船行二站拆建工程深基坑降排水問(wèn)題的分析與研究

陳 敏 仝道斌 韓愛(ài)東

(1.宿遷市宿城區(qū)水利工程建設(shè)服務(wù)中心，江蘇 宿遷 223800；2.宿遷市宿城區(qū)水利局，江蘇 宿遷 223800；3.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225000)

水工建筑物深基坑作為一項(xiàng)施工風(fēng)險(xiǎn)較高的專項(xiàng)工程，一直備受?chē)?guó)家及施工企業(yè)的高度重視。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，深基坑工程是指開(kāi)挖深度超過(guò)5m(含5m)的基坑的土方開(kāi)挖、支護(hù)、降水工程，以及開(kāi)挖深度雖未超過(guò)5m，但地質(zhì)條件、周?chē)h(huán)境和地下管線復(fù)雜，或影響毗鄰建筑(構(gòu)筑)物安全的基坑的土方開(kāi)挖、支護(hù)、降水工程[1]。基坑開(kāi)挖深度一般與建筑物設(shè)計(jì)規(guī)模及地基承載要求呈正相關(guān)關(guān)系。隨著開(kāi)挖深度的增加，不僅施工難度加大，基坑支護(hù)要求提高，而且安全隱患問(wèn)題亦愈發(fā)突出。雖然水利工程基坑安全問(wèn)題與開(kāi)挖形式、支護(hù)方式、周邊環(huán)境以及地質(zhì)條件均有關(guān)聯(lián)，其通常伴隨有更大的底板和支護(hù)結(jié)構(gòu)，受地下水的作用更為明顯，最不易處理的安全問(wèn)題往往來(lái)自于地下水滲流產(chǎn)生的降水問(wèn)題。它極易造成基坑安全事故和工期延誤。因此，地下水情復(fù)雜地區(qū)的深基坑開(kāi)挖是一項(xiàng)極富有挑戰(zhàn)性的施工項(xiàng)目[2]。

1 工程概況

a.船行二站拆建工程概算投資3600萬(wàn)元，是宿遷市宿城區(qū)船行灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造項(xiàng)目2019年度重點(diǎn)實(shí)施項(xiàng)目之一，設(shè)計(jì)裝4臺(tái)1400QZ-70潛水軸流泵，裝機(jī)功率2240kW，設(shè)計(jì)流量14.3m3/s。進(jìn)水池設(shè)計(jì)水位17.2m，出水池設(shè)計(jì)水位23.4m。泵站工程等別Ⅲ等，主要建筑物級(jí)別3級(jí)，次要建筑物級(jí)別4級(jí)。防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇。配套建筑物合理使用年限為50年。

b.基坑支護(hù)形式。本工程開(kāi)挖深度為10.7m，基坑北側(cè)距離辦公樓約2m，南側(cè)開(kāi)挖最外層邊線距離居民房?jī)H6.2m，不具備自然放坡條件。因此，本工程最終采用“拉森鋼板樁+預(yù)應(yīng)力錨索”，局部實(shí)施鋼筋混凝土灌注樁加固的形式，同時(shí)引河上下游設(shè)置水泥土攪拌樁，使基坑封閉。

c.地質(zhì)情況見(jiàn)圖1～圖2、表1～表2。

圖1 工程地質(zhì)剖面圖(一)

圖2 工程地質(zhì)剖面圖(二)

表1

表2

2 滲流發(fā)生過(guò)程及降水方案的調(diào)整

a.原降水方案的制定。根據(jù)地質(zhì)勘察，基坑處地下水為潛水，③層粉土及以上飽和土層為主要潛水含水層。因此，在原地面標(biāo)高22.00m處進(jìn)行布井，布設(shè)井深15.0m，管井直徑為30cm,共6口潛水井。運(yùn)用無(wú)壓完整井理論對(duì)基坑管井系統(tǒng)總涌水量進(jìn)行計(jì)算[3](見(jiàn)圖3)。

圖3 無(wú)壓完整井涌水量計(jì)算簡(jiǎn)圖

式中Q——井點(diǎn)系統(tǒng)的涌水量,m3/d;

K——土的滲透系數(shù),m/d;

H——含水層厚度,m;

S——基坑中心的水位降低值,m;

R——抽水影響半徑,m；

x0——基坑假想半徑,m；

A——基坑井點(diǎn)管所包圍的平面面積，m2。

泵室設(shè)計(jì)基坑高程基坑標(biāo)高12.60m，當(dāng)開(kāi)挖至標(biāo)高14.00m后，基坑滲流量突然加大，局部出現(xiàn)涌水點(diǎn)，產(chǎn)生流沙現(xiàn)象。經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)滲溢出來(lái)的土體分析，溢出物與標(biāo)高4.20m以下的中細(xì)砂土類(lèi)似，初步判斷標(biāo)高14.00m至承壓含水層頂間的土體已無(wú)法承受承壓水的浮托力，形成滲水通道，引發(fā)坑底突涌。

b.降水方案的調(diào)整。現(xiàn)場(chǎng)潛水井雖然24小時(shí)不間斷抽排，但降水效果甚微。由于地下承壓水已在土層內(nèi)形成了管涌通道，滲流破壞不斷加大，對(duì)基坑及周邊建筑物安全形成威脅，因此暫停原降水方案，并對(duì)管涌處設(shè)置反濾，局部回填。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)原排水方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，調(diào)整后的方案采用“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”的降排水方式，即在潛水層仍然設(shè)置適當(dāng)數(shù)量的無(wú)壓非完整井排水，而為了進(jìn)一步降低地下水位，再設(shè)置一定數(shù)量的承壓非完整深井至承壓層進(jìn)行排水，最終兩者結(jié)合共同達(dá)到降低地下水位的目的。針對(duì)本工程的具體方案為潛水層土體布設(shè)管井直徑為30cm的6口潛水井，對(duì)隔水層下的承壓水布設(shè)8口深井作降壓處理。運(yùn)用承壓非完整井理論[3]對(duì)基坑涌水量進(jìn)行計(jì)算(見(jiàn)圖4)。

圖4 承壓非完整井涌水量計(jì)算簡(jiǎn)圖

=10229.3m3/d

式中Q——井點(diǎn)系統(tǒng)的涌水量，m3/d；

K——土的滲透系數(shù)，m/d；

M——承壓含水層厚度，m；

S——基坑中心的水位降低值，m；

R——抽水影響半徑，m；

x0——基坑假想半徑，m；

r——井點(diǎn)半徑，m。

深井抽排運(yùn)行2d后，基坑涌水現(xiàn)象得到了緩解，地下水位下降明顯。通過(guò)對(duì)承壓水壓力的釋放，形成降水漏斗，較好地解決了突涌問(wèn)題，使施工走入了正軌。

3 滲流變形破壞因素分析

a.正確選擇降排水方案。為保證基坑自身安全和穩(wěn)定，確保有序的分層開(kāi)挖，就必須要考慮所有可能引起基坑變形的各類(lèi)因素。除了對(duì)深基坑支護(hù)形式要充分研究論證外，基坑降排水方案的選擇也是關(guān)鍵內(nèi)容。只有正確區(qū)分持力層以下靜態(tài)潛水和動(dòng)態(tài)的承壓水，才能制定出科學(xué)合理的方案。現(xiàn)有施工效果表明，船行二站拆建工程基坑降排水采用“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”的方案是合理有效的。

b.土體物理性能的改變。基坑開(kāi)挖隨著臨近設(shè)計(jì)標(biāo)高，坑底經(jīng)歷了一個(gè)卸載過(guò)程。開(kāi)挖初期可以認(rèn)為土層內(nèi)有效應(yīng)力仍舊保持為穩(wěn)定的狀態(tài)。在距離坑底標(biāo)高2m以內(nèi)，隨著開(kāi)挖深度增大，土體自重力逐漸減少，基坑底部土體向上回彈，孔隙水壓力增大，應(yīng)力不斷減少。實(shí)踐說(shuō)明在基坑(特別是深基坑)從勘察設(shè)計(jì)到施工前方案編制階段，首先要對(duì)基坑中水、土特征及變形特征進(jìn)行分析。尤其對(duì)最易變化的靜水、動(dòng)水進(jìn)行充分的監(jiān)測(cè)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知，地下水位及水壓力不能有效降低，不但直接影響土的物理性質(zhì)(結(jié)構(gòu)、密度、含水量等)和土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)值，還會(huì)引起土體中應(yīng)力狀態(tài)的改變，從而造成工程質(zhì)量安全事故發(fā)生。

c.基坑變形的過(guò)程。基坑隆起是變形的最初破壞現(xiàn)象。隆起變形是彈塑性變形，隨著土體減少，基底逐步向上產(chǎn)生部分回彈。隨著自重的減少，承壓水壓力也逐步增大，隨之破壞程度加大，逐步出現(xiàn)基坑涌水，甚至可能導(dǎo)致支護(hù)體的失穩(wěn)，最后造成基坑安全事故發(fā)生。經(jīng)分析，本次基坑隆起變形破壞由承壓水引起。若任由基坑突涌現(xiàn)象發(fā)展，泥沙不斷被帶出，則基坑危險(xiǎn)性極大，造成的損失更為嚴(yán)重。因此基坑開(kāi)挖前，對(duì)基坑內(nèi)的靜水、動(dòng)水(承壓水)埋置深度進(jìn)行分析和研究是十分必要的。

d.降壓計(jì)算和分析。該工程潛水層分布在標(biāo)高13.10m左右，是持力層坐落的位置，應(yīng)對(duì)該段土層潛水進(jìn)行抽排。由于該土層厚度在1.7～2.0m之間，且滲透力較強(qiáng)(滲透系數(shù)為10-4數(shù)量級(jí))，以下土層滲透系數(shù)在10-6～10-7數(shù)量級(jí)，為微透水性土層。因此僅僅依靠潛水井無(wú)法消除承壓水浮托力造成的影響。承壓水埋深在標(biāo)高4.20m以下為細(xì)中砂，滲透系數(shù)達(dá)到10-4～10-3數(shù)量級(jí)，雖然承壓水頭以上為“不透水層”，根據(jù)相關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算：

式中γty——坑底突涌抗力分項(xiàng)系數(shù)，對(duì)于大面積普遍開(kāi)挖應(yīng)大于1.2，對(duì)于局部承臺(tái)分別開(kāi)挖，應(yīng)大于1.0；

D——坑底至承壓水層頂板的距離，m；

γ——范圍內(nèi)土的平均天然重度，kN/m3；

Hw——承壓水水頭高度，m；

γw——水的重度，kN/m3。

通過(guò)驗(yàn)算，坑底突涌抗力分項(xiàng)系數(shù)大于1.2，滿足要求。但受現(xiàn)場(chǎng)土層分布及前期工程的影響，存在局部薄弱區(qū)，現(xiàn)場(chǎng)基坑出現(xiàn)幾處涌水點(diǎn)，一部分可能是上期工程施工時(shí)遺留的水井，另一部分是地基土層存在薄弱段，從而形成了壓力釋放點(diǎn)，下部水上涌。

e.側(cè)向滲流對(duì)基坑圍護(hù)的影響。本工程基坑南北側(cè)靠近居民房、管理房等建筑物，采用鋼板樁支撐圍護(hù)。由于樁體有效長(zhǎng)度內(nèi)槽口之間有一定的止水作用，基坑外地下水位在標(biāo)高19.00m，基坑內(nèi)外水位差達(dá)6.4m，經(jīng)分析鋼板樁圍護(hù)結(jié)構(gòu)周?chē)骶€和等勢(shì)線相對(duì)集中，在鋼板樁底部易產(chǎn)生側(cè)面滲流破壞，因此深井長(zhǎng)度應(yīng)考慮減少鋼板樁側(cè)面滲流破壞的影響。不僅基坑內(nèi)在滲水壓力作用下易產(chǎn)生塑性變形，而且鋼板樁外側(cè)土體在水位差較大的情況下也容易順著樁底部側(cè)向滲流而流動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生較大的塑性區(qū)，導(dǎo)致基坑外側(cè)地面沉降，因此分析確定沿鋼板樁布井深度在樁底部以下2～3m為宜。

4 結(jié)論和體會(huì)

a.降排水方案制定的依據(jù)。深基坑持力層以下，具有復(fù)雜的土層和靜、動(dòng)潛水情況下，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行復(fù)合式的降排水布置。土層中潛水層無(wú)滲透壓力作用，可按無(wú)壓水層進(jìn)行無(wú)壓完整井的布設(shè)設(shè)計(jì)。有承壓水層面可根據(jù)“抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算”來(lái)確定是否設(shè)置降壓井。

b.理論與實(shí)際的結(jié)合。目前對(duì)基坑穩(wěn)定和基坑變形計(jì)算有多種方法。但往往計(jì)算得出的數(shù)值與實(shí)際情況有一定的差別，理論可提供部分參考數(shù)據(jù)和必要的判據(jù)。在具體實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行必要的修正，才能達(dá)到理想的效果。

c.降壓水位的確定。降壓井的布置一般是根據(jù)承壓水頭高度以及透水層埋深計(jì)算確定的。降壓井埋置到透水層內(nèi)的深度，應(yīng)進(jìn)行研究分析。井內(nèi)抽水機(jī)械放置的位置，要通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確認(rèn)，盡可能調(diào)整至合適的位置，防止埋入太深，配置設(shè)備功率太大，造成周邊建筑物地下水位下降過(guò)快，形成不均勻沉降。

d.突涌穩(wěn)定因素。在地下水情復(fù)雜的基坑外圍必須布設(shè)相應(yīng)的觀測(cè)井與回灌井，一般井點(diǎn)離降水點(diǎn)外7～10m。靜、動(dòng)狀態(tài)下的地下水是否進(jìn)行降壓，應(yīng)通過(guò)抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算判斷。當(dāng)坑底至承壓水層頂板的距離確定時(shí)，主要涉及土的平均天然重度γ。該工程施工效果證明：完全利用地質(zhì)報(bào)告提供的γ=19～20KN/m3是不適合的。因?yàn)殡S著淺水井的抽排水體不斷溢出，土體自身來(lái)不及固結(jié)。因此，γ中應(yīng)考慮土體孔隙比增加導(dǎo)致的土體重量減輕，本工程采用γ=20×0.8=16KN/m3。該數(shù)值顯然更有利于方案的選擇和制定,更具有科學(xué)性和可操作性。

e.抽水量的計(jì)算。基坑開(kāi)挖要避免出現(xiàn)滲流破壞，關(guān)鍵是判斷涌水來(lái)源。經(jīng)計(jì)算，本工程基坑涌水量為10332.6m3/d,其中潛水層涌水量103.3m3/d，占總涌水量1%，承壓水層涌水量10229.3m3/d，占總涌水量99%。實(shí)際施工中對(duì)深井排水量的測(cè)算為：D深=50×24×8×0.8=7680m3/d，占理論涌水量74%。剩余的26%涌水量2652.6m3/d由潛水井來(lái)排除(潛水井幫助深井代排2549.3m3/d)。

因此，通過(guò)對(duì)本工程降排水方案的優(yōu)化調(diào)整充分證明地下水情復(fù)雜的深基坑降排水應(yīng)以深井為主導(dǎo)，提出的“潛水潛排，深水深排，潛深兼顧”降壓排水方案為今后同類(lèi)型水利工程施工提供了一定的科學(xué)依據(jù)。