临江深基坑止降水技术的探讨

2015-09-20朱海军李继承张晋华张晓辉

建筑施工 2015年11期

关键词：临江帷幕降水

朱海军李继承张晋华张晓辉

1. 中建三局集团有限公司工程总承包公司武汉 430070；2. 湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司武汉 430070

1 工程概况及工程地质条件

1.1 天悦星辰项目基坑工程概况

武汉天悦星辰基坑工程周边条件复杂，三边为市政道路，基坑南侧为规划中的地铁线路。

基坑开挖面积8 714 m2，基坑周长约423.70 m，基坑普遍挖深21.60 m，塔楼局部挖深28.10 m。

基坑总体支护方式为落底式超深地下连续墙（三墙合一）结合坑内竖向4道混凝土支撑。基坑降水采用“周边嵌岩落底地下连续墙隔水+坑内深井降水与坑外备用中深井降水”相结合的地下水处理措施。基坑内共设置27口深井降水井，井深38 m，基坑外设置13口观测井，基坑降水井平面布设如图1所示。

图1 天悦星辰基坑降水井平面布设

1.2 中国银行项目基坑工程概况

武汉中国银行基坑工程四周为市政道路，并且东侧和北侧为市内湖泊，同时基坑北侧紧邻民生银行超高办公楼，基坑周边环境非常复杂。基坑垂直开挖面积约7 590 m2，东西长约128 m，南北宽约68 m，周长约367 m。基坑普遍挖深21 m，局部坑中坑挖深23 m。

本基坑支护体系采用“三墙合一”地下连续墙作为围护体，地下连续墙既是主体结构的一部分，又作为支挡结构，同时还作为基坑止水帷幕；采用3层临时钢筋混凝土支撑作为水平支撑结构，采用临时型钢格构柱及立柱桩支承钢筋混凝土支撑。

基坑止降水采用“降隔结合”方式进行地下承压水处理设计，以确保基坑开挖和地下室施工的顺利进行，防止由于坑壁流水（砂）、坑底突涌等地下水水患而造成的周边地面和建（构）筑物的变形过大，继而引起城市次生地质灾害。基坑内设置27口降水井、3口备用井同时兼观测井，基坑外设置8口承压水观测井（图2）。

图2 中国银行基坑降水井平面布设

1.3 场地工程地质条件概述

2个基坑同属武汉汉口临江地区，场地地貌单元属长江Ⅰ级阶地。地层为武汉典型的二元地质结构，均为第四系全新统冲积成因的一般黏性土和砂土、卵石层。场地地下水类型可分为上下2层：上层为赋存于杂填土层和粉土层中的上层滞水，稳定水位埋深0.50～3.50 m，下层水为赋存于下部粉细砂至卵石层中的承压水，与长江有密切的水力联系，其水位受长江水位变化影响，水量丰富。上下层地下水因黏性土隔离而无水力联系。依据抽水试验结果，2个工程场地内孔隙承压水埋深在5.50 m左右。抽水试验测得2个工程场地内承压含水层的渗透系数为13.20 m/d和16.00 m/d，影响半径为201.76 m和251.90 m[1,2]。

2 基坑工程对比分析

1）2个基坑开挖深度、开挖面积、基坑平面形式、基坑竖向支护体系和内支撑布设形式都基本相似，开挖面积都在8 000 m2左右，基坑都为长方形，基坑都采用嵌岩地下连续墙作为竖向支护，内支撑都采用对顶撑结合角撑、边桁架的布设形式；

2）基坑所处地质环境相似，都处于临江、临湖的地质条件，所处地层都属于武汉长江一级阶地的二元地层结构，地下水分为3层：上层填土和黏性土中潜水含水层，表现为极弱的透水性，相当于隔水层。中间过渡相弱透水性承压水，承压水赋存于该层中，相对于下伏砂层，岩性为粉质黏土与粉土、粉砂互层。下层砂性土承压含水，强孔隙承压水赋存其中，该层的上部为粉砂与细砂，中底部为粗砂、卵砾石层，总体而言，该层以粉砂、粉细砂和细砂为主，其中粉砂的渗透系数为7～12 m/d，细砂的渗透系数为12～30 m/d，中底部粗砂、卵砾石层的渗透系数则更高；

3）基坑止降水采用“降隔结合”方式进行地下水处理设计：基坑止降水设计都采用嵌岩地下连续墙结合三轴搅拌桩的止水帷幕形式，在地下连续墙存在施工渗漏点时，三轴搅拌桩可以起辅助止水作用；基坑内外同时设置降水井，坑外降水井主要起备用井作用。

3 临江基坑降隔结合的降水设计研究

基坑采用落底式止水帷幕时，原则上不需要设置大量的坑内外降水井，只需要基坑内部设置少量疏干井，降低基坑内的地下水和从基坑底部强风化层渗透进入的少量地下水；但地下连续墙属于地下隐蔽工程，在基坑施工过程中，可能存在施工薄弱渗漏点，地下连续墙各槽段连接之间也可能存在地下水的渗入通道，同时嵌入深度等的不确定性都将导致止水帷幕不能完全形成竖向和坑底截水。所以基坑降水井设计时，主要为布设备用井形式，防止因地下连续墙施工问题和强风化岩面起伏较大引起的地下水渗漏及基岩裂隙渗水。

在进行基坑降水井布设时，主要采用深井减压井，降低基坑内地下水水位。基坑内外降水井布设数量和位置按敞开式基坑布设，计算时不考虑基坑的止水帷幕深度，只考虑基坑周边环境的地下水边界条件和地层的水文地质条件，如渗透系数和影响半径等。在按敞开式基坑布设出降水井数量和降水井位置后，采用经验折减系数折减，一般取折减系数为0.50；即在敞开式基坑降水井布设的基础上，坑内外折减一半降水井，但坑外折减数量较基坑内部大，降水井布设主要考虑基坑内部。基坑外降水井作备用井和观测井用，在基坑内部降水井全开情况下仍不能满足土方开挖施工要求时才允许开启坑外降水井，因在临江、临湖地区，在基坑外大量抽取地下水将对周边环境产生较大影响，造成大面积地面沉降和差异沉降[3,4]。

4 基坑止降水效果研究

为研究在武汉一级阶地临江水文地下条件下，嵌岩落底式地下连续墙止水帷幕止水效果，对基坑开挖降水过程的坑内外水位进行了持续的监测。基坑内外水位变化如图3～图6所示。

图3 天悦星辰基坑内降水井水位变化曲线

图4 天悦星辰基坑外降水井水位变化曲线

图5 中国银行基坑内降水井水位变化曲线

图6 中国银行基坑外降水井水位变化曲线

天悦星辰和中国银行项目为避汛期，都在下半年枯水期开挖，上半年汛期前封底。在基坑开挖过程中，主要开启基坑内降水井，持续降水，确保基坑内地下水水位在开挖面以下1 m，随基坑开挖深度的降低，降水深度不断增加，开启降水井数量不断增多，在基坑开挖到最大深度时，2个基坑工程降水井使用情况如表1所示。

表1 基坑降水井使用率

在地下连续墙施工质量较好，向坑内渗水不丰富的情况下，基坑内降水井设计有富余，基坑外降水井几乎没使用，只作了观测井；但基坑外降水井又不得不布设，以备在地下连续墙存在较大、较多渗水点，坑内降水井全部开启仍无法降低坑内水位时使用。因地下连续墙渗水点存在不确定性，建议基坑外降水井按一定距离均匀布设，同时坑外降水井数量可适当减少。由监测曲线图3～图6可以看出：

1）在基坑开挖降水过程中，基坑内地下水水位不断下降，且基坑内土方开挖过程中需要持续降水，并需开启一定数量的降水井，由此可以说明嵌岩地下连续墙基坑内外仍存在微弱的水力联系，并非理想的少许疏干井就可以疏干坑内水位；

2）基坑外地下水水位只在基坑开挖初期的枯水期才有所下降，在3～5月，随着汛期的来临，长江水位的不断上升，基坑外地下水水位还有上升的趋势，说明以嵌岩地下连续墙为帷幕的临江基坑，基坑内降水对坑外水位影响较小，只有在枯水期基坑降水时，坑外水位才有所降低，也只有在该阶段才产生降水引起的周边环境沉降；

3）类似于临江富水水文地质条件下的基坑工程，嵌岩地下连续墙止水帷幕是有效的止降水设计形式[5,6]。

5 嵌岩帷幕基坑外沉降评估分析

从基坑坡顶沉降监测数据可以看出，2个基坑监测坡顶沉降规律基本类似，沉降随开挖时间基本呈线性变化，总体沉降量不大。基坑坡顶紧邻地下连续墙支护体系，主要受支护体系水平位移影响，受基坑降水影响较小，总体沉降量也较小。

基坑周边管线沉降随基坑开挖持续增加，在基坑大体量开挖施工阶段，沉降变化量较大，主要对应基坑在枯水期大量抽水土方开挖阶段。因管线沉降中不仅包括基坑土方开挖水平位移引起的坑外沉降，还包括部分枯水期抽水坑外水位下降引起的沉降，所以较基坑坡顶沉降稍大。基坑周边管线沉降量相比武汉地区一般非落底式帷幕基坑外构筑物沉降要小，说明嵌岩地下连续墙止水帷幕在富水水文地质条件下对周边环境起一定的保护作用。

基坑周边建筑物沉降规律和周边管线沉降基本相似，沉降量累计增加，并在基坑开挖阶段变化速率较快；总体沉降量较小，相比武汉地区一般非落底式帷幕基坑外构筑物沉降要小。

本文统计了2个基坑工程坑外各监测类型的最大沉降值，其在各监测部位的最大沉降量基本相似，并且沉降量都不大，都在构筑物沉降控制范围之内，嵌岩地下连续墙止水帷幕在富水水文地质条件下总体止水隔水效果较好，在基坑坑内降水时，对周边环境影响较小，是临江、临湖富水水文地质条件下的有效帷幕体系。

本文还统计了离基坑不同距离沉降监测点的坑外沉降值，虽然嵌岩地下连续墙和一般敞开式止水帷幕在止降水原理上存在很大差异，但基坑外沉降规律基本相似，即：随离基坑距离的增加，沉降值先增大到峰值，随后渐渐减小，但基坑外总体沉降值不大，沉降变化及沉降差异也很小。