近河道超大深基坑降水設(shè)計及實施

□文/王 斌 李 樂 于振民 伊容冰 閆 浩

隨著城市規(guī)模的擴張，地下空間的開發(fā)和利用快速發(fā)展，涌現(xiàn)了大量近河道、超挖深、大體量的地下工程。特別是近河道、地處市區(qū)，水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復(fù)雜的工程，降水影響因素多、難度大一直是地下工程研究的熱門課題[1～3]。超大深基坑揭露地下承壓水層，其富水性強、滲透性好是持續(xù)降水的難題[4]。

1 工程概況

中鋼天津響螺灣項目屬一類高層建筑，工程等級為一級，毗鄰海河，為典型的近河道且揭露地下承壓水層的超大深基坑工程。工程總用地面積26666.7m2，總建筑面積395181m2。1號塔樓24層，高102.9m，建筑面積64176m2；2號塔樓82層，高358m，建筑面積228129m2；地下為4層擴大地下室，建筑面積93611 m2。工程基坑平面呈不規(guī)則四邊形，中心采用環(huán)形支撐，南北向長178.1m、東西向?qū)?47.65m，周邊長約591m，平面面積約2.36萬m2，見圖1。基坑?xùn)|北部、西南部裙樓區(qū)域普遍開挖深度約為20m；東南部1號塔樓區(qū)域普遍開挖深度為20.6m，局部開挖深度24.7m；西北部2號塔樓區(qū)域普遍開挖深度23.1m，局部深坑開挖深度30m。

圖1 基坑平面

2 水文地質(zhì)條件

場地埋深58.00m以上的地下水主要分為潛水和承壓水，見圖2。

圖2 場地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)剖面

人工填土（Qml）及河相沉積層（Q42m）為潛水含水層，主要由大氣降水補給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)有所變化。潛水位變幅的多年平均值為0.80m/a左右。根據(jù)抽水試驗報告，初始水位約0.20～1.00m，相當(dāng)于標(biāo)高1.26～0.90m。

Q3eal粉砂與Q3dmc粉砂細砂為本場地內(nèi)的第一微承壓含水層，穩(wěn)定水位約為13.2m，相當(dāng)于標(biāo)高約為-11.00m。

3 降水方案設(shè)計

采用明挖施工時，為保證基坑開挖的順利進行需及時疏干開挖范圍內(nèi)土層中含水。因此，開挖前需要布設(shè)若干疏干井，對基坑開挖范圍內(nèi)土層疏干，坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量

式中：n——基坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量，口；

A——基坑面積，A=23646m2；

a井——單井有效降水面積取250m2。

根據(jù)式（1）得出，基坑需要布設(shè)疏干井95口；井深24m，見圖 3。

圖3 疏干井及降壓井布置

開挖后，基坑與承壓含水層頂板間距離減小，相應(yīng)承壓含水層上部土壓力也隨之減小；當(dāng)基坑開挖到一定深度后，承壓含水層承壓水頂托力可能大于其上覆土壓力，導(dǎo)致基坑底部失穩(wěn)，嚴(yán)重危害基坑安全。因此，在基坑開挖過程中，需考慮基坑底部承壓含水層的水壓力，必要時按需降壓，保障基坑安全。

基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力，即

式中：h——基坑底至承壓含水層頂板間各層土的厚度，m；

γs——基坑底至承壓含水層頂板間土的重度，

kN/m3；

H——承壓水位高于承壓含水層頂板的高度，m；

γw——水的重度，取10kN/m3；

Fs——安全系數(shù)，分別取1.0、1.05。

選取第一微承壓含水層層頂埋深最不利的鉆孔作為驗算參考孔，其層頂埋深25.00m，絕對標(biāo)高-23.02m。根據(jù)現(xiàn)場實測水位，第一微承壓含水層初始水位為13.20 m，絕對標(biāo)高約-11.00m。

故得到第一微承壓含水層頂托力

Fs·γw·H=1×10[（-11.0）-（-23.02）]=120（kPa）

Fs·γw·H=1.05×10[（-11）-（-23.02）]=12（kPa）

基坑各開挖部位底板抗突涌穩(wěn)定性驗算結(jié)果見表1和表2。

表1 承壓含水層抗突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)計算

表2 承壓含水層抗突涌穩(wěn)定性安全水位計算

針對上述計算結(jié)果，為保證基坑穩(wěn)定，根據(jù)式（2），計算基坑開挖時基坑穩(wěn)定臨界開挖深度，見表3。

表3 基坑降壓臨界開挖深度

根據(jù)計算，當(dāng)基坑開挖深度至標(biāo)高-16.55m時，需提前開啟降壓井進行降壓，以確保基坑安全。

4 降水滲流三維數(shù)值分析

4.1 離散水文地質(zhì)模型

按照計算的平面范圍、地層概化以及初始條件、邊界條件，同時考慮抽水井、觀測井、帷幕在離散模型中的空間位置，對計算區(qū)域進行離散，建立三維計算數(shù)值模型。為消除邊界對模擬結(jié)果的影響，模型取邊界外擴約500m[5]，實際計算區(qū)域約為 988m×953m，見圖 4。

圖4 離散模型

4.2 水文地質(zhì)參數(shù)的反演

利用單井試驗的試驗數(shù)據(jù)進行參數(shù)反演，即選取2015年 5月 24日 9：00—2015年 5月 25日 9：00Y4抽水時的水位變化情況作為模型識別的依據(jù)。通過對觀測井Y1、Y2、Y3、Y5的地下水位進行擬合，見圖5-圖8。

圖5 Y4抽水時觀測井Y1計算-觀測水位擬合

圖6 Y4抽水時觀測井Y2計算-觀測水位擬合

圖7 Y4抽水時觀測井Y3計算-觀測水位擬合

圖8 Y4抽水時觀測井Y5計算-觀測水位擬合

通過計算反演分析，獲取的模型參數(shù)見表4。

表4 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)反演值

表4 承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)反演值

含水層承壓含水層層序土名土層滲透系數(shù)/（m·d-1）Kγ Kh粉砂粉砂、細砂儲水率Ss/m-1 1.30 1.50 2.5 2.8 1.8×10-4 1.3×10-4

4.3 降水效果分析

如圖3所示，需要在坑內(nèi)布置39口降壓井，其中8口為備用減壓井兼觀測井。另外，基坑外設(shè)置8口承壓水觀測井，承壓含水層中的總井?dāng)?shù)為47口。計算中單井出水量為240～360m3/d。

開啟33口降壓井抽水5d后第一承壓水降深見圖9，水位降深可滿足基坑減壓降水需求。

圖9 降壓井抽水5d后承壓水水位降深等值線

5 施工效果評價

工程實際效果表明，本設(shè)計方案及施工方法效果明顯，具體體現(xiàn)在如下兩方面。

1）降水效果。基坑內(nèi)降壓井降水深度達16m，最小降水深度15m，降水深度滿足最大降水深度14.55 m的要求，基坑內(nèi)未發(fā)生底板上浮及基坑突涌等災(zāi)害，確保了基坑順利施工。

2）地表沉降。由于止水帷幕對承壓含水層有一定的隔斷，有利于減小坑外沉降。實測結(jié)果表明，距離基坑10m處沉降最大值為3.2mm，距離基坑30m處沉降最大值為2.4mm，沉降值在控制范圍內(nèi)，周邊高層建筑及市政綜合管線運行正常，確保了施工外部條件安全。□■

[1]馮曉臘,張睿敏,熊宗河,等.武漢某工程超深基坑降水設(shè)計與技術(shù)應(yīng)用[J].施工技術(shù),2015,44（S2）:11-14.

[2]侯玉杰,余地華,艾心熒,等.天津高銀117大廈工程超大深基坑降水關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].施工技術(shù),2014,43（13）:1-5.

[3]周 閃,杜明芳,趙曉偉.鄭州某地鐵車站深基坑降水方案設(shè)計[J].鐵道勘察,2016,42（4）:58-61.

[4]趙曉光,鐘逸晨,張雪龍.高承壓水對深基坑開挖施工的影響分析[J].施工技術(shù),2016,45（S1）:169-171.

[5]袁 斌,武永霞,廖少明,等.基于數(shù)值模擬的富水砂礫地層深基坑降水方案優(yōu)化[J].工程勘察,2017,45（1）:34-39.