復雜水文條件下深基坑支護及地下水控制技術分析

李偉 馮紅超 廖俊展

摘 要：依據北京市通州區(qū)某基坑支護與地下水控制工程設計實例，介紹基坑支護影響范圍內地下水條件復雜的情況下基坑支護及地下水控制的設計要點，重點對止水帷幕設計方式進行討論，通過工程技術分析、經濟比選，確定最優(yōu)設計方案，并根據結構設計條件結合基坑支護設計方案提出主動抗浮的概念設計，為今后類似工程設計提供參考和借鑒。

關鍵詞：深基坑工程;支護設計;地下水控制;主動抗浮

中圖分類號：TU472 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1001-5922（2021）10-0166-06

Analysis of Deep Foundation Pit Support and Groundwater Control Technology Under Complex Hydrological Conditions

Li Wei， Feng Hongchao， Liao Junzhan

（BGI Engineering Consultants Ltd.， Beijing 100038， China）

Abstract：This paper introduces the design key points of deep foundation pit support and groundwater control under complex hydrological conditions，which is combined with a design example of a deep foundation pit support and groundwater control project in Tongzhou District， Beijing， and focus on the discussion on the design of the water-stop curtain. It determines the optimal design scheme through engineering technology analysis and economic comparison. Combined with the structural design conditions and the design scheme of foundation pit support， the active anti-float method is explored and applied. It can provide reference for similar projects in the future.

Key words：deep foundation pit engineering; supporting design;? groundwater control;? active anti-floating

0 引言

通州區(qū)位于北京市東南部，京杭大運河北端，2015年7月11日，中共北京市委十一屆七次全會審議通過了《京津冀協同發(fā)展規(guī)劃綱要》，通州正式成為北京市行政副中心。近幾年，通州區(qū)的建設和經濟也得到了較快的發(fā)展，為更好的利用城市土地資源，高層建筑項目地下室的深度逐漸增加，隨之而產生的基坑支護問題、地下水處理問題及基坑突涌問題受到廣泛關注。

文章介紹建項目基坑深度深，基坑底部以下存在多層地下水，且水量豐富，需對基坑突涌穩(wěn)定性進行驗證，結合地層特性分析本項目需采用止水帷幕對地下水進行處理，如何做好止水措施成為本項目設計的難點及重點。

基坑工程中常見的止水帷幕形式有高壓旋噴樁、深層攪拌樁止水帷幕、旋噴樁止水帷幕、地下連續(xù)墻止水帷幕等[1-2]。文章按照止水帷幕工藝方法和設置位置將設計方案分為3種，并對3種設計方案進行分析比選，最終選用“地連墻錨桿+坑內疏干減壓”的設計方案。另外，結合建筑結構的抗浮要求，文章提出主動抗浮的設計思路，并將設計體會進行整理，以供業(yè)界分享。

1 工程實例分析

1.1 工程概況

本項目位于北京市通州新城核心區(qū)五河交匯處，通州區(qū)月亮河度假酒店西南側，主要包括3棟主塔及裙房部分，基坑支護深度一般為21.48～28.48m。場區(qū)北側為運潮減河，西側為北運河，東北角為月亮河溫泉假日酒店。

1.2 地層土質概述

根據本工程巖土勘察報告，對現場鉆探、原位測試與室內土工試驗成果的綜合分析，將本工程勘察勘探深度范圍內（最深150.00m）的地層，按成因類型、沉積年代劃分為人工堆積層、新近沉積層和第四紀沉積層3大類，并按地層巖性及其物理力學數據指標，進一步劃分為17個大層及亞層，此處列出基坑支護影響范圍9個大層，現分述如下：表層為人工堆積的粘質粉土素填土-砂質粉土素填土①層、細砂-粉砂素填土①-1層、房渣土-碎石素填土①-2層，填土層頂標高為17.19～23.44m;于標高16.29～21.43m以下為新近紀沉積的粉砂-細砂②層，夾有砂質粘土-粘質粉土②-1層、粉質粘土-重粉質粘土②-2層;于標高12.6-15.49m以下為新近紀沉積的細砂-中砂③層，夾有細砂-中砂③-1層、重粉質粘土-粉質粘土③-2層、粉質粘土-砂質粉土③-3層;于標高1.66～7.37m以下為第四紀沉積的細砂-中砂④層、夾有重粉質粘土-粉質粘土④-1層、粘土④-2層、粘質粉土-粉質粘土④3層、粉質粘土-粘質粉土④-4層、重粉質粘土-粘土④-5層、砂質粉土-粘質粉土④-6層;于標高-7.75～-0.56m以下為第四紀沉積的中砂-細砂⑤層、夾有粉質粘土-重粉質粘土⑤-1層、有機質粘土⑤-2層、粘質粉土-砂質粘土⑤-3層。于標高-17.55～-11.98m以下為粉質粘土-重粉質粘土⑥層、有機質粘土⑥-1層、粘質粉土-砂質粉土⑥-2層、中砂-細砂⑥-3層。于標高-22.16～-16.48m以下為第四紀沉積的細砂-中砂⑦層、夾有粘土-重粉質粘土⑦-1層、砂質粉土-粘質粉土⑦-2層。于標高-27.80～-23.77m以下為第四紀沉積的中砂-細砂⑧層、夾有重粉質粘土-粉質粘土⑧-1層、粘質粉土-砂質粉土⑧-2層。于標高-36.21～-30.34m以下為第四紀沉積的細砂-中砂⑨層、有機質粘土-有機質重粉質粘土⑨-1層、砂質粉土-粘質粉土⑨-2層。

1.3 水文地質條件

根據本工程巖土工程勘察報告，工程勘察期間（2012年12月下旬至2013年1月中旬及2013年5月下旬）于鉆孔中量測到4層地下水，各層地下水水位情況及類型如表1所示。

2 基坑支護及地下水控制設計方案分析

2.1 典型地層剖面及基坑突涌穩(wěn)定性驗算

根據本工程巖土勘察報告，選取本項目代表性地層，各層地下水及基坑開挖深度關系如圖1所示。

由圖1可知，基坑槽底標高為-1.98～-5.98m，槽底一般位于細砂、中砂④層，粉質粘土-重粉質粘土⑤1層。

基坑突涌是基坑底板被承壓水頂裂或沖破而形成噴水冒砂的現象，此現象一旦發(fā)生，基坑將喪失穩(wěn)定性，因而在基坑開挖過程中是必須嚴格注意的問題[3-4]。要保證基坑的穩(wěn)定，則基坑底板至承壓含水層頂面間的土壓力應大于承壓水的頂托力，規(guī)范中要求承壓水作用下坑底突涌穩(wěn)定性應符合下式規(guī)定：

式（1）中，Kh為突涌穩(wěn)定安全系數;Kh不應小于1.1;D為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度，m;r為承壓水含水層頂面至坑底土層的天然重度，kN/m3;對于多層土，取按土層厚度加權的平均天然重度;hw為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度，m;rw為水的重度，kN/m3。

根據場地承壓水的埋深以及基坑開挖的深度，按式（1）計算不降水情況下第2層承壓水的安全系數：

同理，計算基坑開挖最深處（標高為-5.98m），受第3層承壓水影響，基坑突涌穩(wěn)定性安全系數為2.5>1.1。

由以上計算結果可知，受第2層承壓水的影響，基坑突涌穩(wěn)定性安全系數小于1.1，不滿足要求。如果不降低第2層承壓水的水頭高度，那么基坑開挖到槽底時，第2層承壓水會沖破基坑底板，破壞基坑穩(wěn)定性。

因此，本項目基坑開挖過程中主要受潛水、第1層承壓水、第2層承壓水影響，其中受第2層承壓水影響，在進行地下水控制設計時應考慮此二層承壓水基坑突涌穩(wěn)定性的影響。

2.2 設計方案比選

根據典型地層剖面及基坑突涌穩(wěn)定性驗算分析，本工程按照止水帷幕工藝方法和設置位置進一步分為方案1、2和3三個子方案，其中方案1為“上部2.0m土釘墻+樁錨+三軸攪拌樁帷幕+坑內疏干減壓井”體系，方案2為“上部2.0m土釘墻+樁錨+三軸攪拌樁帷幕+坑內疏干減壓井+主塔核心筒帷幕+主塔內疏干井”體系，方案3為“上部2.0m擋土墻+地連墻+錨桿+坑內疏干減壓井”體系。

方案1：在自然地面以下2.0m處施工三軸攪拌樁帷幕;在自然地面施工應急井，確保錨桿施工;在自然地面以2.0m處施工護坡樁，在潛水水位標高以上施工疏干井兼減壓井，疏干槽內潛水及第1層承壓水，降低第2層承壓水水頭以滿足基坑突涌穩(wěn)定性要求，最后隨土方開挖，順序施工錨桿。方案1的技術優(yōu)點為：總體施工構件較少，造價低，工期快;缺點為：坑內疏干井兼減壓井井數多，抽水量大，抽水周期長，樁基施工工作面高。

方案2：在自然地面以下2.0m處施工三軸攪拌樁帷幕;在自然地面施工應急井，確保錨桿施工;在自然地面以下2.0m處施工護坡樁;在潛水水位標高以上施工裙房部位的疏干井兼減壓井，疏干潛水及第1層承壓水，降低第2層承壓水水頭以滿足基坑突涌穩(wěn)定性要求，在第1層承壓水水頭標高以上約2.0m位置施工主塔核心筒部位止水帷幕和疏干井，疏干2層承壓水，最后隨土方開挖，順序施工錨桿。方案2的技術優(yōu)點為：坑內疏干兼減壓井井數少，抽水量較方案1有大幅度減少;缺點為：增加帷幕樁，增加工程造價和施工進度。

方案3：在自然地面施工應急井，確保錨桿施工;在地面以下2.0m施工地下連續(xù)墻帷幕，基坑內部在潛水水位標高以上施工疏干井，最后隨土方開挖，順序施工錨桿。方案3的技術優(yōu)點為：整體支護和止水結構最少，止水效果好，抽水量少;缺點為：地連墻單項成本較高。

針對以上3個設計方案，考慮到本項目地下水的復雜性，方案1及方案2采用的三軸攪拌樁止水效果不及地下連續(xù)墻，且抽水量大，抽水周期長，經過專家論證最終選用方案3即“上部2.0m擋土墻+地連墻+錨桿+坑內疏干減壓井”作為本項目的設計方案。

2.3 地下連續(xù)墻設計方案介紹

按照結構設計條件、基坑各部位地質條件、周圍環(huán)境和場地使用條件等不同情況綜合考慮，本工程共劃分為10個支護段。其中主體基坑支護結構為1～9支護段，基坑支護深度一般為21.48～28.48m，基坑側壁安全等級為一級;主體基坑內部主塔部位為二級基坑，對應支護結構為10支護段，基坑支護深度為4.0m，基坑側壁安全等級為三級。1～5支護段采用“上部擋土墻+下部地下連續(xù)墻+預應力錨桿”支護體系進行支護，6～9支護段采用“地下連續(xù)墻+預應力錨桿”支護體系進行支護，10支護段采用掛網噴錨支護體系進行支護。地下連續(xù)墻寬度為800mm。基坑支護平面布置圖如圖2所示。

本工程基坑開挖過程中主要受潛水、第1層承壓水、第2層承壓水影響，其中受第2層水承壓水影響，本工程裙房及主塔部位基坑突涌穩(wěn)定性難以滿足，故采用地下連續(xù)墻止水帷幕結合應急抽水井、疏干井對上述地下水進行控制。地下連續(xù)墻1～6支護段施工工作面絕對標高一般為20.0m，7～9支護段施工工作面絕對標高一般為23.0m，地下連續(xù)墻墻底絕對標高為-19.00m;應急抽水井施工工作面為自然地面，井間距約為6.0m;基槽內布置疏干井，疏干井施工工作面為自然地面，井間距約40.0m，肥槽部位井間距約15.0m。

2.4 典型支護段分析

本項目基坑東北角為現狀道路，其自然地坪比場區(qū)高約3.0m，另外，東北側主塔臨近道路，因此，此主塔部位為基坑最深部位，基坑支護深度為28.48m，其相應支護剖面如圖3所示。

由圖3可知，本支護段地下連續(xù)墻上設置5排預應力錨桿，錨桿長度為30.0～38.5m，錨桿錨固段最長為28.5m。受場區(qū)地層及地下水影響，為滿足基坑整體穩(wěn)定性、墻頂位移控制、錨桿抗拔安全系數等設計要求，計算結果表明，錨桿設置長度普遍較長，且錨桿錨固段一般均大于20.0m。

由于常規(guī)錨桿存在錨固段長度利用效率問題，即在錨固段長度超過一定限值后，再增加的錨固段長度利用效率低下，基本不能起到繼續(xù)提高錨桿承載力的作用，如此不僅造成較大浪費，同時也可能對基坑工程形成一定的安全隱患。由此可知，當錨固段長度超過一定限值后，使用錨固段粘結應力分布更均勻、錨固段側摩阻力發(fā)揮更充分的荷載分散型錨桿是較好地選擇。

根據上述分析，本項目設計結合施工經驗及相關研究成果，當預應力錨桿錨固段長度大于20.0m時，要求選用拉力分散性錨桿，以保證錨桿錨固段的使用效率。使用拉力分散型錨桿時，僅需在桿體制作時增加區(qū)分桿體單元的工序，成孔、注漿等工序均與普通拉力型錨桿相同。

2.5 地下連續(xù)墻分幅復雜

本項目擬建建筑基礎結構及外墻邊線普遍為弧形，在進行地下連續(xù)墻分幅設計時，為了控制基槽開挖面積，需按照結構弧形邊線開挖基槽，因此，地下連續(xù)墻進行分幅時難免會出現多個異性槽段、多個角度，以及一些位置肥槽增加的問題。但實際施工過程中為了減少土方開挖量，需要考慮控制基坑開挖面積，即控制肥槽寬度。同時，考慮到地下連續(xù)墻鋼筋加工工作量大，角度控制困難，且鋼筋籠加工角度控制直接影響地連墻幅與幅之間銜接處理，因此，為了地下連續(xù)墻鋼筋籠加工方便，需要考慮盡量減少地下連續(xù)墻異性槽段的個數。

本項目在進行分幅布置時，應根據減少異性槽段、減少異性槽段不同角度個數、對肥槽寬度控制等原則進行設計，異性轉角槽段采用首開幅處理方式（如圖4所示），該處理方式是常規(guī)異性槽段處理方式，其有利于轉角地下連續(xù)墻接縫止水效果，且兩端型鋼接頭可與二期直型槽段平行插接（如圖5所示），保證其他接頭的止水處理效果。

異性轉角槽段一般采用3600mm+2400mm進行分配，可減少抓槽次數，提高施工效率，并且兩端均為直型槽段導墻，導墻不影響擴槽施工。

3 主動抗浮概念方案

根據本工程水文地質勘察報告，本工程抗浮設計水位按本工程場區(qū)附近運潮減河50年一遇洪水位標高及北運河50年一遇洪水位標高之較高者考慮，結合本工程建筑設計條件初步估算，本項目應采取抗浮設計處理。

3.1 主動抗浮設計思路

抗浮措施主要有主動抗浮措施、被動抗浮措施。主動抗浮主要是通過減小浮力來提高抗浮穩(wěn)定性;被動抗浮是通過提高抗力來達到抗浮穩(wěn)定性。根據抗力來源又可分為結構配重和抗浮構件兩種，而抗浮構件目前主要有抗浮樁和抗浮錨桿[5-6]。

本工程基坑地下水控制采用地下連續(xù)墻止水帷幕方案結合疏干井的方案，考慮到地下連續(xù)墻止水帷幕效果相對較好，且鋼筋混凝土結構具有穩(wěn)定性、耐久性的優(yōu)點，因此，文章提出利用地下連續(xù)墻結構作為永久性止水體系，并結合永久帷幕體系內設置疏干集水井達到降低帷幕內地下水位、減小浮力的效果，以實現滿足結構抗浮穩(wěn)定性的目的，此即為本工程采用主動抗浮的設計思路。采用主動抗浮設計，可以充分利用已有的臨時基坑圍護結構，并可取消被動抗浮抗拔樁，不僅可以大大減少工程投資，同時也可以縮短總體施工工期，極具經濟效益和社會效益。

3.2 主動抗浮概念設計

利用地下連續(xù)墻與粉質粘土層相對隔水層形成的封閉帷幕體系，阻隔帷幕內外水力聯系。在基坑使用階段通過疏干井疏干帷幕內存在的滯水，保證基坑開挖以及地下結構施工。地下結構施工完成后，在肥槽底部設置導流溝槽，導流溝槽上部采用碎石透水材料進行回填，回填材料內設置豎向排水導管。肥槽頂部采用混凝土等不透水材料進行封閉，防止地表水體入灌。主體建筑物使用期間，基底以上的帷幕漏水、地表滲水通過碎石透水層向下滲入導流槽，并匯入集水井。基底以下帷幕滲漏、越流補給地下水也通過在集水井中設置水泵排出帷幕以外[7-8]。主動抗浮設計如圖6所示。

若采用主動抗浮設計，為盡量減少止水帷幕可能出現的滲漏點，在基坑設計階段應要求對基坑止水帷幕地連墻錨桿孔封孔處理，對地墻底部進行高壓注漿封堵處理，對勘察孔鉆透粉質粘土層采用高壓旋噴樁封堵處理[9-10]。

采用本主動抗浮設計方案，不但可以解決結構抗浮問題，同時在集水井持續(xù)抽排的條件下，地連墻與結構外墻之間因存在透水材料而不具備貯水條件，避免了地下室外墻與地下水直接接觸，地連墻可以起到地下室結構外墻離壁墻的作用，大大增加了地下室的防水效果[11-12]。

4 結語

本工程設計難點在于基坑深度較深，基坑支護影響范圍內地下水豐富、含水量大，設計方案采用地下連續(xù)墻作為止水帷幕，由于結構外墻邊線為弧形，其地下連續(xù)墻分幅布置較為復雜。另外，文章提到的主動抗浮概念方案也將為之后相關工作提供參考。下面對本項目設計中的問題進行總結如下：

（1）由于基坑開挖過程中主要受潛水、承壓水影響，且通過對裙房及主塔部位進行基坑突涌穩(wěn)定性驗算，基坑突涌穩(wěn)定性安全系數不滿足設計要求，據此采用了地下連續(xù)墻止水帷幕結合應急抽水井、疏干井的方法對地下水進行處理。應急抽水井將地下水水位降低至最后一排錨桿孔口標高以下0.5m，以便錨桿施工。由于最后一排錨桿可能會穿透第2層承壓水含水層，設計時還應根據不同錨桿位置及地層情況區(qū)分考慮，應急井管井一般采用無砂管，在最后一排錨桿穿透第2層承壓水含水層的部位，為避免錨桿施工打穿承壓水含水層，對施工造成不便，此相應部位應急井井管采用井壁管且井端加深，降低第2層承壓水水位至錨桿錨固段標高以下。

（2）本工程受基坑支護深度、地層特性、地下水等因素影響，設計過程中存在支護結構錨桿長度較長的問題，考慮到常規(guī)錨桿在錨固段長度超過一定限值后，再增加的錨固段長度利用效率低下，基本不能起到繼續(xù)提高錨桿承載力的作用，因此，設計時應根據周邊項目施工經驗，積極查閱資料及相關規(guī)范，確定合理的錨桿類型。本項目設計要求當錨固段20.0m時，使用錨固段粘結應力分布更均勻、錨固段側摩阻力發(fā)揮更充分的拉力分散型錨桿。

（3）本工程結構外墻為弧形，地下連續(xù)墻分幅受限因素較多，在進行設計時，應做好與建設單位及施工單位的溝通工作，明確設計條件，如基坑肥槽寬度控制，地下連續(xù)墻的異性槽段、異性角度控制等，在滿足設計要求的前提條件下，選擇便于施工且較為經濟的設計方案。

（4）地下連續(xù)墻一期槽段與二期槽段接頭位置采用工字形型鋼，設計時考慮將地下連續(xù)墻有角度位置至于異性槽段中部，保證一期異性槽段兩端型鋼接頭可與二期直型槽段平行插接，這種分幅方法不僅便于地下連續(xù)墻的施工，而且可保證止水效果。

（5）基坑工程設計時靈活的結合結構設計相關要求進行抗浮處理概念方案構思，具有一定的創(chuàng)新性。文章提出的主動抗浮的概念設計，其優(yōu)勢在于可以充分利用已有的臨時基坑圍護結構，并可取消被抗拔樁，不僅可以大大減少工程投資，同時也可以縮短總體施工工期。

但考慮到地下連續(xù)墻止水帷幕實際的止水效果存在不確定性，最終主動抗浮思路是否能夠實現，尚需要根據止水帷幕封閉后進行試抽水試驗結果進行綜合可行性論證，包括根據抽水量確定的項目使用期間抽水設備費用和維護費用等綜合費用與被動抗浮優(yōu)化費用的經濟比較、運營管理方式研究分析等。另外，目前主動抗浮技術運用于重大工程相較于被動抗浮技術尚不成熟，因此，主動抗浮技術仍需進一步研究和探討。

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