基坑工程中地下水控制的實例分析與探討

焦俊虎

(太原市建筑設計研究院，山西 太原 030002)

1 概述

黃土層是一個孔隙以儲水為主，裂隙以導水為主的孔隙——裂隙含水層，具有雙層介質的特性[1]；地下水的主要類型有包氣帶水、潛水、承壓水等。調查表明：城市中工程事故多是由于地下水處理不當而造成的，常見的由于地下水控制不當而造成的基坑破壞形式和特征如下：邊坡失穩(wěn)、流砂、管涌、滑坡、坑底隆起、突涌、坑外地表大幅失陷等問題[1]。

地下水控制設計前應收集相關范圍內主要自然和工程資料。本工程的地下水控制設計施工安全等級為一級，場地降水工程等級為復雜,隔水工程等級為復雜[2]。所以在正式設計前收集了主要市政現(xiàn)狀設計資料，勘察階段提供了地質資料和抽水試驗，并通過查閱資料，走訪了部分居民和退休設計師，了解一些關于此地塊的工程資料和歷史風貌，這在很大程度上豐富了設計資料。為本工程地下水控制設計的主要依據和參考價值。可以將“隔、截、降、排、回”等主要措施結合使用；要加強監(jiān)測手段，注重實時水情的變化，根據實際情況，將措施在工程中綜合使用，可以使施工作業(yè)面安全，環(huán)境安全，為施工順利進行創(chuàng)造條件。減小動水壓力，降低坑底的承壓水水頭，加速土體固結，可以加固地基。同時也會引起周邊管線和道路的附加沉降以及附近建筑物的不均勻沉降問題。因此，控制地下水的過程既要保護坑底土，減小擾動，在確保安全的前提下以較短的時間內完成基礎的施工，盡量減少對周圍環(huán)境安全的影響[3]。

2 工程概況

太原湖濱廣場綜合項目位于太原市迎澤公園東北角，東臨青年路，北接迎澤大街。基坑工程長度為170 m，最大寬度為145 m，輪廓面積約24 000 m2，地下室層數(shù)裙樓及塔樓均為3層，裙房地上4層，主樓地上48層。裙樓基底在第一土層和第二土層，塔樓基底位于第三土層。裙房基底標高-12.860，塔樓基底標高為-18.30，開挖深度最大為17.86 m，降水高程約為14 m。本工程基礎形式采用鋼筋混凝土灌注樁(后壓漿)——筏板基礎。基坑的安全等級為一級。基坑平面如圖1所示。本項目所處區(qū)域的地貌類型單元為汾河東岸Ⅰ級階地，太原市境內的河流主要是汾河，距離本項目區(qū)2.9 km，工程上不考慮其影響。

3 地下水的基本特征

在基坑圍護中，地下水的特征情況決定了所采取的方案。本工程水文地質特征含有上層滯水、潛水和承壓水。上層滯水埋深較淺，實際數(shù)量小，不在工程考慮的范圍內。而對本工程基坑安全構成重大威脅是位于場地西南方向，距基坑邊15 m的迎澤湖，蓄水量約30萬m3。本工程場地潛水主要接受大氣降水入滲補給，流向為由東北向西南徑流，水力坡度為3.7‰，西部迎澤湖地表水與潛水含水層水力聯(lián)系密切。承壓水層主要接受上游地區(qū)的側向徑流補給及相鄰含水層的越流補給，流向為由東北向西南徑流，水力坡度為4.4‰[4]。

鑒于本工程的重要性和復雜性，勘察單位進行了抽水試驗，具體結果如下：

1)19 m抽水井。觀測井觀測第3層的靜止水位，淺部混合水平均靜止水位為孔口下2.11 m,相應高程為782.52 m。最大降深為12.61 m～14.28 m，從勘察資料上分析，降水最大位置處于第三土層。降水井的水量補給水主要來自第三土層。經觀測，抽水井在停抽10 min后水位恢復較快，16 h后的恢復程度為90%以上。經復核計算，1.92 m～19 m段含水層平均滲透系數(shù)為5.38 m/d，平均影響半徑為90.76 m，單井涌水量為4.0 m3～12.5 m3。

2)32 m抽水井。觀測井觀測第5層的靜止水位，平均靜止水位為孔口下2.72 m,相應高程為782.11 m,最大降深為25.88 m，降水最大位置處于第五層土。降水井的水量補給水主要來自第五土層。經觀測，抽水井在停抽10 min后水位恢復較快，16 h后的恢復程度為90%以上。經復核計算， 20.1 m～29.5 m段含水層平均滲透系數(shù)為6.54 m/d，平均影響半徑為75.09 m，單井涌水量為25.54 m3～25.88 m3。

3)迎澤湖處附近42 m觀測井。觀測第7(含礫細砂)層承壓水的靜止水位，穩(wěn)定水位為孔口下約2.28 m,相應高程為781.58 m。

抽水試驗進行的時間點為勘察即將完成時，場地處于天然狀態(tài)。所以上述試驗數(shù)據及反算數(shù)據的獲得的滲透系數(shù)和影響半徑均為天然狀態(tài)下的參數(shù)，在進行降水設計時應考慮基坑特征及工程樁施工的影響。工程地質剖面圖見圖2。

室內試驗測得的滲透系數(shù)(cm/s)：

第②層，粉土，Kv=3.74×10-4,KH=6.04×10-4，厚度為0.6 m～6.3 m。

第③層，中細砂，Kv=3.86×10-4,KH=1.9×10-3，厚度為0.7 m～6.0 m，層底標高750.61～764.44，單井涌水量4.0 m3/h～12.5 m3/h，滲透系數(shù)為7.15 m/d，含水層，富水性強。

第④層，粉土夾粉質黏土，Kv=1.83×10-4,KH=3.91×10-4，厚度為0.9 m～10.6 m。場區(qū)內分布穩(wěn)定，其下含水層具有承壓性。

第⑤層，含礫中細砂，Kv=6.6×10-4,KH=9.97×10-4，厚度為0.6 m～11.8 m，為主要承壓含水層，底板標高為743.30～781.89，單井涌水量為22.54 m3/h～25.88 m3/h,滲透系數(shù)為8.42 m/d。

第⑥層，粉土夾粉質黏土，Kv=1.86×10-7,KH=3.38×10-7，厚度為3.3 m～19.5 m，可視為相對隔水層。

第⑦層，第⑧層分別為含礫細砂、卵石，層底標高為729.51 m～744.47 m，為第二承壓含水層。

4 設計思路

由于本工程基坑占地規(guī)模較大，降水深度較深，地質情況復雜，而且工程項目位置處于太原市繁華的商業(yè)地段，由于基坑土體變形以及由其引發(fā)任何次生災害或市政管線的不良反應，不但會造成巨大的經濟損失，而且會造成較大的社會負面影響。綜合以上因素，本工程結合實際情況，將“隔、降、排、截”等四種措施互相配合，加強基坑變形和降水的監(jiān)測工作，確保基坑及周邊市政設施和地下水環(huán)境的安全[1]。

“隔”,主要指基坑周邊連續(xù)布置止水帷幕。本工程的止水帷幕采用深層攪拌樁工藝，由于施工單位采用了新型工藝，施工樁長達到了19 m，從《巖土工程勘察報告》分析，完全可以施工至第三土層底部，基本“封堵”了基坑外圍對第三土層潛水對基坑的直接補給，概念上完成對“杯中水”的設計。具體設計方案為自標高783.40布置3排深層攪拌樁，樁長19 m，止水帷幕總厚度為1.4 m。在后續(xù)施工中證明，此措施發(fā)揮了主要作用，支護結構上未發(fā)現(xiàn)明顯漏水現(xiàn)象。

“降”，主要指在基坑內布置降水井，本工程共布置降水井及減壓井64口，深度有16 m，20.6 m及26 m三種。這里主要依據對抽水試驗地分析，并依據相關規(guī)定通過對潛蝕、管涌的計算綜合確定的[5]。將抽水試驗的井深19 m變?yōu)?6 m，井深32 m變?yōu)?6 m，在滿足工程需要的情況下，盡量減少對地下水的抽排。后續(xù)施工中發(fā)現(xiàn)，降水井的設計出水量在開挖過程中，尤其是塔樓部分的降水井和靠近結構框架柱網節(jié)點處的出水量約相當于1/10～1/20,數(shù)量約占總量的23%，規(guī)律性比較明顯。經分析后認為主要原因是后壓漿灌注樁在注漿過程中漿液擴散，造成土體的滲透系數(shù)顯著減小，影響主要取決于土層中的水壓力和注漿壓力的比值，盡管如此，降水井對基坑的降水起到了非常積極作用，工程中輔以其他措施，未發(fā)現(xiàn)明顯的管涌、隆起等現(xiàn)象，成功將地下水降至基底以下，滿足基礎施工要求。

“截”，本工程中，塔樓基坑較裙房基坑深6.1 m,開口尺寸面積在2 100 m2左右，所以此部分應進行另行支護設計。此處支護主要是將止水帷幕同支護結構相結合，采用高壓旋噴技術，樁徑為0.6 m，樁長19 m。鑒于工程的實際情況，塔樓19 m帷幕不能完全形成對基坑的封閉，僅能配合減壓井對第五土層的承壓水進行攔截。塔樓的基礎采用(群)樁筏基礎，樁徑1.0 m，樁距3.0 m，樁長超過50 m。坑底設計中未采取具體措施，但有應急預案。本措施是信息化施工的重要補充措施。基坑開挖過程中發(fā)現(xiàn)，16 m此降水井出水量相當小，開挖至基底時，僅有局部滲水，應急預案可以滿足實際需要。

“排”，主要是指集水明(或暗)排，為輔助措施，僅在開挖過程中的某時間段局部使用。由勘察單位提供的地質資料可以看出，各土層的厚度變化非常大，造成區(qū)域明顯分化，水文地質情況比較復雜，所以“排”在本工程中是一項不可或缺的重要補充措施。其可以彌補降水井堵塞、大氣降水、表面積水、局部排水不暢等不利因素，這里不再贅述。

“回”，主要是指回灌，包括回灌量和回灌壓力兩個方面[2]，作為工程應急預案選項。本工程除日常水質需要回灌，并未出現(xiàn)意外，積累資料不多。

5 地下水控制效果

本工程采用管井降水，坑內共設降水井為64眼，坑外布置觀測井和回灌井32眼。每眼降水井的覆蓋面積為314 m2，降水井數(shù)量少于本土經驗值200 m2/眼，主要是考慮本工程裙房部分單樁基礎，水文地質情況與勘察報告基本一致。減少降水井的優(yōu)點有以下幾個方面：1)減少業(yè)主的使用和維護成本；2)有利于地下水環(huán)境的保護；3)可以大大降低周邊市政管線的變形危險。基坑降水尤其是承壓水，應遵循“按需減壓降水”的原則，這涉及理論計算與現(xiàn)場實際情況的反復驗證的情況，綜合考慮環(huán)境因素、安全承壓水位埋深與基坑施工工況之間的關系。從基坑外所布置的14眼觀測井的水位觀測記錄情況來看，東西南北四個方向，從4月下旬至8月上旬，坑外地下水位情況基本穩(wěn)定，分別在地表下6.0 m～8.0 m之間，可以滿足工程的相關要求。后續(xù)工程的順利進行，說明地下水控制設計是成功的。

6 結論和建議

本基坑工程的地下水控制貫穿了土方開挖和地下室施工兩個階段，通過多種措施的配合使用，在基坑安全、周邊市政設施安全、控制工程造價三方面基本達到了預期效果。但還是存在不少可以改進和值得總結探討的方面，主要有以下兩個方面：

1)降水井、減壓井的布置應在后壓漿工藝的灌注樁3倍距離以外，否則其效果應謹慎對待；如果采用群樁基礎，建議采取其他措施或加密布置。

2)基坑開挖接近設計標高時，應加大對基坑內部周邊的檢查、巡查力度和現(xiàn)場水位、水質、出水量、含沙量、監(jiān)測檢查記錄頻次，合理安排施工進度，并做好工程應急預案,確保工程順利安全。