基坑的支护体系及降水方法

2014-12-23赵敏孙琦，2许越，3

科技视界 2014年10期

赵敏孙琦，2 许越，3

(1.西安工业大学，陕西西安710032；2.庆安集团有限公司，陕西西安710077；3.建业住宅集团〈中国〉有限公司，河南郑州450000)

0 引言

如果基坑工程中存在的地下水水位较高，又未采取一定的降水措施，那么地下水就有可能因压力过大而大量渗入基坑内。当土骨架因过大的渗透力遭到破坏时，常常会引起许多不良地质状况，如流砂、管涌、坑底突涌等，这对基坑的安全将造成很大危害，严重时甚至可能发生地层的不均匀沉降、基坑下陷、塌方等众多安全隐患。采取一定的技术手段降低地下水位，能够使基坑内外的水头差减少，从而有效增强土体强度。此外，减小基坑底部的水压力，也可以避免流砂、管涌、坑底突涌等现象的发生。因此，尤其是深大高水位的基坑工程，为了确保基坑底部的作业面干燥，减少作用在支护结构上的压力，保证工程的顺利完成，有必要预先进行地下水的抽取。本文将重点介绍基坑的支护体系和不良地质状况以及降低地下水的方法。

1 基坑开挖与支护

1.1 开挖形式

1.1.1 放坡开挖

深基坑开挖的形式方法众多，通常可分为放坡开挖、支护开挖两种类型。在设计开挖前需参考相关规范、周边建筑物要求、工程地质勘查报告等诸多因素，初步确定出技术上和经济上合理的基坑开挖方式。放坡开挖拥有经济和快捷等特点，也成为基坑工程中一种较为常见的开挖形式。

放坡开挖的适用条件应符合：

1）基坑土体性质一般为粘性土或粉土、密实碎石土和风化岩石等；

2）地下水位相对较低，或者采取了人工降水等降低地下水措施的基坑；

3）工程施工的场地需具备足够放坡开挖的空间，以避免放坡开挖对临近建筑物以及地下市政设施造成的不利影响。

为了增强基坑边坡稳定性，同时降低工程量，可以在放坡开挖的过程中可增设简易支护。

1.1.2 支护开挖

支护开挖是在通过一定的支护条件下展开的基坑施工。相比较放坡来挖，支护开挖能够适应更为复杂的工程环境，为主体结构的施工以及周边的建筑物和公共设施提供安全的保障。

支护开挖一般适用于城市建筑物密集、地下管线横纵复杂交错或不允许采用放坡的的基坑。

1.2 支护形式

1.2.1 悬臂式支护结构

悬臂式支护结构一般使用木桩、钢板桩、地下连续墙、钢筋混凝土桩等作为支护体系。依靠悬臂结构深埋土中获得的较强抗弯能力，它能够很好地保持基坑整体稳定性。悬臂式结构对开挖深悬臂式支护结构适用于土质较好、浅挖的基坑工程。

1.2.2 重力式支护结构

重力式支护结构一般分为水泥式和格构式两种。水泥式支护体系是利用水泥和其周围的土层形成的重力式挡土墙，来保证基坑的稳定性；格构体系则能够适应不同承载力。重力式支护结构同样适用于浅挖的基坑。

1.2.3 拉描式支护结构

拉锚式支护体系是由支护体系和锚杆构成。依据基坑的不同深度，可按实际情况采用单层、双层和多层锚杆。拉描式支护结构适合砂土、粘土或者基坑土体能够提供较强锚固力的基坑。

1.2.4 土钉墙支护结构

土钉墙支护是在基坑开挖的过程中，在土坡和坡面上分别设置土钉和钢筋网，并在钢筋网上喷射混凝土形成混凝土面板。土钉墙支护体系适用于开挖深度在地下水位以上的卵石土层、粘性土层、粉土层、杂填土层等地基土层。

2 深基坑工程中地下水因引起的不良地质现象

基坑开挖到了一定的深度时，当承压水的浮托力大于承压含水层顶板与基坑底部之间的土体压力时，坑底就可能产生管涌、流砂、坑底突涌等。这也是常见的地下水引起的不良地质现象。

2.1 管涌

在水位差的作用下，当深基坑中土体颗粒级配不连续，颗粒粒径差别较大，且在基坑坑底的土层中有承压含水层的存在时，渗透水流便渗入基坑土体中。在水流渗透力作用的影响下，由于土体颗粒大小不一，使得土体中某一部分的颗粒产生剧烈的不规则运动，这就导致了入渗水流把填充在土体骨架孔隙中的细颗粒带走，由此构成若干条涌水通道，即管涌（又被称作泡泉或翻沙鼓水）。随着高强度水流的冲击，当渗透水流把主渗漏涌水通道上的细粒土几乎全部被带走后，主通道双侧的细颗粒逐渐进入涌水通道，使涌水主通道渐渐扩张。涌水通道的宽度越宽，管涌持续的时间越长，越发容易产生剧烈涌水使地基变形失稳，乃至发生塌方事故。

2.2 流砂

流砂一般为细颗粒、饱和、颗粒匀称、疏松的非粘性土体较易产生的一种不良现象。土体中存在的一些松散颗粒被地下水饱和后，由于土体中水的高差，在动力水压作用下就会使这些散落的颗粒产生悬浮运动，这就意味着单位土颗粒自身向下的重力小于或等于其受到的方向向上的渗透力，即渗流力－单元体自重应力=γωi-γ′h＞0，则流砂形成。式中，γw 为水的重度，γ′为土体的浮重度。

流砂主要发生在颗粒级配较为均匀的砂性土中，同管涌差不多，也是被动水流通过一个类似管道的通道冲刷走，不同的是，流砂的发生一般是突发的，所带来的危害主要有使基础发生滑移，地面产生不均匀沉降，基坑坍塌等。

2.3 基坑突涌

基坑突涌是指在开挖基坑后，基坑底面以下的承压水水头压力大于下部不透水土层的自重应力而导致基坑底部土体突起，同时产生涌砂喷水的现象。即，H>γω/ γ′·h。式中：H 为不透水层厚度，m；γω为水的重度，kN/m3；γ′为浮重度，kN/m3。

突涌现象产生时，坑底将存在树状或网状的缝隙，使得携带地下颗粒的地下水从缝隙中突涌而来，从而地基发生“沸腾”的喷水现象，造成基坑内的地基土由于积水而遭到破坏，给边坡的稳定性带来危害。

3 降水方法以及适用条件

基坑工程中，如果基坑的底部高程低于地下水位，就有可能对工程造成影响。而预先降排地下水又有可能造成基坑周围渗流场的改变，以及地表、周围建筑物、地下管线等的变形与沉降。因此，既要保证施工的进展顺利，又要确保工程的质量达标，务必有效的对地下水进行控制。在众多的降排水方法中，其作用范围和使用条件也不尽相同。因此，在对工程足够了解，能够因降水对周围结构所带来的影响比较准确预测的前提下，正确选择合理、安全、经济的降水方案对工程的顺利完成意义重大。

目前常见的对地下水进行治理主要有降低地下水位和堵截地下水两个方面。降水方法大致分为两种类型，即集水坑明沟排水法与井点降水。其中井点降水通常包括轻型井点法、喷射井点法、电渗井点法、管井井点法以及自渗降水法等。

3.1 集水坑明沟排水法

集水坑明沟排水法指的是依靠水泵将安置于基坑里的集水井或明沟中的水抽到基坑外。在挖土面逐步下移的同时，新的开挖面需要重新设置的集水井和明沟。

集水坑明沟排水方法的适用条件是基坑开挖深度、降水深度和水量均比较小，坑壁土体相对稳固，一般不会发生管涌、流砂与坍塌等现象。

这种方法的优点在于投资小、施工和管理方便等。但也存在一定弊端：

（1）一旦地下水随着基坑的坡面冒出，很有可能出现基坑底部软化、泥泞等现象；

（2）由于坑底渗水的速度较慢从而容易影响施工进度；

（3）当土体中存在粉性土层时，则易造成地下水的潜蚀作用，从而为基坑边坡的安全带来不稳定因素。

集水井或者沟渠的截面尺寸通常是由基坑涌水量的数值确定，其涌水量必须满足式（1）：

式中：V 为排水量（m3/d）；Q 为基坑涌水量（m3/d）。

3.2 井点降水法

井点降水，是一种人为的采用各种手段来使地下水位下降的方法。这种方法是在基坑工程的开始阶段，在基坑周边设置若干口滤水管（井），使用降水装置连续地抽水，使基坑范围地下水位低于设计深度，这样能够一直维持所挖土体的干燥状态。

井点降水方法的特点在于适用于各种不同类型的基坑，并且能够有效阻止流砂等不良地质状况，保持基坑的稳定性。再加上井点降水方便机械施工，工期短，成为目前广泛使用的降水方法。如今普遍使用的井点降水的类型有：轻型井点、喷射井点、电渗井点、管井井点等。

3.2.1 轻型井点降水

轻型井点降水法是随着基坑的周边或单侧把半径较细的井管置入比基坑的含水层略深的位置，然后将井管上部和总管对接。依靠总管联通排水设施将地下水从井管内连续地真空抽出，从而将初始的地下水位控制在基底以下。

轻型井点降水的作用原理是在抽水力与重力共同影响下，使得在真空区域范围以外的地下水和井点地下水之间构成水头差，引起地下水位的降低。

轻型井点降水适用于降水的深度、面积均不大，弱透水性或中等透水性含水层的基坑降水。

轻型井点降水具备的优点有：

（1）材料设备简单，方便操作，易于维护、管理；

（2）能够降低基坑边坡坡率，减少基坑开挖产生的土方量；

（3）已完成的基坑施工环境良好，各项工序施工便捷，大幅提升了基坑施工的效率；

（4）已完成的基坑坑内整洁、干燥，从而使得基坑底部的承载力有所增强；

（5）特别是应用于软土路基，且地下水比较充沛的区域，施工效果更加明显。

3.2.2 喷射井点降水

喷射井点降水是在井点管中设置特殊的发射装置，依靠抽水设备和空气压缩机产生高压，或通过压缩空气产生的水汽射流，继而把井点内、外管之中的空隙全部排出。

喷射井点降水方法适用广泛、使用设备简单，排水深度大，最大可达20 米，比多层轻型井点降水使用的设备不多，基坑土方工作量少，工期快，成本低。它适用基坑开挖较深、降水深度大于6 米、土渗透系数为0.1～20m/d 的填土、粉土、黏性土、砂土中使用。

3.2.3 电渗井点降水

电渗井点排水是采用轻型或喷射井点管，沿基坑外边缘设置，以钢管（φ45-70mm）或钢筋（不小于φ20mm）作为阳极，以自身作为阴极，垂直埋置于井点之中。阴阳两极用电线串联为回路，并对阳极两极分别作用强交流电电流。采用降低电压比的方法使拥有负电离子电荷的土体颗粒朝着阳极缓慢地游离（即电泳作用）；则拥有正电离子电荷的孔隙水朝着阴极不断集聚，引发电渗现象。在真空和电渗的共同影响下，强制粘土中的水在井点管周围快速聚集，并依靠井点管迅速抽出。通过这样的方法使井点管不断地排放地下水，随着水位缓缓下降，电极之中的土层便形成止水帏幕，能够抵抗地下水从四周向坑内涌入。

采用电渗井点降水的条件通常为渗透系数不大于0.1m/d 的饱和粘土、粉质粘土。

3.2.4 管井井点降水

管井井点降水是通过钻孔，沿基坑边缘每间隔一段距离便安置一个管井，各个管井均独自使用一台抽水设备持续抽取地下水以达到水位下降的方法。

这种降水方法的优点在于设备简单、排水量较大，能够起到多组轻型井点的共同作用。此外，将水泵设置于地表，便于维护、修理。

管井井点降水工艺常用于渗透系数不小于（20～200m/d）、降水深度和降水面积较大的中等透水性或强透水性含水层，以及地下水含量储存充沛，或明沟排水法易导致土体颗粒流失量较大，易发生边坡坍塌基坑工程。