地下水控制措施對基坑穩(wěn)定性的影響分析

呂良春

（常德市建筑設(shè)計院有限責(zé)任公司，湖南 常德 415000）

0 引言

基坑在深挖過程中，由于改變了地下水流態(tài)，影響基坑內(nèi)建筑施工，因此地下水監(jiān)測是基坑監(jiān)測必不可少的一項內(nèi)容[1-2]。紀(jì)佑軍、陸建生、周火垚等均對基坑降水提出了有效措施[3-4]。該文主要結(jié)合工程實例簡要分析了地下水控制措施對基坑穩(wěn)定性的影響，以期為相似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑工程概況

擬建常德市益高（小西門）棚改“清華沅澧”二期工程位于武陵區(qū)武陵大道與建設(shè)路交匯處西北角，南鄰建設(shè)西路，東鄰在建一期工程，西面、北面紅線外緊鄰規(guī)劃道路及居民小區(qū)。由常德市沅澧城市發(fā)展有限公司投資開發(fā)。

該項目為大底座商品房建筑，地下室層數(shù)為2層（局部一層），地下室±0.000標(biāo)高為34.15m，現(xiàn)狀地坪標(biāo)高約33.00m，基坑底板開挖面高程22.80m（1號樓范圍28.10m），基坑開挖深度5.6m～10.20m，基坑安全等級為一級，為超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項工程。

1.2 場地巖土條件

據(jù)鉆探揭露，各層土的地質(zhì)情況見表1，具體結(jié)果如下。

表1 基坑土層性質(zhì)

雜填土①：灰褐色，松散狀，濕，該層土質(zhì)分布較均勻，堆積時間10年以上，已完成自重固結(jié)。層厚度1.30 m～1.50 m。

淤泥②：黑色，流塑狀，局部軟塑狀，含水飽和。該層厚度0.80 m～3.00 m。

粉質(zhì)黏土③：褐黃色，可塑狀。干強度和韌性中等，搖振無反應(yīng)，土質(zhì)均勻性一般。該層厚度1.70 m～5.20m。

粉土④：黃褐色，密實狀，濕。干強度、韌性中等，搖震反應(yīng)中等。該層厚度1.00 m～3.50m。

粉砂⑤：褐灰色，濕，松散狀，粒徑以0.075 m～2 mm為主，含量約60%。該層厚度0.60 m～3.80 m。

圓礫⑥：灰色，含水飽和，中密狀，局部密實狀，磨圓度Ⅱ～Ⅲ級，級配較好。該層厚度大于40.90 m。

2 地下水對基坑穩(wěn)定性分析

2.1 地下水特性分析

對工程有影響的地下水為上層滯水及承壓水，場地地下水對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性。

上層滯水：主要賦存于上部填土孔隙中，補給來源為大氣降水、生活排水及地表水滲入補給，靠自然地表蒸發(fā)徑流排泄為主，其水位變化較大，無統(tǒng)一自由水位，水位隨大氣降水及地表排水強度波動。

承壓水：主要賦存于第四系粉砂及圓礫層孔隙中，與沅江（距離擬建場區(qū)南側(cè)約500 m）有水力聯(lián)系，并相互補給和排泄，其水位受沅江水位控制，并隨沅江水位的漲落而升降。沅江洪水期地下水位升高，承壓水接受沅江水補給，枯水期承壓水向沅江排泄。勘察期間水位埋深約1.0 m，水位標(biāo)高約31.00 m。據(jù)調(diào)查，最高水位標(biāo)高31.50 m，最低水位標(biāo)高25.50 m，變化幅度在6.00 m左右。圓礫含水層透水性強，富水程度中等。

2.2 基坑穩(wěn)定性分析

該基坑兩層地下室位置采用雙排樁支護，驗算嵌固穩(wěn)定性。雙排樁嵌固穩(wěn)定計算如公式（1）所示[5-6]。

式中：Ke為嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)；Eak、Epk分別為基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；aa、ap分別為基坑外側(cè)主動土壓力、基坑內(nèi)側(cè)被動土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；G為雙排樁、鋼架梁和樁間土的自重之和（kN）；aG為雙排樁、鋼架梁和樁間土的重心至前排樁邊緣的水平距離（m）。

計算結(jié)果見表2，要求嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)大于規(guī)范值1.25。由表中可以看出，當(dāng)?shù)叵滤恍∮?5.50 m時，嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求。水位越低，嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)越大。安全系數(shù)的提高主要來自于水位下降，水壓力較小，有效應(yīng)力增加，主動土壓力減少，被動土壓力增大。隨著地下水位下降，土體抗剪強度也會適當(dāng)提高，對基坑嵌固穩(wěn)定安全系數(shù)同樣也有增益作用。該工程選擇枯水季節(jié)施工，設(shè)計最大降深5.7 m，降水難度和費用降幅明顯。

表2 不同地下水水位對基坑穩(wěn)定性影響

3 地下水控制設(shè)計方案

該基坑兩層地下室位置采用雙排樁支護，單層地下室地段及單排樁支護方案，同時驗算整體穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性。為控制支護結(jié)構(gòu)位移布置錨拉樁。采用懸掛式豎向止水帷幕結(jié)合管井降水進行地下水控制設(shè)計。

3.1 地下水控制原理

3.1.1 地下水控制要求

如果在基坑施工期間，水資源豐富，造成施工期間邊坡坍塌和基坑底部流土，應(yīng)對地下水水位進行控制，保障基坑安全。該工程中地下水控制在基坑中的主要目的如下：1）保證開挖作業(yè)區(qū)域干燥。如果基坑附件地下水較豐富，很容易滲入開挖作業(yè)區(qū)域，給施工帶來不便。為保持開挖作業(yè)區(qū)域干燥，建議將地下水位降至開挖基底標(biāo)高0.5 m以下。2）防止地下水水和側(cè)壁土體流失。在開挖地下水較豐富的土層時，如果側(cè)壁不采用防水帷幕或采用了防水帷幕但施工質(zhì)量較差，地下水會從側(cè)壁滲入開挖區(qū)域。如果泄漏量很大，整個基坑邊坡都可能失穩(wěn)。因此該工程采用高壓旋噴樁作為豎向止水帷幕。3）避免基坑發(fā)生流土、管涌。該工程基坑底部有承壓水含水層，通過設(shè)置管井降低地下水位，可有效避免流土、管涌破壞。為保證地下水位穩(wěn)定，在降水過程中必須控制地下水抽排速率。

3.1.2 地下水控制關(guān)鍵要素

3.1.1.1 降水方式

各降水方法的對比見表3[7-8]。降水系統(tǒng)和排水系統(tǒng)的平面配置應(yīng)根據(jù)基坑輪廓、場地條件和建筑條件確定，不影響后續(xù)施工。降水井宜設(shè)置在基坑的四周，并以一定間隔形成封閉系統(tǒng)。在地下水流速較大的情況下，可適當(dāng)增加地下水負(fù)荷側(cè)附近的降水井?dāng)?shù)量。對大型深基坑工作面來說，可在基坑中添加降水井。通過預(yù)測當(dāng)?shù)厮缓蛢?yōu)化降水方案，確定井的數(shù)量、井深、井的間隔距離和井的最終位置。

表3 常用地下水控制降水方法

在該工程中，考慮到基坑面積較大且降深較大，含水層為強透水層，結(jié)合本地經(jīng)驗采用管井方式降水。

3.1.2 止水帷幕

當(dāng)基坑底面低于地下水位較多時，采用單一的開放式降水措施，將對場地周邊既有建構(gòu)筑物和地面造成較大的沉降變形，因此實際工程中均結(jié)合止水帷幕采取降水措施。常用的止水帷幕形式可分為懸掛式止水帷幕、落底式止水帷幕和水平封底止水帷幕[9]。

該工程采用懸掛式止水帷幕。該隔水方式能夠?qū)⑸蠈訙艚^，防止出現(xiàn)因側(cè)壁水土流失導(dǎo)致地面塌陷。同時豎向止水帷幕改變了承壓水滲流路徑，通過結(jié)合坑外設(shè)置回灌井可以有效減少降水對周邊環(huán)境的影響。

3.2 地下水控制設(shè)計

3.2.1 止水帷幕設(shè)計

止水帷幕設(shè)計使用年限1年，設(shè)計時地下水位采用枯水期平均水位28.00 m。

3.2.2 豎向帷幕高壓旋噴樁

高壓旋噴樁樁長根據(jù)滲流穩(wěn)定計算確定。虛擬樁徑1200 mm、樁長15 m、孔徑130 mm、樁中心距800mm、樁身混凝土28天強度2 MPa、帷幕厚度不小于1m。材料：32.5普通硅酸鹽水泥。

3.2.3 高壓噴射注漿技術(shù)參數(shù)：三重管法

水壓力25MPa～30MPa，流量80L/min～120L/min，噴嘴孔徑2mm～3.2mm，噴嘴個數(shù)1～2個，空氣壓力0.5MPa～0.7MPa，流量0.5m3/min～2m3/min，噴嘴間隙1mm～3mm；漿液壓力0.5MPa～3MPa，流量70L/min～150L/min，噴嘴孔徑8mm～14mm，噴嘴個數(shù)1～2個。

3.2.4 漿液密度

漿液采用強度等級為32.5級的普通硅酸鹽水泥攪拌制成，漿液密度1.5 g/cm3。水玻璃摻量為水泥質(zhì)量的1%～2%，水玻璃模數(shù)2.4～2.8，濃度35-45Be（波美度）。水灰比1∶1.0。

3.2.5 注漿管提升速度

旋噴提升速度為7cm/min～14cm/min，旋轉(zhuǎn)速度為11n/min～18n/min。高壓旋噴應(yīng)全孔連續(xù)進行，如果中途拆卸噴射管，則應(yīng)進行復(fù)噴，豎向搭接長度不小于200mm，供漿正常的情況下，孔口回漿密度變小且不能滿足設(shè)計要求時應(yīng)加大進漿密度。豎向帷幕高壓旋噴樁施工停機面標(biāo)高33.0m，停漿面標(biāo)高25.0m，樁底標(biāo)高18.00m。

3.3 實施方案

該工程采用封閉式地下水控制方案（圖1），基坑側(cè)壁采用單排高壓旋噴樁與支護樁之間的堵縫樁形成懸掛式豎向止水帷幕，基坑內(nèi)布置18口降水井，基坑周邊布置4口回灌井。

圖1 封閉式地下水控制方案

豎向懸掛式止水帷幕與管井降水、回灌井形成一個完整的地下水控制系統(tǒng)。基坑面積15200m2，基坑總涌水量20500m3（將群井按大井簡化，采用淺水非完整井計算公式計算），單井出水量50m3/h～70m3/h，有序地排入周邊地下管網(wǎng)。其中集水井平面圖如圖2所示，集水井和排水溝相連接，用磚砌結(jié)構(gòu)進行圍擋，集水井通過收集降水井排出的地下水，并通過排水溝排出。

圖2 集水井平面圖（單位：mm）

基坑中布置降水井18口，將水位降至22.3 m以下，單井出水量50 m3/h ～70 m3/h，要求抽水時含砂量小于萬分之一。降水井及回灌井井徑600 mm，平均井深18 m～20 m，鋼制井管直徑325 mm，管外填黏性土（黏土球）或礫，過濾器長度8 m，外纏絲并包100目濾網(wǎng)。其中排水溝如圖3所示，排水溝周圍為磚砌結(jié)構(gòu)，高度為30 cm，底部混凝土墊層增加排水溝穩(wěn)定性，并并水泥砂漿進行抹面，防止排水溝滲水。

圖3 排水溝截面圖（單位：mm）

4 地下水控制方案效果驗證

為了驗證地下水控制措施，對基坑結(jié)構(gòu)進行檢測，檢測項目如下：基坑頂部水平位移和豎向位移、深層水平位移、錨桿內(nèi)力、地下水位、周邊建筑（豎向位移、傾斜和水平位移）、周邊建筑地表裂縫、周邊管線變形。具體監(jiān)測結(jié)果如下：1）冠梁、橫梁無裂縫出現(xiàn)。2）止水帷幕無開裂、滲漏。3）樁頂無裂縫、沉陷及滑移。4）基坑無涌土、流沙、管涌。5）基坑周邊建筑及路面無新增裂縫出現(xiàn)。6）沉降和樁頂水平位移未超過規(guī)范限值。由此可知，該工程中地下水控制方案可行。由此可知，該工程中地下水控制方案可行。

表4為地下水水位變化，由表中可以看出剛開始地下水位下降速率較快，速度約為0.5 m/天～0.6 m/天。在降水中期，降水速率大概為0.2m/天～0.4m/天。降水15天時，地下水降水基本穩(wěn)定，水位控制在22.3 m左右。由表3可以看出本次降水方案可行。

表4 地下水水位變化

5 結(jié)語

該文針對地下水對基坑穩(wěn)定影響問題進行研究，結(jié)合實例分析了在降水和支護條件下，地下水對基坑的穩(wěn)定性的影響。可以得到下列結(jié)論：1）地下水控制設(shè)計是基坑設(shè)計中必不可少的環(huán)節(jié)，合理的地下水控制方案可以大大節(jié)約工程造價，其中施工季節(jié)的選擇及合理的降水系統(tǒng)布置是方案成功的關(guān)鍵。該文推薦采用枯水期水位作為地下水控制水位。經(jīng)過實例驗證該水位不僅能夠滿足工程安全性要求，同時施工難度和復(fù)雜程度適宜。2）隨著地下水水位降低，基坑穩(wěn)定性逐漸增加，基坑安全性也隨之提高。但是地下水水位過低會增加工程降水費用，同時會造成地下水資源的浪費。應(yīng)采取有效措施（回灌等）防止坑外地下水驟降帶來的建構(gòu)筑物及地面沉降。