超深基坑中承压水减压降水应用

赵敬法，杜耀进，沈竹骏，李 凯

ZHAO Jingfa，DU Yaojin，SHEN Zhujun，LI Kai

(浙江省建工集团有限责任公司，浙江 杭州310012)

1 工程概况

某银行工程位于杭州市钱江新城核心区。该工程总建筑面积约9 万m2，高度近100 m，地上22 层，地下室5 层，基础底板底大面标高为-24.400 m，局部电梯井坑中坑底标高为-30.000 m。地下结构采用基坑围护与地下室外墙相结合“二墙合一”式地下连续墙(设计厚度1 m，深度62～65 m，设计将承压含水层隔断)，并结合五道钢筋混凝土水平内支撑的围护结构体系。 ±0.000 m 相当于85 高程绝对标高7.30 m。

2 工程地质及水文地质条件情况

2.1 工程地质

根据钻探揭露及原位测试和室内试验结果，依据工程特性及成因条件，将场区地基土划分为9 个工程地质层，22 个亚(夹)层，各层的厚度、分布规律，以及减压井和围护剖面详图见图1。

2.2 水文地质

拟建场地潜水主要赋存于上部①填土层及②粉土、砂土层中。本次详勘期间测得潜水水位埋深在2.60～3.90 m，相当于85 国家高程2.38～4.25 m。年水位变幅约1～3 m。拟建场地承压水主要分布于深部的⑩-1 粉砂和○12层砂砾层(本工程○12层砂砾层的综合渗透系数取用1.0×10-1cm/s)中。本次详勘期间在承压水抽水试验孔中测得承压水头埋深8.4～8.8 m，相当于85 国家高程-1.56～-1.96 m。区域承压水年变幅3 m 左右。

3 降水目的及思路

3.1 降水目的

根据本工程的基坑开挖及基础底板结构施工的要求，降水设计的目的为:及时降低下部承压含水层的承压水水头高度，防止基坑底部突涌的发生，确保基坑在水下开挖之前的干开挖施工时坑底的稳定性。

3.2 承压降水思路及要求

(1)针对中等液化及轻微液化地层，及时消除液化，保证基坑开挖顺利进行;

(2)严格控制承压水降压，减少不均匀沉降，防止围护墙水平位移过大，造成变形;

(3)针对承压含水层的特点，根据合理的降水井布置原则，使降压结果达到预定效果;在本基坑内设计减压深井，合计10 口(水平间距控制在20～30 m 之间)。

图1 减压井剖面详图

要求:由于本项目面积大，地质起伏大，且承压水随季节变化大，施工前应进一步作调查研究试验，编制专项降水方案，以确保基坑及周围环境安全。施工过程中可根据工程进度、监测数据及基坑降水实际情况，调整井点。地下墙施工完成后，土方开挖前须进行承压水抽水试验，以检验地下墙封闭承压含水层的效果，及时调整降水方案。

4 基坑承压水抗突涌简要分析

基坑开挖后，基坑底部距离承压含水层顶板距离减小，相应的承压含水层上部土压力也随之减小;当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力可能小于其含水层中承压水顶托力，导致基坑底部失稳，发生突涌现象，严重危害基坑安全。因此，需要对基坑在开挖过程中的开挖面稳定性进行验算。基坑底抗突涌验算示意图见图2。

图2 工程基坑底抗突涌验算示意图

基坑底板稳定性验算:基坑底板的稳定条件为基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即

式(1)中:h 为基坑底至承压含水层顶板间距离，m;

γs为基坑底至承压含水层顶板间的土的重度，本次计算取平均值得19 kN/m3;

H 为承压水头高度至承压含水层顶板的距离;

γw为水的重度，取10 kN/m3;

Fs为安全系数，一般为1.0～1.2，本工程取1.10。

根据上述公式计算，结果为需降水位≥11.0 m。

5 基坑承压水降水计算简要分析

根据周边一些地铁站线路等相关类似工程建设中发现的一些该地区圆砾层地下水井流的渗流规律，对基坑渗流理论是一个很好的完善。类似工程的施工经验和承压水减压技术及风险控制技术的施工经验均对本工程具有重要参考比较价值。

5.1 减压降水计算

本工程设计地下连续墙将含水层全部隔断。由于圆砾层承压水水量极为丰富，基坑开挖深度深，根据地下水渗流的特点:向压力小的薄弱区涌动释放，给基坑施工带来很大风险。本基坑承压水减压方案设计的重点也是方案设计的难点在于井位布置，安全控制承压水位，地下工程承压水危害综合治理技术和风险控制系统尤为重要。

5.1.1 地层及水文降深要求 承压含水层为砂层和圆砾层组成的承压含水层组，渗透性好，水量丰富。含水层顶板埋深约35 m，厚度为25 m 左右。

5.1.2 基坑涌水量的计算 根据浙江省标准《建筑基坑工程技术规程(DB33/T 1008—2000)》［1］，按照均质含水层承压水非完整井进行验算，基坑涌水量公式为:

式(2)中:Q 为基坑涌水量，m3/d;

K 为渗透系数;

M 为含水层厚度;

l 为滤水管长度;

r0为基坑等效半径，矩形基坑为0.29(a +b)，其中a、b 为基坑的长和宽，其中A 为基坑面积——适合标准段二及北端头井部位;

基坑涌水量计算简图见图3。

图3 基坑涌水量计算简图

含水层厚度取25 m，综合渗透系数(各项异性的综合)100 m/d，减压井滤水管长度10 m，基坑长99 m，宽67 m，设计降深11 m。

5.1.3 计算结果 由以上公式估算得到基坑涌水 量，见表1。

表1 基坑涌水量

5.1.4 降水井数量估算 该种地层透水性好，围护隔断承压含水层，单井涌水量减少，初步按照600 m3/d(已按1.1 系数考虑)估算整个基坑约需要布置承压水减压井的数量。见表2。

表2 随压水减压井数量

以上计算为理论计算结果，计算过程采用了较多的假设与经验，现场施工时，必须进行抽水试验，检验降水方案的科学合理性，必要时调整降水井的数量和结构。

5.2 本工程承压井位布置

坑内共布置减压井10 口。井位应尽量布置在围护结构转角，接缝较难处理的地方及其根据围护结构施工的具体情况，有意识地将井位靠近接缝质量受到施工影响的地方。此初步方案设置降水井的深度约为45 m，统一深度。井管采用直径为273 mm 的钢制井管(管壁3 mm 厚，如遇到地下水腐蚀较强情况可适当增加管壁厚度)，井管采用强度高的钢制井管，坑内降水井在第一道支撑和圈梁上打设安全平台，基坑开挖的过程中，注意井管保护，防止再遭到破坏。降压井平面布置图见图4。承压井剖面布置图见图5。

图4 降压井(Y1～Y10)平面布置图

图5 承压井剖面布置图

说明:减压井布置根据现场支撑结构及工程桩等现场实际进行布置，间距不大于30 m。Y2～Y4平台在第四道支撑上搭设。

6 承压井施工要求要点［2］

本工程成孔的施工机械设备选用8QZJ-400 及GPS-10 型工程钻机及其配套设备。成孔时采用反循环回转钻进泥浆护壁的成孔工艺。

6.1 深井材料要求

(1)井壁管 钢制井管井壁管均采用焊接钢管。降压井(含观测备用井)采用外径为φ273 mm钢制管。

(2)过滤器(滤水管) 降水井分段设计，所有滤水管外均包一层30～40 目的尼龙网，滤水管的直径与井壁管的直径相同。

(3)沉淀管 沉淀管主要起到过滤器不致因井内沉砂堵塞而影响进水的作用，沉淀管接在滤水管底部，直径与滤水管相同，其中疏干井沉淀管长度为1 m，降压井沉淀管长度为2 m，沉淀管底口用铁板封死。

6.2 技术要求

(1)井口 井口应高于地面以上0.30 m 左右，以防止地表污水渗入井内，一般采用优质黏土，其深度不小于2.00 m。

(2)填滤料(中粗砂) 降压井的滤水管部位围填磨圆度较好的滤砂(中粗砂)，填入部位从井底向上至过滤器顶部以上3.00～7.00 m。

(3)填黏性土封孔 在黏土或滤砂的围填面以上采用优质黏土填至地表并夯实，并做好井口管外的封闭工作。

6.3 降水井质量验收标准

(1)井身偏差 井身应圆正，井的顶角及方位角不能突变，井身顶角倾斜度不能超过1°。

(2)井管安装误差 井管应安装在井的中心，上口保持水平。井管与井深的尺寸偏差不得超过全长的正负千分之二。

(3)井水含砂量抽水稳定后，井水含砂量不得超过二万分之一(体积比)。

(4)井中水位降深 抽水稳定后，井中的水位处于安全水位以下。

7 抽水试验简介

7.1 抽水试验目的

本次降水工程涉及的承压含水层主要为圆砾石层，该层含水量丰富，同时基坑开挖深度较深，要求降低承压水水头幅度较大，因此本工程降水工程难度高、风险大。为了确保基坑工程安全、验证降水方案可行性及后期降水方案优化，在正式降水方案之前需要进行基坑外实地抽水试验。(1)确定承压含水层的地下水位，单井降水水量及水位降深情况;(2)确定圆砾层降水井的结构设计;(3)实测停止抽水后水位恢复速度，确定后期降水方案及现场风险控制。

7.2 抽水试验内容

(1)了解场地内承压水水位变化。

(2)直接测定管井实际涌水量，绘制涌水量与水位降深的关系曲线。

(3)测定各观测井水位数据，计算相关的水力参数。

(4)模拟计算基坑降水设计。

7.3 试验设备

试验设备主要包括:

(1)抽水设备深井水泵2 台;

(2)测绳2 根;

(3)流量表及三角堰。

8 降水运行管理

(1)在基坑正式开挖时，基坑内的疏井应在基坑开挖前两至三周进行预抽水，做到能及时降低连续墙内基坑中开挖范围内土体中的地下水位;

(2)做好基坑内的明排水准备工作，以保证基坑开挖时遇降雨能及时将基坑内的积水抽干;

(3)抽水需要每天24 h 派人现场值班，并做好抽水流量记录;另外需24 h 值班监测自动水位采集系统，以免出现错误;

(4)降压井要配备独立的电源线，整个降水过程中应备有双电源(降水运行前降水工人应熟悉现场用电布置，以确保降水连续进行，避免因供电无法保证造成井底突水);

(5)降压工作应在地下构筑物施工至上覆土压力和下伏承压含水层的顶托力平衡后才能停止降水;

(6)降水结束提泵后应及时将井注浆封闭，补好盖板。

坑内降水井井管保护技术措施如下:

(1)井位尽可能靠近支撑边，沿支撑的垂直向离支撑约800～1000 mm;

(2)井管口设置醒目标志，做好标识工作;

(3)随着基坑开挖深度的不断加深，井管的暴露长度不断加大，井管沿纵向与每道支撑要及时焊接钢筋加固。

9 承压水降水运行风险控制

承压水是本基坑工程重要的风险源，尤其承压井的持续运营，是本基坑成败的关键，必须加以足够的重视。

为能确保基坑开挖过程中减压井水井的连续运行，须根据抽水状况配备备用电源，并确保备用电源与备用物资(水泵、电缆、排水管及相关材料)能及时投入使用。同时根据水土压力的平衡关系，在基坑开挖至需承压水降水的临界开挖深度之前，应结合基坑的开挖工况和支撑体系制定减压降水运行工况表，随着开挖深度的加深逐渐降低承压水水头。

根据本工程降水的难度与风险，本工程采用了“降压井运营风险控制系统”，该系统针对降承压水风险采取了一系列针对性控制措施。该系统的主要功能和组成有(1)双电源智能化切换系统;(2)现场报警系统(①水位异常报警系统;②断电报警系统);(3)备用井自动开启系统。作业时需要搭设降压井运行平台，并派专人(本项目要求至少2 人)进行管理。本工程承压井运行一年多时间均未发生异常情况，确保了基坑开挖的顺利进行。

1 0 结 语

该银行工程在基坑作业中，通过场地内布置的10 口承压井进行深井降水作业，保证了基坑作业安全进行。通过检测单位的数据显示，相关数据均在安全标准内，保障了施工的顺利进行，为完成建设任务打下了坚实的基础，也为今后类似工程降水减压积累了宝贵的经验。本工程地下室5 层已于2014年5月顺利完成，主体结构已于2014年12月结顶，目前正处于装修施工阶段。

［1]浙江省建筑设计研究院，浙江大学土木系. DB33/T 1008—2000 建筑基坑工程技术规程［S］. 杭州:浙江省标准设计站，2000.

［2]龚晓南，高有潮.深基坑工程设计施工手册［M］. 北京:中国建筑工业出版社，1998.