計算

第土層位于初始地下水位以上時

第土層位于降水后水位與初始地下水位之間時

第土層位于降水后水位以下時

式中：為計算剖面的地層壓縮變形量（m）；

為沉降計算經(jīng)驗系數(shù)，應根據(jù)地區(qū)工程經(jīng)驗確定，無經(jīng)驗時，宜取1；為降水引起的地面下第土層的平均附加有效應力；對黏性土，應取降水結束時土的固結度下的附加有效應力；為第層土的厚度;土層的總計算厚度應按滲流分析或實際土層分布情況確定；為第層土的壓縮模量；應取土的自重應力至自重應力與附加應力之和的壓力段的壓縮模量；為水的重度；

為第層土中點至初始地下水位的垂直距離；為計算系數(shù)，應按地下水滲流分析確定，缺少分析數(shù)據(jù)時，也可根據(jù)當?shù)毓こ探?jīng)驗取值；為計算剖面對應的地下水位降深。

由表8可知，北側基坑周邊由地下水水頭下降引起的地面沉降變形控制值為20mm時，允許最大水位降深為0.3m。同樣經(jīng)過試算，基坑西側、南側及東側由地下水水頭下降引起的地面沉降變形控制值為30mm時，允許最大水位降深為0.5m。

8.3 計算結果分析

依據(jù)以上計算，降水引起的坑外水頭下降值，大于基坑周邊環(huán)境變形控制要求的允許水頭下降值。因而需采取相應的措施，確保坑外水頭下降值，小于基坑周邊環(huán)境變形要求的允許水頭下降值，從而使得由于降水引起的坑外底面沉降變形滿足要求。

9 控制措施設計及實施

9.1 抗突涌地下水控制措施

基坑開挖前，施作減壓井進行承壓水降水，確保承壓水頭始終低于開挖面下1.0m；底板澆筑完成后直至施工至第三道支撐拆除且地下室外側第三道支撐平面以下回填完成方可停止承壓水降水。

9.2 底板抗浮地下水控制措施

基坑開挖前，施作疏干井進行坑內降水，確保基坑內地下水水位始終低于基坑開挖面以下0.5m，直至地下一層施工完成且地下一層頂板平面以下回填完成方可停止坑內降水。

9.3 滿足環(huán)境變形要求的地下水控制措施

基坑外側施作回灌井，確保坑外地下水水頭下降值小于0.8m，回灌井的數(shù)量通過模擬計算獲得，并通過實際坑外水頭觀測進行動態(tài)信息反饋，及時進行回灌井數(shù)量、回灌水頭高度等的調整。

9.4 地下水控制措施實施

根據(jù)以上計算分析，基坑外側共布置了9個回灌井，回灌井深度與承壓水降水井深度相同；其中，基坑北側布置了3個回灌井，其余三側各布置了2個回灌井。

表8 允許最大水位降深計算結果

在基坑開挖及地下結構施工過程中，施工單位嚴格按照設計要求進行了地下水控制施工，并對坑內、坑外地下水水頭進行了及時跟蹤觀測，確保了該基坑工程的地下水控制滿足了施工工況及周邊環(huán)境變形的要求。

10 結語

1）通過地下水水頭與基坑工程施工工況的關系分析，有效地確定了降水工作的開始和終止工況節(jié)點，避免了由于地下水控制不力而引起的基坑突涌及底板上浮等事故的發(fā)生。

2）通過降水引起的基坑周邊水頭下降及周邊環(huán)境變形允許的水位降深的模擬分析，有效地確定了坑內降水與坑外水頭下降的關系及坑外地面沉降變形與水頭下降的關系，針對性地采取了措施，避免了由于基坑降水而引起的周邊環(huán)境問題。

3）針對各工況及環(huán)境要求而進行的地下水控制設計為基坑工程安全有效的施工提供了保障和指導，確保了基坑及周邊環(huán)境的安全，也為類似基坑工程的地下水控制設計提供了借鑒。

[1]陸建生,付軍.復雜環(huán)境下深基坑地下水綜合控制分析[J].地下空間與工程學報,2013,9(6):1433-1438.(Lu Jiansheng,Fu Jun.Comprehensive control analysis of deep foundation pit groundwater in complex environmen[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2013,9(6):1433-1438.(in Chinese))

[2]王衛(wèi)東.深大基坑工程設計實踐與創(chuàng)新[A].中國土木工程學會第十二屆土力學及巖土工程學術大會論文摘要集[C],2015:211-212.(Wang Weidong.Deep foundation pit engineering design practice and innovation[A]. China civil engineering society’s 12th national conference on soil mechanics and geotechnical engineering[C],2015: 211-212.(in Chinese))

[3]周濟民,李名淦.北京地區(qū)地鐵車站深基坑地下水控制技術研究[J].地下空間與工程學報,2014,10(增2):2042-2048.(Zhou Jimin, Li Minggan. Study on groundwater control technology of deep foundation pit in Beijing area metro station[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2014, 10(Supp2): 2042-2048. (in Chinese))

[4]丁春林. 軟土地區(qū)承壓水基坑突涌穩(wěn)定計算法研究綜述[J]. 地下空間與工程學報, 2007, 3(2): 333-338. (Ding Chunlin. A review of the study on the stability of confined water foundation pit in soft soil[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2007, 3(2): 333-338. (in Chinese))

[5]王曙光. 復雜周邊環(huán)境基坑工程變形控制技術[J]. 巖土工程學報, 2013, 35(增1): 474-477. (Wang Shuguang. Complex peripheral environment foundation pit engineering deformation control technology[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(Supp1): 474-477 (in Chinese))

[6]陸建生, 崔永高, 繆俊發(fā). 基坑工程環(huán)境水文地質評價[J]. 地下空間與工程學報, 2011, 7(增1): 1506-1513.(Lu Jiansheng, Cui Yonggao, Miao Junfa. Hydrogeological evaluation of foundation pit engineering environment[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(Supp1): 1506-1513.(in Chinese))

[7]范士凱,楊育文.長江一級階地基坑地下水控制方法和實踐[J]. 巖土工程學報, 2010, 32(增1): 63-68.(Fan Shikai, Yang Yuwen. The groundwater control method and practice of the first stage of the Yangtze river[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2013,32(Supp1):63-68(in Chinese))

[8]李進軍,王衛(wèi)東.受承壓水影響的深基坑工程中的群井抽水試驗[J].地下空間與工程學報,2010,6(3):460-466.(Li Jinjun,Wang Weidong.A group well pumping test in a deep foundation pit affected by the confined water[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2010, 6(3):460-466. (in Chinese))

[9]婁榮祥,周念清,趙姍.上海地鐵11號線徐家匯站深基坑降水數(shù)值模擬[J].地下空間與工程學報,2011,7(5):908-913.(Lou Rongxiang,Zhou Nianqing,Zhao Shan.Numerical simulation of precipitation of deep foundation pit in xujiahui station of Shanghai metro line 11[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2011,7(5):908-913.(in Chinese))

Based on the requirement of foundation pit construction condition and environment of groundwater control design

The security of foundation pit engineering design and groundwater control design are inseparable. According to the foundation pit construction and environmental protection requirements under various working conditions in the produced by the action of groundwater buoyancy, seepage, ground deformation calculation and analysis, the problem such as a sudden surge, and according to the results of calculation and analysis and effect mechanism of groundwater to take corresponding control measures.Groundwater condition of construction of foundation pit in the control design, mainly include: before the excavation, excavation,excavation to bottom,bottom pouring in complete,each layer of underground construction and backfilling;Environmental protection requirements are:inside and outside the foundation pit of underground water level control,outside the foundation pit, the deformation control of content,retaining wall itself of all kinds of deformation control, etc.T For each condition and environmental requirements of the groundwater control design provides guarantee for the construction of the foundation pit engineering safe and effective and guidance,ensure the safety of the excavation and surrounding environment,also for similar excavation engineering of groundwater control design provides reference.

foundation pit; construction condition; environment; groundwater; control design

TU463

B

1003-8965(2017)05-0146-05