基坑底部臨近隔水層無法滿足降水深度要求的處理方法研究

【中圖分類號】 TU94 ⁺3.1

【文獻標志碼】 B

0 引言

在項目工程建設中基坑支護是重要一項，當地下水較淺、基坑較深時，地下水對基坑設計影響很大，快速、安全、合理地降低地下水位是基坑工程的一個難點，也是工程能否順利實施的一個重要環節[1]，一般會采用隔水帷幕或基坑降水來控制地下水對基坑的影響。一般而言，采用隔水帷幕方法施工費用相對較高，如條件允許會盡可能采用基坑降水措施。基坑降水的方法主要有集水明排、輕型井點和管井降水等，其中管井的降水深度受地層限制較小，它的優點是排水量大、降水深度大、降水范圍大[2]，適合粉土、砂土、碎石土等較多的土層場地，使用范圍較廣。

降水設計時常會遇到基坑底部距離隔水層較近的情況，采用管井降水方法進行降水設計后，管井內部水位降深可以滿足設計要求，但是基坑范圍內的地下水位無法降到設計深度，從而影響基坑開挖和基坑穩定性，因此對于基坑底部距離隔水層較近的而影響降水效果的情況值得進一步研究。

T 工程概況

1.1基本情況

唐山某礦業公司濃縮車間工程總建筑面積 2833.64m² 屬多層工業廠房建筑，結構形式為鋼筋混凝土排架結構，基礎形式為樁筏基礎，筏板厚度 2.0m ，樁基形式為鋼筋混凝土灌注樁，基坑平面形狀近似為長方形，長寬約為 43.2m× 41.7m ，最大開挖深度 8.64m ，地下水位埋深 1.6m 。

1.2 周邊環境條件

擬建工程北側有一水池，池壁距離最近承臺凈距約2.4m ;東側臨近新設計事故水池和循環水池，根據設計要求，新設計水池基礎范圍的土層不可以擾動；西側為空地，施工中作堆場，局部為深度約 1.5m 的水池，施工時廢棄不用；南側距離承臺外邊緣約 2.1m 處有一磚墻，磚墻外側為樹木綠化區域，樹齡較大，因環保政策，不便于砍伐或移栽。

1.3工程地質和水文地質條件

根據勘察報告鉆孔深度揭露地層為第四紀全新統沉積物主要有雜填土、粉質黏土、粉細砂、粉土等，;地下水位平均埋深 1.6m ，受附近洗煤廠排水影響地下水含水量豐富，主要

賦存于粉細砂土層中，為潛水。主要地層分布和性質見表1。

2基坑設計方案及降水設計

2.1基坑支護方案

原設計基坑支護方法采用放坡 + 土釘墻支護，第一級放坡坡率1:1，坡高 2.0m ，平臺寬度 2.0m ；第二級邊坡為土釘墻，坡高 6.64m ，坡率1:0.384，四排土釘，第一排土釘距離平臺 0.7m ，水平間距 1.5m ，豎向間距 1.5m ，土釘采用?22HRB400 級鋼筋，長度自上而下分別為 7m，7m，6m，5 m ，其中最下一排土釘距離基坑底部 1.44m 。基坑外部設置降水井，內部設置觀測井，兼作降水井，降水后基坑內水位至少控制在基底以下 0.5m 。

2.2 降水設計[3]

2.2.1 涌水量計算

含水層埋深取至8層粉質黏土，按工程經驗取含水層平均滲透系數 ，本工程基坑四周擬使用24眼降水井同時抽水，井間距約為 6m ，采用完整井，井底取至8層粉質黏土，井深設計為 18m 。按照潛水完整井計算，其涌水量的計算公式采用近似公式為式（1）。

式中： Q 為基坑計算涌水量 m³/d) ； H 為潛水含水層厚度， H=17.6m; s 為設計降水深度，為 10.5m;L 為濾管有效工作部分長度 1m;r_o 為等效大井半徑， 22.6m ， F 為井點系統的圍合面積面積，約為 1605m² k 為滲透系數，取 K=6.0m/d ： R 為影響半徑，由計算得 R=215.8m

將以上各數修代入計算公式得等效大井涌水量 Q= 2079m³/d 。

2.2.2單井設計流量

單井計算流量 q₁=1.1×Q/n=95.3m³/d n 為管井數量。

表1地層分布情況及其性質

單井出水量簡化計算：

式中： n 為井數取24； r 為井點至基坑中心距離，取22.6m;h 為基坑動水位至含水層底板距離，取 8.66m 。

計算得單井出水量為 79.5m³/d ，小于單井計算流量95.3m³/d ，取單井設計流量 q 為 95.3m³/d

2.2.3管井單井出能力

式中： r 為過濾器半徑，取 0.15m;l 為過濾器進水部分有效長度，取 1m;k 為含水層滲透系數，取 6.0m/d 。

計算的管井出水能力為 137m³/d ，大于單井設計流量q(95.3m³/d ），滿足要求。

3 實際施工降水情況

根據基坑設計方案進行降水施工后，降水井中水位較短時間內降至 11.5m 左右深度，并保持相對穩定，待基坑內部觀測井中水位深度低于基坑底部以下 0.5m 后進行分步基坑開挖和土釘墻支護施工。當基槽開挖至第四步土釘墻施工作業面（深度約 7.6m 時，北側和東側坡面出現滲水點且臨近基坑底部土體呈飽和狀態，無法繼續開挖施工，而其他區域邊坡和槽底未出現滲水和飽和狀土體。

4現場降水存在問題分析

根據管井降水理論，理想的降水曲線為一條完整曲線（圖1），而根據降水模擬分析，有隔水層時管井的降水曲線被分成隔水層上下兩條曲線（圖2），這與實際降水情況是一致的。由理想降水曲線可知，上層粉細砂層中的地下水需要穿越過隔水層進人下層粉細砂層，進而通過滲流進人管井被水泵抽出，但是場地實際地層中 9.3～10.5m 范圍為粉土層，滲透系數為 0.43m/d ，遠小于粉細砂層滲透系數，從而對上下層地下水產生隔水效應，上層地下水在短時間內無法有效向下穿越隔水層達到下層粉細砂層，從而無法以理論模型的方式被排出。上層土體中地下水需要通過水平和豎向滲流流入與上層粉細砂王層中有效接觸的降水井濾管中被水泵抽出，這需要上層地下水與降水井必須保持一定高度的有效滲流面(圖2)，即上層地下水必須有一定高度的水位淹沒管井才能使上層地下水達到滲流平衡，那么此時無論增大管并井徑還是增加井深都無法進一步有效降低地下水位，這是上層地下水位未能降到設計深度的主要原因。

圖1理論降水曲線

圖2有隔水層時模擬分析降水曲線

另外，對于基坑西側和南側未出現坡面滲水等情況，主要原因分析為：地下水流向為自東北至西南，西南側地下水的補給能力遠遠小于東北側，這使得西南側的有效滲流面高度較小，降水后的水位較低，從而形成東北高、西南低的水位現象。

5 處理方法

根據降水情況，主要需要解決的問題為：在保證邊坡安全穩定性的前提下將基坑范圍內的地下水將至基底以下0.5m，并且使基坑的開挖和支護順利進行。有研究提出破壞隔水層，使重力水流能夠滲透到下方含水層后通過降水井排出坑外[4]，但是此方法開挖工作量大施工難度較高，在本工程中不便開展，因此結合經濟性和安全性提出以下步驟進行處理。

首先，通過數值分析模擬并結合現場實際情況得出基坑降水實際情況（圖3），此時東北側基坑水位在基底以上1.04m ，然后在距離基坑邊線 1.5m 處埋設豎向 1.5m 深的無砂管，間距 6m ，進行基坑內部二次降水，將地下水降至基底以下 0.5m （圖4），同時采用理正深基坑軟件進行工況分析，其中基坑外側水位埋深取 7.7m ，基坑內側水位埋深取9.14m ，經計算原設計穩定性滿足要求。然后，進行基坑開挖和土釘墻施工。

圖3僅基坑外降水后降水曲線

圖4基坑內部降水后降水曲線

因基坑內部管井侵入筏板基礎范圍，筏板基礎厚 2m ，厚度較大，如果先施工筏板基礎再封堵井口，封井的難度較大，容易造成漏水現象。因此先將基坑內部管井拆除，并沿基底周邊設置HDPE盲管來降低基坑內部地下水位。盲管溝槽施工時由于溝槽外側側壁水位較高容易坍塌，開挖溝槽前在基坑底部四周扦插 ?48mm 鋼管（圖5），間距 0.5m ，隨著溝槽的開挖在邊坡側放人土工模板以防側壁土體坍塌影響開挖。

6 施工及監測結果

利用擬定的處理方法基坑順利完成基坑開挖和基坑支護施工，在基坑底部進行開挖探坑驗證地下水位降深，基坑底部水位成功將至基底下 0.5m 。沿基坑周邊共布置監測點25個，對基坑進行沉降和位移監測（表2）。監測結果顯示豎向沉降和水平位移符合相關規范[5]要求，地下水位降深滿足設計和施工要求，說明處理方法是合理可靠的。

圖5扦插鋼管效果

表2基坑監測數據

7 結束語

通過對基坑降水問題的分析研究表明存在隔水層的地層采用管井降水時，如果管井內水位深度低于隔水層，降水曲線會受到隔水層影響，無法形成理論降水曲線，隔水層上部的含水層與管井之間會存在一定高度的滲流面，這樣上層地下水水位無法繼續被降低，實際的降水效果就無法達到設計要求。通過基坑內部埋設淺部濾水管進行二次降水可以降低基坑側壁處和基坑內部的地下水水位并且滿足基坑開挖支護要求，通過對基坑內外含水層不同高度的工況分析，在保證基坑實際工況下的安全穩定性的前提下，采用合理的施工工序進行基坑支護方案的實施和運行是可行的。

隨著經濟發展，深基坑項目越來越多，基坑降水受地層分布的影響也越來越大，在兼顧安全性、經濟性兩個方面的前提下作好基坑支護設計是設計者們應當具備的重要技能；針對唐山某基坑降水遇到的問題的研究和順利解決，為相似的工程項目提供了借鑒。

參考文獻

[1] 羅志兵，基于MIDAS/GTS的基坑降水數值模擬分析[J].中國產業，2011(1），57-58.

[2] 夏海濤，管井井點降水的設計與施工[J].公路交通科技（應用技術版），2020（2），66-67.

[3] 建筑與市政工程地下水控制技術規范：JGJ111-2016［S].中國建筑工業出版社，2017.

[4] 姜榮，基坑降水遇隔水層導致重力水流無法滲透影響降水效果的處理方法研究［J].價值工程，2018（17）：141-143.

[5] 建筑基坑工程監測技術標準：GB50497－2019[S].中國計劃出版社，2019.