臨近變形敏感建筑的深大軟土基坑降水風險與控制系統探析

陳 帥

(福州市城投建筑有限公司 福建福州 350007)

0 引言

隨著我國經濟的快速發展，城市迅速擴張。為滿足日趨緊張的用地需求，地下空間綜合利用開發項目急劇增多，基坑工程亦逐漸往深大方向發展[1]。大型基坑周邊往往存在大量既有建筑物，對基坑開挖過程中的地層變形控制提出了更高要求。軟土地層通常含水量較高，并具有較高的可壓縮特性，極易受到工程施工的擾動[2]，使得軟土地層中基坑施工過程中的地層變形控制面臨著巨大挑戰。尤其是當基坑臨近地鐵線路時，過大的地層變形會導致地鐵隧道結構發生大變形破壞[3]，嚴重危及地鐵的運營安全。

基坑降水是軟土地層基坑施工過程中重大危險源之一，也是坑周地層變形的主要原因之一，降水成功與否直接關系到整個工程的安全。若降水控制不當，不僅可能導致基底突涌、基坑垮塌等事故[4]，還會引起地層產生過大變形而危及到周邊建筑物的安全[5]。在這種情況下，提出針對臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水的控制技術，顯然具有積極的現實意義。鑒于此，本文依托福州市濱江市民廣場基坑工程，首先對臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水施工風險進行分析，由此提出判定軟土基坑降水成功與否的兩個標準，并最終構建一個適用于臨近既有敏感建筑軟土深大基坑降水控制系統。

1 工程概況與水文地質條件

福州市濱江市民廣場基坑工程位于福州市臺江區，閩江北岸五橋、六橋之間，江濱大道旁。擬建工程征地面積為58 228 m2，總建筑面積為111 336.69 m2，建筑設地下2層地上2層，地下二層為機動車庫和設備用房，地下一層為機動車庫、餐飲、商業、影院；道路層(一層)為商業、餐飲、兒童活動等；景觀層(二層)為商業及進出廣場的樓梯間設備房等。

項目基坑分為兩個分期施工。其中一期工程上跨地鐵二號線金祥站～祥坂站區間盾構隧道，已于2017年7月完成至底板澆筑工序，研究基坑為濱江市民廣場二期工程，基坑具體平面尺寸以及其與地鐵區間隧道空間位置如圖1所示。基坑開挖深度11 m，采用沖(鉆)孔灌注樁(φ1000@1200 mm)結合外側三軸水泥土攪拌樁(φ850@600 mm)隔水帷幕作為圍護結構。采用一道鋼筋混凝土支撐作為水平支撐體系，支撐上下兩側各布置一道擴孔錨索。坑內所有工程樁在隧道盾構穿越前均已施工完畢。

項目場地地貌類型屬于福州盆地中部沖淤積平原地貌，場地范圍內地層由上至下依次分布為①雜填土(層厚1.20 m～5.60 m)、②淤泥(層厚0.70 m～3.40 m)、③中砂(層厚1.60 m～1.90 m)、④淤泥質土(層厚5.90 m～25.50 m)、⑤粉土(層厚0.90 m～7.10 m)、⑥中砂(層厚0.70 m～3.10 m)、⑦卵石(層厚1.00 m～21.80 m)，基底為燕山期花崗巖。

(a)基坑平面布置圖

(b)基坑縱向剖面圖圖1 福州市濱江市民廣場基坑工程

濱江市民廣場基坑工程地層所賦存的地下水，主要分為潛水與承壓水兩種類型。其中潛水主要賦存于場區表層①雜填土中，主要接受大氣降水豎向入滲補給和地表水的入滲補給，多以蒸發方式排泄，一般水量不大，富水性不大，雨季時水量較大，地下水位上升，本工程雜填土中碎石、礫石(砂)、砼塊等建筑垃圾含量較高，滲透性較好。根據臨近場地施工經驗，①雜填土的滲透系數為2～8 m/d，該土層因碎、塊石含量不均，滲透性變異較大。承壓水主要賦存于場地內的⑥中砂、⑦卵石中的孔隙承壓水，其主要受地下側向或層間越流補給。根據地區調查資料，建設場地水位年動態變幅一般在1.0 m～1.50 m左右，近3～5年的最高水位為羅零高程8.00 m，歷史最高地下水位標高約為8.50 m。場地南側江濱西大道外為閩江，其中⑥中砂層中承壓水與閩江江水呈直接補給關系，該層內含水量大，其滲透系數經抽水試驗測得平均值為15.66 m/d，對該工程基坑開挖影響較大。

2 含水軟土地層基坑施工難點與降水風險

2.1 含水軟土地層基坑施工的難點

在軟土地層中，地下水的存在會嚴重影響基坑的施工。具體表現在：①當地層含水量較大時，會極大的增加基坑開挖難度，并降低基坑開挖效率。在濱江市民廣場基坑工程之中，基坑開挖范圍內土層主要為淤泥質土及淤泥土夾砂，土層含水量高、強度較低，具有較高的可壓縮特性。在此類地層中進行基坑開挖，極易出現開挖面軟弱、積水、土體難自穩等一系列不良現象，嚴重影響施工的質量與效率。②當地層含水量較大時，承壓含水層內存在極大的突涌風險。隨著開挖深度的增加，上覆土壓力逐漸減小，當上覆土壓力低于承壓水頂托力時，承壓水突涌就會演變便成為基坑開挖過程中最大的風險之一。濱江市民廣場基坑底板落在淤泥層，局部淤泥層厚度小，下部存在承壓含水層(中砂層)，隨著基坑的逐漸開挖，基坑涌水、流砂可能性將會逐漸增大。由上述分析可見，為使基坑能在干燥條件下施工，確保基坑結構在施工期間的安全與穩定，必須對基坑進行降水處理。

2.2 基坑降水的風險

降水施工不可避免地會引起地層產生沉降。一方面在于，降水過程中，地下水會攜帶大量的土體細粒一同抽走。在此情況下，土層結構會逐漸失穩而產生局部陷落，進而導致極具破壞性的不均勻沉降。另一方面在于，隨著地下水位逐漸下降，淺層土體顆粒之間水分逐漸消散，有效應力逐漸增加，在此過程中，土體骨架逐漸壓密進，導致地面沉降逐漸增大。簡而言之，基坑降水程度越高，地層變形越大。降水成功與否，直接決定施工的質量與安全。若降水過度，地層將會產生過大的變形，不利于基坑本身穩定的同時，基坑周邊建筑物或構筑物也會受到嚴重威脅。

濱江市民廣場基坑工程位于福州中央商務區，基坑西面為IFC大廈、東面為德旺圖書館、北面為長汀街、南面為江濱西大道等既有構筑物，基坑底板下3 m～7 m為地鐵二號線金詳～祥坂站區間隧道，研究的二期基坑工程分布于區間隧道上方兩側，如圖2所示。在上述工況下，基坑降水施工難度及風險較普通含水軟土地層基坑均要更高。除了要防止過度降水造成的地層沉降量過大而引發臨近建筑產生不良反應外，還必須要對隧道上方兩側基坑的地層水位進行均衡把控，以防兩側基坑由降水不均，產生過大的地層偏壓，致使隧道結構兩側受力不均而發生嚴重的變形破壞。由此可見，在如此復雜的坑周環境下進行基坑施工，必須對施工期間地層水位進行嚴格把控。

圖2 基坑場地周邊環境示意圖

3 基坑降水控制系統

基于前文施工難點與降水風險，可總結出判定基坑降水成功與否的2個標準：其一，基坑開挖是否能在干燥條件下安全、高效地進行；其二，坑周地層變形(包括降水產生的沉降變形及降水不均衡產生的偏心壓力引起的側向變形)是否能得到有效控制。因此，基坑降水控制系統的構建，也應當針對這兩個判別標準進行設計。圖3為基坑降水控制系統組成示意圖，整個降水控制系統由降水實施、降水監測、降水控制與保障措施共同組成，其中降水實施模塊為具體降水施工的具體實施方案。在實施過中，由降水監測模塊對坑內及坑外地下水位進行實時監測，降水控制模塊則根據監測結果，對降水具體實施方案進行調整，而保障措施模塊則確保基坑降水控制系統在停電或汛期等非常規情況下仍然正常運作。后文將結合本工程的地理位置、工程地質及水文特點等，根據各模塊要實現的具體功能進行分項設計。

圖3 基坑降水控制系統

3.1 基坑降水方案設計

坑周地層沉降往往與地下水位降深有關。因此，在理想狀態下，對坑內進行降水時，應保持坑外土層地下水位的穩定。為實現這一目的，本基坑工程首先采用三軸攪拌樁(φ850@600 mm)隔水帷幕，深入含水層的隔水底板中(淤泥層)，以落底式帷幕方式，將基坑內的地下水與基坑外的地下水進行分割，以此切斷基坑內、外地下水之間的水力聯系。本基坑工程以上部高壓縮性的淤泥夾砂層為易沉降的地層，失水后極易發生固結沉降，若水止水帷幕能夠形成有效隔水體，則整個基坑屬于全封閉式疏干降水，坑外水位基本不下降，以這種方式，坑周地表沉降就可得到有效控制。

為能在干燥條件下安全、高效地進行基坑開挖施工，采用在坑內布置降水井方式，來達到疏干基坑內部地下水的目的。降水井位置應避開塔吊基礎、格構柱、內支撐、工程樁、被動區三軸水泥土攪拌樁群等，并伸入⑥中砂層不小于1 m。降水井泥孔徑均為400 mm、管徑為219 mm，井管為壁厚3 mm鋼管，濾水管為鋼質橋式濾水管，外包40目錦綸濾網，濾料2 mm～5 mm礫石，回填至濾管頂部，其結構示意圖如圖4所示。在進行降水井布置時，應對易發生突涌位置進行優先布置。根據本項目地質勘察報告，“地下室開挖至設計底板后，②淤泥層厚度小于2.20 m地段易發生突涌，其余地段②淤泥層隔水層厚度較大，不會存在發生突涌的可能性”。因此，在布置降水井時，對坑中坑及坑底以下淤泥質土厚度小于3.0 m位置，優先布置降水井。降水井應合理布設排水管道，以便于接入施工現場排水設施。基坑開挖前應進行抽水試驗，在檢測止水帷幕止水效果的同時，推測降水對周邊環境的影響程度，并根據基坑周邊水位觀測井內水位變化情況，確定降水井及回灌井的具體布置方案，回灌井結構同降水井。在本工程中，除了在坑內隔水層薄弱處布置降水井以外，再沿圍護結構內側10 m處每間隔30 m(由抽水試驗確定的降水漏斗圈直徑)布置一口降水井，具體布置如圖5所示；本工程中坑外暫不設置回灌井，若止水帷幕效果不佳，坑外地下水位出現明顯下降，則沿基坑止水帷幕外側5 m處每間隔30 m設置一口回灌井。

圖4 降水井結構圖

圖5 降水井平面布置圖

考慮到基坑底板僅距離地鐵二號線金詳～祥坂站區間隧道3 m～7 m，二期基坑分布于隧道結構上方兩側，降水控制不當極可能會對地鐵隧道結構造成嚴重影響。因此，必須嚴格控制降水管井水位高度。首先，始終將水位維持在開挖面/底板以下0.5 m～1.0 m；其次，時刻保持兩側基坑地層水位在同一水平位置上，以防偏壓的產生。施工及降水過程中，與地鐵保護性監測單位密切配合，實時監測地鐵結構變形情況，應采取注漿加固措施。

3.2 降水監測與控制方案設計

為確保基坑降水方案的順利實施，對降水監測與控制方案進行設計。為保證基坑降水可以滿足施工要求，基坑開挖前，提前7 d～15 d進行疏干降水，不透水層應提前30 d進行預降水，力爭在開挖前將開挖范圍內土體含水量降低。降壓井降水遵循“按需降水”的原則，基坑開挖至臨界高程后，始終保持水位在安全水位以下。基坑挖土階段，對基坑外環境及水位觀測井進行兩階段跟蹤觀測，在水位未達到設計水位之前，進行每天兩次的地層水位觀測。當地層水位到達設計深度，且趨于穩定后，監測頻率可減少至每日一次。若水位觀測井水位低于穩定地下水位2.0 m，或基坑外沉降比較大，或沉降加速變化比較大時，就應立即啟動回灌措施，回灌壓力控制在0.05 MPa左右。

在進行降水作業前，應對地層的靜止水位進行測定。為檢驗降水方案的合理性以及排水系統的暢通性，必須進行生產性抽水試驗。對包括電箱和電纜線等設備在內的電路系統組件進行全面檢查，確保降水工作能持續進行。降水正式運行前，應對相關施工人員進行專業培訓，熟悉掌握降水設備的操作技能。相關人員應對坑內地層水位進行每日監測，并對降水、排水系統進行檢查。降水停止并提泵后，應及時將降水井封井。

3.3 基坑降水控制系統運行保障措施設計

降水成功與否，直接關系到整個工程的安全。為保證整個基坑降水控制系統的順利運行，應當進行相應的保障措施的設計。

當地層含水量較高時，為防止地下水對基坑開挖作業造成不良影響，必須確保降水系統在開挖期間能夠持續運轉。因此，必須構建一套足夠穩定的供電系統，以滿足降水設備的用電需求。本工程建立了一套網電與發電機組供電雙保險供電系統(圖6)，以便在網電停電情況下，仍能采用發電機組供電的方式來維持降水設備的正常運轉，從而有效規避了由于停電對基坑降水效果造成的影響。備用電源功率按工程實際需要進行考慮。

①-網電 ②-備用電源 ③-抽水設備圖6 雙電源供電示意圖

基坑抽水運行過程中，需要在基坑施工便道外側修建排水溝，確保降水運行排水的順暢，保障降水效果。排水溝有一定坡度，并與市政排水系統相連，基坑排出的水經沉淀后排入雨水管網。根據地鐵公司標準化要求，現場排水溝實際尺寸為600 mm×700 mm(寬×深)，水溝上部設置混凝土蓋板；沉淀池尺寸6 m×3 m×2 m(長×寬×高)，頂部與地面平齊，上部設置格柵式蓋板。對于施工現場的排水設施，其最大排水能力必須滿足工程降水施工的最大降水需求。在此基礎上，為降低降水設備的揚程消耗，應當盡可能減少降水井與排水設施的距離，以此減少排水過程中的水頭損失。

降水井作為基坑降水系統的重要組成部件，對基坑地下水的水位控制具有重要的作用。考慮到后期補井難度較大，因此在基坑開挖期間，必須保證降水井的結構安全，避免由于施工機械的碰撞對其造成破壞。因此，在降水井布置階段，井位盡可能靠近支撐邊，距支撐垂直方向約80 cm～100 cm，在運行階段，嚴禁挖機等機械設備碰撞降水井，并采取搭設輔助工作平臺進行后期的運營管理與保護。圍護平臺與第一道砼支撐相連，且平臺上設置護欄，方便上下人員及井口保護。為避免對降水效果及后期封井作業造成影響，基坑開挖過程中不得破壞降水井井管，為此，在基坑開挖過程中，將降水井沿豎直方向與支撐采用鋼筋焊接的方式進行加固處理，以此保護出露井管的結構安全。

至此，降水實施、降水監測、降水控制與保障措施模塊全部完成設計，基坑降水控制系統構建完畢。

4 工程應用

在濱江市民廣場基坑工程施工過程中，利用構建好的基坑降水控制系統對基坑進行降水處理，取得較好的降水效果。在基坑開挖作業得以干燥條件下安全、高效進行的同時，對坑周地層變形取得較好的控制效果，確保了臨近敏感建筑的安全與穩定。根據現場監測結果顯示(表1)，基坑開挖期間，周邊既有建筑變形值均在允許范圍內，地鐵車站主體最大橫向位移僅為1.93 mm，最大豎向位移僅為5.64 mm(沉降)，地鐵區間隧道結構最大橫向位移僅為2.36 mm，最大豎向位移僅為6.83 mm(沉降)，均小于設計預警值10 mm，遠遠低于設計控制值20 mm。

表1 地鐵結構變形情況 mm

5 結語

本文依托福州市濱江市民廣場基坑工程，詳細分析了臨近既有敏感建筑軟土深大基坑施工降水施工風險，總結出了判定基坑降水成功與否的兩個標準：其一，基坑開挖是否能在干燥條件下安全、高效地進行；其二，坑周地層變形(包括降水產生的沉降變形及降水不均衡產生的偏心壓力引起的側向變形)是否能得到有效控制。而后，基于兩個判別準則，構建了由降水實施、降水監測、降水控制與保障措施共同組成基坑降水控制系統，成功實現了坑內降水、坑外保持水位、兩側基坑均衡降水的目標。在工程應用中，基坑開挖期間地鐵車站主體與區間隧道結構水平位移與豎向位移均小于設計預警值-10 mm，并遠遠低于設計控制值-20 mm，實現了較好的控制效果。采用的降水方案及構建的基坑降水控制系統，可為類似工程條件的基坑降水施工提供一定參考。