某深基坑工程地下水防治方案分析

2016-09-03孙旭霞李书轮

浙江建筑 2016年8期

关键词：承压水潜水含水层

陈刚，吴波，孙旭霞，李书轮

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

某深基坑工程地下水防治方案分析

陈刚，吴波，孙旭霞，李书轮

（中交第二航务工程勘察设计院有限公司，湖北武汉 430071）

结合临海富水复杂场地深基坑工程地下水防治方案分析的案例，采用定性与定量评价的方法分析了场区上层潜水、下部承压水对基坑工程的危害，并提出了针对性工程治理建议。本研究具有较强的实用价值，可供工程实践参考。

深基坑；水文地质；隔渗帷幕；降水

某滨海LNG接收站取水口地下结构工程，水文地质环境极为复杂、地下水丰富，地下水治理措施的有效性成为严重制约该深基坑工程能否顺利实施的关键条件。基于当时之需的工程建议，整理成文，以供类似工程地下水防治方案策略或技术管理之参考，或为相互学习之拾遗补缺。

1 工程概况

该基坑工程开挖深度14 m，面积约1 900 m2。基坑平面呈锥形布置，锥形基坑顶端为连海水进水管涵的接口，底宽约50 m，锥高约62 m。基坑平面布置见图1。基坑支护拟采用地下连续墙加内支撑结构。

图1 基坑平面布置图

2 水文地质条件

该基坑场地为滨海浅滩吹填造陆形成，基坑影响范围的水文地质层自上而下概括为4层：

①上部吹填土潜水含水层，厚度约12 m，顶底标高+6.0～-6.0 m。该吹填土以粉细砂材料为主，夹杂淤泥、淤泥质黏性土；受潮汐影响，潜水水位标高在+1.0～+4.0 m波动，水位变幅约3.0 m。

②基底黏性土隔水层，厚度约11 m，顶底标高-6.0～-17.0 m。

③下卧粉细砂承压水含水层，厚度约15 m，顶底标高-17.0～-32.0 m；受潮汐影响，承压水水位标高在+1.5～+3.0 m波动，水位变幅约1.5 m。承压水水头高度可达20 m，基坑内承压水水头差可达11 m。

④承压水底板下卧黏性土隔水层，顶标高约-32 m。

典型水文地质剖面与基坑设置示意见图2，主要水文地质层基本特征参数见表1。

图2 典型水文地质剖面与基坑设置示意图

表1 水文地质层基本特征参数

3 地下水对基坑的不利影响分析

3.1 上部潜水的不利影响

该地下水含水层介质主要以粉细砂填料为主，透水性较好，中—强透水性。尽管该含水层夹杂了大量不规则分布的弱透水性淤泥、淤泥质土，导致储水性和导水性略有降低，但总体仍表现为富水含水层特征。另该含水层北侧边界直接临海，与海水沟通良好，地下水水位受海水潮汐起伏控制（最高潮位5.8 m，平均高潮位3.8 m，最大潮差4.4m），愈临近海侧影响愈明显。

该基坑紧邻海侧，水源补给充分，潜水对基坑作业不利影响明显。若基坑在不设防渗或降水措施的情况下开挖，定会有大量潜水涌入基坑，施工将无法正常进行；若继续强行施工则只会带来坑壁水土流失，加剧周边地面沉降，甚至坑壁土体失稳，进而威胁基坑安全的事故发生。

故该基坑施工开挖之前，应预先制定，并落实好潜水危害防治的有效工程措施，以避免工程反复。

3.2 下部承压水的不利影响

该地下水含水层介质主要为粉细砂，物质组成及颗粒特征稳定，富水，中—强透水性，承压。其对基坑的潜在不良影响主要表现为基底破坏式地下水突涌、冒砂，水土流失，基坑大量涌水而无法正常施工。若此情况发生而仍不采取挽救措施，继续强行施工，则只能进一步加剧基坑地基、周边地基的水土流失，加剧基坑变形，严重威胁基坑及周边建构筑物的安全。

故当基坑以下分布承压含水层时，首先应评估基坑的抗渗稳定性即承压水突涌的可能性，并相应制定预防或治理对策。

基坑抗渗透稳定验算：

式中：Kty为突涌稳定安全系数，不应小于1.1；

D为承压水含水层顶面至基坑底部的土层厚度；

γ为承压水含水层顶面至基坑底部土层的天然重度，或厚度加权平均天然重度；

△h为基坑内外的承压水水头差；

γw为水的重度。

该基坑底部隔水层土层厚度约9 m，承压水水头差11 m，验算结果基坑抗渗透稳定系数＜1.0，不满足基坑突涌稳定要求，需采取控制承压水突涌的有效工程措施。

4 地下水防治方案

影响基坑的地下水主要为上部潜水和下部的承压水。这两层地下水为隔水层分割而各具特点，互不干扰，对基坑的影响方式也不尽相同，故宜区别对待，分层治理。

4.1 上部潜水的防治

上部潜水含水层底板标高-6 m，基坑底部标高-8 m，含水层悬置基底之上，单一降水措施将难以达到截流效果，应以隔渗帷幕截水防治思路为主。隔渗帷幕系采用水泥浆注浆、或高压旋喷桩、或水泥搅拌形成的连续墙体［2］，以地下防渗为主要目的地下结构或类似结构。该基坑支护结构采用钢筋混凝土地下连续墙结构，作为支护结构可兼顾隔渗帷幕功能，切断潜水的补给路径，应为治理该潜水较理想方案。

治理方案建议：截水防治为主。利用支护结构的地下连续墙作为隔渗帷幕，深入潜水底板以下截断潜水补给，坑内余水采用积水坑（井）抽排或疏干。

4.2 下部承压水的防治

由于基坑渗透稳定验算不满足要求，需主动采取基坑承压水突涌控制措施来保证基坑施工的安全运行。方法可采用降水控制承压水头、或采用隔渗帷幕切断水力传递、或加固基坑地基抵抗水压。

降水方案，系依据地下水渗透原理通过抽排地下水，降低基坑内的水头压力，消除承压水突涌给基坑施工带来的风险。优势在于方法可控、投资节约；缺陷在于降水运行期间会引起一定的周边地面沉降。

隔渗帷幕方案，以帷幕坐底截断承压水补给方式切断水压力传递，从而达到消除基坑隔水地基承受水压渗透破坏的压力，消除承压水突涌风险。优势在于方法可控、一次投资不干扰后续基坑施工；缺陷在于投资大，尤其是含水层深厚时没有工程优势。

加固基坑地基方案，类似帷幕工艺采用注浆或高压旋喷桩加固底板，结合侧向帷幕实现“五面围封”的方式消除承压水突涌的风险。优势在于一次投资不干扰后续基坑施工；缺陷在于投资较大，施工质量控制要求高，有一定失效风险，并补救困难。

治理方案建议：结合新建场区周边环境宽松条件和经济性比较，建议采用以控制承压水水头来防止基坑突涌的降水方案。

5 降水方案

本节降水方案基于承压水突涌控制需要而安排。在此仅依据已有工程条件和工程经验初步估算降水方案的初步情况，供下步工作参考。

5.1 基坑总涌水量Q总估算

基坑面积约1 900 m2，承压水含水层厚度M为15.0 m，渗透系数k取5.0 m/d，影响半径R取250 m，降深设计取12.0 m（按最不利考虑）；按大井简化均质含水层承压水完整井估算结果，基坑总涌水量Q总约2 355 m3/d。

5.2 单井出水量qo估算

拟按直径245 mm过滤井管考虑，过滤器进水长度10.0 m，估算结果单井出水量qo约789 m3/d。考虑安全储备及目前降水设备抽水能力，降水井单井设计流量采用500 m3/d 是完全可控的。

按500 m3/d 流量进行单井设计，该基坑仅需采用5～6口降水井进行降水，即可控制该基坑承压水突涌的风险，所需费用节省且可控。

当然，该估算采用的含水层渗透系数、降水影响半径均为经验估计，不足为工程实际采用。该工程应按复杂场地深基坑工程相关规定和要求，为降水方案或该深基坑工程地下水的防治方案设计进行专门的水文地质勘察［3］，并应选择具备相关专业能力、经验丰富的单位进行该项工程的专项设计与施工管理，避免盲目经验主义，加大工程风险或不可控。

6 工程风险控制

深基坑工程具有高危风险，基坑监测与风险预警是工程风险控制的重要安全措施之一，应高度重视并严格执行［4］。基坑监测对象包括支护结构、地下水状况、基坑底部及周边土体、周边建筑、重要管线、重要道路及其它应受保护监测的设施等。该基坑具体的应力、应变监测要求及风险预警条件可依据基坑设计文件要求执行，并应参考相关规范、标准及地方经验进行补充。

以下仅对该基坑地下水防治工程监测要求进一步说明。

6.1 基坑地下水防治工程施工监测的主要内容

1）止水帷幕是否存在开裂、渗漏；

2）基坑内有无涌土、流沙、管涌；

3）地表、地下水的排放状况是否正常；

4）周边管道有无断裂渗漏情况；

5）周边道路沉降、有无开裂情况；

6）观测井、降水井的水位波动是否正常；

7）降水（及回灌）设施运转是否正常等。

6.2 基坑地下水防治工程施工监测的频率

按该类别基坑的监测要求，相关监测内容宜每天观测或检查至少1次并记录；在基坑开挖至10 m以下或最后一道支撑形成，进行最后一次土方开挖过程中应增加监测密度至每天至少2次；在基坑底板浇筑完成，混凝土强度达到7 d龄期强度后，可逐步减少观测密度至1天1次、2天1次或3天1次，直到基坑周边回填基坑完工为止。

另当基坑施工过程监测出现风险预警条件时，应立即加大监测频率直至风险解除；而当基坑有危险事故征兆时，应视具体情况实时跟踪监测。

6.3 基坑地下水防治工程监测风险预警

当地下水防治监测内容之一出现任何异常时，均应立即向工程施工管理人员及设计人员提出工程风险报警，以分析原因和险情，采取措施排除风险或立即启动应急避险方案。

其中当基坑周边地面累计沉降达到25～35 mm应立即预警；道路地表裂缝10～15 mm或持续发展时应立即预警；观测地下水位波动累计大于1 000 mm或波动速率大于500 mm/d时应立即预警。