深基坑地下水控制方案的對比分析

遼寧省有色地質(zhì)一〇五隊有限責(zé)任公司 遼寧 葫蘆島 125000

1 引言

隨著我國的經(jīng)濟高速發(fā)展,城鎮(zhèn)化速度加快,城市人口密度增加,導(dǎo)致城市建設(shè)用地日趨緊張,因此,人們?yōu)榱双@得更大的生活空間,向地下和“天空”索求空間越來越成為一種趨勢,而伴隨著城市中一座座高層建筑以及超高層建筑的拔地而起以及軌道交通等地下設(shè)施的興起,城市中的基坑數(shù)量和基坑開挖的深度也在與日俱增[1]。深基坑作為一項臨時性工程,人們的重視程度往往不足,資料顯示,2000年至2015年的深基坑事故案例中,其中土體整體失穩(wěn)的最大誘因為設(shè)計不當(dāng)、水及地質(zhì)條件差,占比重分別為14.5%,土體變形大的最大誘因為設(shè)計不當(dāng)、水及地質(zhì)條件差,占比重分別為23.1%,坑底隆起的最大誘因為勘察失誤和水及地質(zhì)條件差,占比重分別為21.4%,坑內(nèi)滑坡的最大誘因為降排水不利,占比重分別為50%[2],因此結(jié)合水文及地質(zhì)條件,充分考慮周邊環(huán)境,采取適當(dāng)?shù)纳罨拥叵滤刂品桨?是保證基坑使用功能和安全的關(guān)鍵之一。

2 深基坑地下水控制方式

深基坑地下水控制就是為保證支護結(jié)構(gòu)、基坑開挖、地下結(jié)構(gòu)的正常施工,防止地下水變化對基坑周邊環(huán)境產(chǎn)生影響所采用的截水、降水、排水、回灌等措施[3]。按其控制方式分為截水控制方式、降水控制方式、明排控制方式等單獨或組合使用。

2.1 截水控制方式 截水控制方式是采用連續(xù)攪拌樁、旋噴樁、混凝土連鎖樁或地下連續(xù)墻等工藝形成止水帷幕,阻斷或減少基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系,達到基坑內(nèi)無水作業(yè)的目的,截水帷幕分為落底式帷幕和懸掛式帷幕。落底式帷幕是環(huán)整個施工基坑的外圍布設(shè)一道環(huán)形封閉的截水帷幕,與基坑底部隔水層形成一個封閉的、有幫有底的“桶狀結(jié)構(gòu)”,切斷基坑內(nèi)外的水力聯(lián)系;懸掛式帷幕是指帷幕的底端未穿透含水層的截水帷幕。

1)截水控制方式的優(yōu)點

①基坑開挖和使用過程中,使基坑外的地下水體免受到破壞,有利于周邊建筑物和路面不均勻沉降的控制,可有效確保已有建(構(gòu))筑物的安全。

②截水帷幕形成后,對基坑周圍的土體穩(wěn)定性有增強作用,相對于排樁基坑支護不需要樁間錨噴處理,提高了施工進度。

③大幅減少基坑地下水疏干排放量,有利于保護區(qū)域的地下水資源。

2)截水控制方式的缺點

基坑外測的地下水位不變,增加了基坑支護結(jié)構(gòu)體系抵抗主動土壓力和水壓力的強度,經(jīng)濟投入相對大。

2.2 降水水控制方式 降水控制方式是用降水井或滲水井的方式,降低基坑內(nèi)外地下水的水力坡度,以達到防止地下水通過基坑內(nèi)壁或坑底流入基坑。

1)降水控制方式的優(yōu)點

①設(shè)備相對簡單、排水量較大、易于維護、經(jīng)濟實用。

②地下水位降至基坑底部,基坑側(cè)壁土體中的靜水壓力減小,減輕基坑支護體系抵抗壓力,降低支護成本,支護結(jié)構(gòu)也相對簡單。

2)降水控制方式的缺點

①隨著水土平衡的破壞和部分顆粒的流失,加速了土體固結(jié),容易引起周圍構(gòu)筑物的不均勻沉降,嚴重者會影響構(gòu)筑物的使用安全。

②為克服不均勻沉降,需要輔以回灌方式進行控制,需要場地較大,輔助設(shè)備較多,容易造成地下水污染。

③大量抽取地下水,會造成地下水資源的浪費,同時會給市政排水體系造成壓力。

④施工用電量較大,基坑邊緣降水管線密布,對整體施工布局不利。

2.3 明排控制方式 通過集水溝、集水井匯集地表水或基坑滲水,再排泄到外排系統(tǒng),通常作為輔助方法配合截水控制方式或降水控制方式使用。

3 深基坑地下水控制方式選取原則

深基坑地下水控制方式的選取,是與基坑整體的安全性、經(jīng)濟性、適用性綜合考慮的,比選的前提是可靠的地質(zhì)資料和參數(shù)、詳實的周邊環(huán)境資料、交通條件等等。

3.1 安全性原則 深基坑安全性包括基坑支護體系安全性和周邊環(huán)境安全性兩個方面,因此選擇地下水控制方案時,應(yīng)綜合這兩個方面進行考慮,首先保證工程本身的安全性,確保地下結(jié)構(gòu)施工空間干作業(yè)的需要和安全使用的需要;再則基坑周邊構(gòu)筑物和環(huán)境的安全,比如周邊構(gòu)筑物、管線等對沉降比較敏感或附近由地表水源需要保護等,則需要優(yōu)先考慮截水控制。因截水控制方式基坑外側(cè)的地下水位不變,需滿足基坑安全性的支護體系相對增大,對設(shè)計者和施工者都提出了較高的要求。

3.2 經(jīng)濟性原則 截水控制方式原則上保持了基坑周邊水土結(jié)構(gòu),在支護結(jié)構(gòu)體系投入增大,比如支護樁和內(nèi)撐截面增大、配筋率增加、混凝土級別提高等,又增加截水帷幕,投入較大;降水控制方式設(shè)備相對簡單、排水量較大、易于維護、經(jīng)濟實用,但需考慮行政部門收取水資源費和污水排放費。作者在對某基坑樁錨支護+降水控制方式方案(第一種方案)和樁錨支護+截水控制方式方案(第二種方案)進行經(jīng)濟對比。從設(shè)計工作量和主要材料使用量上對比分析,第二種方案所需要的鋼材、砼、錨索及水泥用量要高于第一種方案,但降水井和降水臺班及施工用電量均少于第一種方案,若第一種方案考慮施工中需要長期備用一臺大功率發(fā)電機組(設(shè)備停滯費)和抽排水行政繳費等,在控水周期8個月時,兩種方案總體費用應(yīng)該基本持平。若隨著時間的地下水控制周期延長,則截水帷幕方案的優(yōu)勢將更加明顯。

經(jīng)濟性對比是基于同等條件下不同方案全壽命周期進行的,總體講降水控制方式前期投入優(yōu)于截水控制方式,若地下水控制周期長過經(jīng)濟“平衡點”,兩種方式的經(jīng)濟性優(yōu)勢則發(fā)生了轉(zhuǎn)換。

3.3 社會效益方面 隨著城市過程與發(fā)展,城市范圍擴大,大規(guī)模硬化覆蓋,這就造成不透水層增加,使下滲量和蒸發(fā)量減少,地表徑流和徑流總量增加,使得雨水流很快排入市政管網(wǎng)[4]。采用降水控制方式時,局部長時間大量抽取地下水,土體顆粒間的孔隙水排出,土體壓縮變形,即產(chǎn)生沉降。現(xiàn)在主要結(jié)合回灌措施,來改變基坑外側(cè)的水力坡度,達到減少地層變形量的目的。回灌水滲透是一個復(fù)雜的過程,與地層滲透性和給水壓力有關(guān),若地層滲透性差或者復(fù)雜,則回灌效果會很難實現(xiàn)。在自然降水補給面很小、人為補給不確定性較多的情況下,一旦打破局部水資源平衡,恢復(fù)周期會很漫長。因此截水控制方式更有利于保護區(qū)域的地下水資源。

4 結(jié)語

很多城市地下水采取量超過其補給量,引起區(qū)域地下水位持續(xù)下降,可引起地面下沉、地裂及地面塌陷、海水倒灌等嚴重環(huán)境地質(zhì)問題,因此地下水的保護越來越引起重視。

通過對截水控制方式和降水控制方式優(yōu)缺點和深基坑地下水控制方式選取原則的分析,建議如下:

1)加強地方行政方面的指導(dǎo)、規(guī)范,引導(dǎo)投資方提高地下水資源保護意識。

2)基坑設(shè)計者在考慮安全性、經(jīng)濟性的同時,也應(yīng)注重社會效益方面。