承壓水條件下基坑降水研究

□文/張新明

地下水有兩種不同的埋藏類型，即埋藏在第一個穩(wěn)定隔水層之上的潛水和埋藏在上下兩個穩(wěn)定隔水層之間的承壓水[1]。在富水承壓地質(zhì)條件下的基坑工程施工中，承壓水對基坑的安全性與穩(wěn)定性有極大的影響，當(dāng)基坑下有承壓含水層時，隨著開挖深度的不斷增加，承壓水層上覆土的厚度不斷減少，當(dāng)減少到一定程度時，頂部覆土壓力不足以平衡水頭壓力，承壓水會頂裂或沖毀基坑底板，造成基坑突涌[2]。突涌后大量水和砂涌入基坑，引發(fā)邊坡失穩(wěn)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形破壞、周圍地面塌陷、道路管線損壞、房屋歪斜、坍塌等一系列嚴(yán)重的安全事故[3]。

基于承壓水的工程特性及對基坑工程造成的一系列影響，為避免事故的發(fā)生，應(yīng)充分結(jié)合勘察、基坑支護(hù)和降水設(shè)計、施工及監(jiān)測等多方面因素綜合考慮，方能將承壓水對基坑安全穩(wěn)定的影響降到最低。

1 工程概況

天津某地鐵車站位于繁華商業(yè)街區(qū)，周邊敏感建筑、管線繁多，基坑深度17～19.23 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐的形式，地下連續(xù)墻設(shè)計深度33～44 m，在考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，充分考慮地下承壓水的影響，以阻斷第一層承壓水為目的。

2 承壓水地質(zhì)條件

基坑范圍內(nèi)承壓水主要賦存于⑨2粉砂、⑩2粉砂以及?2粉砂層，三層承壓水含水層存在連通現(xiàn)象，應(yīng)作為同一層承壓水進(jìn)行整體考慮，⑨1粉質(zhì)黏土層和?3粉質(zhì)黏土層作為上下隔水層，見圖1。

圖1 地層與地下連續(xù)墻相對關(guān)系

基底位于⑨1粉質(zhì)黏土層中，屬于相對隔水層，底板距承壓水層6～10 m，見圖2。

圖2 基坑與水位關(guān)系

考慮地下連續(xù)墻止水效果較好，設(shè)計階段在進(jìn)行抗突涌驗算時，將基坑內(nèi)承壓水按隔斷后無壓無補給考慮，突涌驗算安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

3 降水方案的確定

綜合考慮天津地區(qū)類似施工經(jīng)驗，于基坑內(nèi)設(shè)置6口減壓井作為備用井和坑內(nèi)承壓水觀測井。

3.1 單井試驗

單井抽水期間，降水井前期出水量約3.20 m3/h，后期出水量逐漸減小，出水量約2.10 m3/h。動水位穩(wěn)定標(biāo)高為-11.50 m。坑外承壓水觀測井水位為0.03 m，基本無變化。

3.2 群井試驗

將水泵直接放至井底以上1～2 m。坑內(nèi)及坑外全部觀測井均作為水位觀測井，坑內(nèi)其余疏干井全部為降水井。見表1和圖3-圖4。

表1 降水井水位變化

圖3 坑內(nèi)水位變化

圖4 坑外承壓水位變化幅度

由圖3 和圖4 可以看出，坑外承壓觀測井水位在0.03～0.10 m，變化幅度較小；坑內(nèi)減壓觀測井初期水位下降，后期水位穩(wěn)定在-8.77～-10.05 m。可初步判定，該基坑止水帷幕設(shè)計已隔斷坑外承壓水，但仍存在一定承壓性。

3.3 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性

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土層厚度，m；

γs——基坑底至承壓含水層頂板間的各層土厚度加權(quán)平均重度，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10 kN/m3；

Fs——安全系數(shù)，取1.05。

經(jīng)降水試驗以及抗突涌計算結(jié)果，基坑開挖至距標(biāo)準(zhǔn)段基底3.4 m 左右時達(dá)到基底突涌臨界點，需適時開啟坑內(nèi)承壓備用井。

4 降水效果

基坑開挖階段，開挖至-11.5 m標(biāo)高位置時，依據(jù)降水試驗結(jié)論，適時開啟2 口坑內(nèi)承壓水備用井，在降低基坑突涌風(fēng)險的同時，引發(fā)基坑外承壓水觀測井水位降，降幅在0.6～1.2 m之間，同時引發(fā)部分地表點的沉降，最大沉降幅度在1.1 cm（7 d）。

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)考慮了?2層承壓水對⑨2、⑩2層的補給，地下連續(xù)墻深度也已完全隔斷?2層承壓水，但在最薄弱處，地下連續(xù)墻深入?3層隔水層的深度僅1.4 m，隔斷效果較差，考慮地下連續(xù)墻施工對隔水層的擾動以及承壓水水頭壓力較大，分析認(rèn)為此處坑外承壓水沿地下連續(xù)墻底部發(fā)生了越流補給，導(dǎo)致坑內(nèi)承壓水水頭壓力無法消減。采用深層高壓注漿方式對該段落的地下連續(xù)墻底部進(jìn)行加固處理，有效減少了坑外承壓水的越流補給量，使坑外承壓水水位基本趨于穩(wěn)定，過程中采取間歇性抽排承壓水的方式順利完成了基坑開挖及主體結(jié)構(gòu)施工并順利完成承壓水備用井的封堵。

5 結(jié)論及建議

在基坑范圍內(nèi)存在承壓水的地區(qū)，應(yīng)充分整合勘察、基坑設(shè)計、降水設(shè)計以及施工等多方面資源，做好預(yù)判，發(fā)現(xiàn)問題后提前采取相應(yīng)加固補強措施，有效降低承壓水給基坑施工帶來的風(fēng)險。

1）勘察階段應(yīng)充分考慮地質(zhì)突變的可能性，結(jié)合場地實際情況，在敏感位置、薄弱環(huán)節(jié)適當(dāng)加密勘探孔，盡可能使地質(zhì)勘探結(jié)果接近實際地質(zhì)，對承壓水位的觀測應(yīng)準(zhǔn)確判斷出含水層、隔水層的相對厚度并在上隔水層薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)。

2）基坑設(shè)計應(yīng)與降水設(shè)計有機(jī)結(jié)合，以地勘結(jié)果為第一手資料，依據(jù)開挖深度、承壓水水頭標(biāo)高、水層位置和隔水層地質(zhì)參數(shù)等信息合理設(shè)計基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度及形式，使止水帷幕能有效隔離承壓水層并盡量規(guī)避承壓水繞流風(fēng)險。降水設(shè)計應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，從土層滲透系數(shù)、滲透量、土層物理特性等方面著手，重點突出基坑抗突涌設(shè)計的安全性。

3）施工及監(jiān)測階段需重點加強實際數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的比對，貫徹數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場的理念，對數(shù)據(jù)發(fā)生的異常變化應(yīng)及時進(jìn)行原因分析，通過研判提出下一步指導(dǎo)意見。