兰州强透水卵石与弱透水风化砂岩组合地层深基坑降水

2016-09-20张恩祥沈秋武张森安何腊平

西部探矿工程 2016年9期

关键词：管井井点卵石

龙　照，张恩祥，沈秋武，张森安，何腊平

（1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000）

兰州强透水卵石与弱透水风化砂岩组合地层深基坑降水

龙照*1，2，张恩祥1，2，沈秋武1，2，张森安1，2，何腊平1，2

（1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃兰州730000；2.中国市政工程西北设计研究院有限公司，甘肃兰州730000）

基于兰州市城关区黄河南岸Ⅱ级阶地强透水卵石与弱透水风化砂岩组合地层中深基坑常用支护型式和降水方法，总结降水失败经验、分析破坏模式，在兰州红楼时代广场项目深基坑降水实践中，采用坑外管井与坑壁斜向、坑底竖向简易轻型井点相结合的联合降水方法，较为成功地解决了这一难题，并在兰州市类似地层基坑工程中得到了推广应用，可供其它地区类似地层基坑工程降水设计参考。

深基坑；降水；风化砂岩；管井；轻型井点

1　概述

兰州市城关区黄河南岸Ⅱ级阶地地层主要由上部填土、粉土或粉质粘土、卵石和下部第三系风化砂岩（巨厚层）组成。一般卵石层顶面埋深约4～7m，砂岩层顶面埋深约6～11m；地下水位埋深约4～6m，属孔隙潜水，卵石层为主要含水层，渗透系数一般介于30～60m/d，下部风化砂岩层为弱透水层，渗透系数一般介于1～3m/d。兰州市的第三系风化砂岩属“半成岩”，颗粒级配一般为砂粒（2～0.05mm）占70%～90%、粉粒（0.05～0.005mm）占5%～20%、粘粒（＜0.005mm）占5%～10%，以粉砂岩或细砂岩为主，亦有中砂岩；保持原状结构时，很密实，强度较高；基坑开挖后若遇水浸泡，组织结构遭受破坏，即呈散砂状［1-2］。

2010年之前，兰州市内新建高层建筑物一般设1～2层地下室，基坑开挖深度最深不超过12m，基坑开挖深度范围内地层以填土、黄土状粉土和卵石层为主，即使进入下部第三系风化砂岩层，亦鲜见超过3m。基坑降水主要采用坑外管井降水、坑内设置排水明（盲）沟和集水坑二次降水的方法，其中管井深度一般按滤管进入砂岩层0.5m控制，即管井降水针对的是卵石层地下水，风化砂岩层渗水主要依靠坑内收集后明排解决。基坑开挖过程中，即便下部风化砂岩层遭到地下水浸泡，坑内设置盲沟疏干后的原位载荷试验结果仍能500～600kPa以上，可满足一般高层采用天然地基的承载力要求。

2010年之后，随着市内车位数量需求的大幅增长和一批超高层建筑的兴建，地下室层数增至3～4层，基坑开挖深度亦随之增大，如兰州红楼时代广场项目地基承载力特征值需求1360kPa，基坑最大开挖深度26.3m，进入下部第三系风化砂岩层深度达17m。随之而来的是，原地方习惯的基坑降水方法已无法解决此类强透水卵石与弱透水风化砂岩组合地层的深基坑地下水问题，并因此造成了因下部风化砂岩层渗流、坑壁管涌破坏导致基坑坍塌或因下部风化砂岩层渗水无法控制导致地下室减层等诸多事故的发生。

基于兰州市城关区黄河南岸Ⅱ级阶地强透水卵石与弱透水风化砂岩组合地层深基坑常用支护型式和降水方法，总结分析深基坑降水失败、破坏模式，在兰州红楼时代广场项目深基坑降水实践中，笔者采用坑外管井与坑壁斜向、坑底竖向简易轻型井点［3-5］相结合的联合降水方法，较为成功地解决了这一难题，并迅速在兰州市类似地层基坑工程中得到了推广应用。

2　基坑下部风化砂岩层渗流破坏模式

因兰州市的第三系风化砂岩胶结作用差，遇水软化即成散砂状，又以粉砂岩或细砂岩为主，若井管滤网或滤料规格等不符合要求，极易出现“抽出红砂”、下部抽成空洞、地面塌陷等现象；另风化砂岩层渗透系数仅为1～3m/d，与其上部卵石层相比，采用管井降水效果不甚明显。故一直以来，兰州市习惯性的做法是，管井深度一般按照滤管进入砂岩层0.5～1m左右控制（最下一节为实管，长2.5m），常用井间距20～30m。

迄今，兰州市应用最多的基坑支护型式主要为桩锚和（复合）土钉墙。如图1所示，基坑开挖进入下部风化砂岩层后，地下水从坑壁坡脚处渗出；随着开挖深度的增加，出水位置亦向下移动。在渗流作用下［6］，风化砂岩中的粉细砂颗粒逐渐流入坑内，从而使边坡下部掏空，甚者引起边坡坍塌。随时间的延长，因流砂而引起的空洞会逐步发展，直至与卵石层连通；此时，降水井将失去作用，周边的地下水近乎全部通过这些贯通的管涌通道汇入基坑内，严重时基坑再无法继续下挖。

图1　破坏模式示意图

3　工程概况与地质条件

3.1工程概况

兰州红楼时代广场项目位于兰州市城关区南关什字东南角，北临庆阳路、西接酒泉路、南靠中街子、东邻兰州交通银行（15F）及其配套附属用房和地下设备用房（如图2所示），用地总面积约10000m2；由裙房和超高层塔楼组成，主体高度246.2m，楼宇总高度266m，地下3层。建筑物基础外边线距离用地红线一般仅约3～7m，场地内及周边有大量市政管线分布。

3.2地质条件

工程场地位于黄河南岸Ⅱ级阶地，地势基本平坦，基坑深度范围内地层主要为杂填土、粉质粘土、卵石和风化砂岩，其中：杂填土平均厚度约4.1m，粉质粘土平均厚度约1.6m，卵石平均厚度约3.4m，风化砂岩层面埋深约5.4～10.6m，属巨厚层。

场地稳定地下水水位埋深3.7～4.6m，属第四系孔隙潜水，主要含水层为卵石层，渗透系数50m/d；第三系风化砂岩为下部弱透水层，渗透系数1m/d。地下水主要受上游地下水径流及大气降水渗入补给，由西南向东北径流。

4　基坑支护方案简介

图2　基坑周边环境示意图

基坑开挖总面积约9115m2，周长约400m；施工图设计时因坑中坑深度尚未确定，根据主体设计单位要求，基坑设计开挖深度统一按19.3m考虑。采用桩锚支护型式，桩顶标高-2m，桩长26.3m，桩径1m，桩间距1.9m，冠梁尺寸0.8m×1.2m；桩身设置三道预应力锚索；为防止桩间土渗流破坏，相邻两支护桩间设置一根桩径1m的素混凝土桩挡土；典型支护剖面如图3所示。受限于当时当地的钻探取样水平，勘察报告未能提供风化砂岩剪切参数，设计时，该层计算参数取经验值：g=22kN/m3、c=50kPa、φ=35°、t=150kPa。

随着主体设计方案的最终确定，当基坑开挖至11～13m时，其开挖深度需进行较大幅度的调整：裙楼基坑开挖深度调整为17.4～19.65m；主楼坑中坑开挖深度一般为25.3m，局部达26.3m，较原设计深度深7m；东侧阳角处支护结构与坑中坑上口线最近距离约5.44m，南侧支护结构与坑中坑上口线最近距离仅约3.95m；另，坑内分布有许多尺寸、深度不一的基础坑和集水坑。

此外，现场风化砂岩的原位剪切试验和锚索拉拔试验结果显示，该场地风化砂岩的剪切参数小于原设计采用值：c=30kPa、φ=30°、t=70kPa，应对计算参数进行调整后复核原设计。

基于上述重大变化，对原设计支护结构进行了如下加固处理：（1）为提高单位长度锚索的抗拔承载力，将原设计位于风化砂岩层的普通锚索调整为高压旋喷自带钢绞线锚索；（2）对受坑中坑影响、设计开挖深度为18.4～18.9m的裙楼段基坑支护结构，于-13.3m处增加一道高压旋喷锚索，锚固长度8m、自由段长度5m；（3）对受坑中坑影响、设计开挖深度为19.9～21.3m的裙楼段基坑支护结构，于-13.3m和-15.8m处各增加一道高压旋喷锚索，锚固长度8m、自由段长度5m；（4）对受坑中坑影响最大的东侧阳角位置，于-9.5m处增设一道钢管内支撑，如图4所示。

图3　典型支护剖面示意图

图4　钢支撑平面布置图

5　基坑降水方案设计

5.1降水的重要性与技术思路

根据设计要求，该项目主楼拟采用天然地基、筏板基础，地基承载力特征值需求达1360kPa。考虑到场地下部第三系风化砂岩揭露后遇水即软化，扰动后承载力急剧下降的现状，若降水失败，基坑开挖过程中无法确保干作业条件，最终导致地基载荷试验结果无法达到设计要求，则将造成巨大的损失和无法估量的后果。故该工程基坑降水的成功与否，直接关系到整个工程的成败。

为保证有效地将基坑内地下水疏干，确保地基载荷试验顺利进行，在降水方案设计及实施中，主要按如下技术思路：

（1）采用坑外管井降水的方案解决上部卵石层的地下水问题；

（2）进入下部风化砂岩层后，采用于坑壁设置斜向简易轻型井点（30°入射角）、坑底布设竖向简易轻型井点，分层向下施工的方案解决风化砂岩层的渗水问题。

5.2坑外管井降水

通常，兰州地区基坑降水设计时［7］，采用式（1）和式（2）分别计算总涌水量Q和单井出水量q：

式中：k——含水层渗透系数，m/d；

H——含水层厚度，m；

S——设计水位降深，m；

r0——基坑等效半径，m，r0=；

rs——过滤器半径，m；

l——过滤器进水部分长度，m。

本工程地下水位-3.7m，考虑1.5m地下水位变幅，含水层厚度和水位降深均为6.8m，基坑面积A取9115m2，卵石层渗透系数k取50m/d，代入式（1），可得卵石层总涌水量Q约为4603m3；兰州地区常用滤水管半径可取0.15m，过滤器进水部分长度取1m，代入式（2）得管井的单井出水量q约为208m3。则本工程卵石层降水所需管井数量n可由下式计算：

最终，在基坑周边呈环形布共设23口降水井（如图5所示），按西南侧来水方向井间距15m、其余侧井间距20m；井径0.8m，管径0.3m，井深按滤管进入砂岩层1m控制（最下一节为实管，长2.5m）。

5.3坑内简易轻型井点降水

随土方开挖，揭露该层风化砂岩层后，先在坑壁设置一圈斜向简易轻型井点（30°入射角），然后根据现场实际情况需要，在坑底中间部位布设多组竖向简易轻型井点（如图6所示），每层轻型井点有效降水深度按3～4m考虑。随着开挖进入风化砂岩层深度的增加，设置多级斜向简易轻型井点和多级竖向简易轻型井点。

井点管采用Ø30mm～Ø40mm的PVC管，长度按6m，端部1.5m范围加工成滤管（花管），呈梅花型钻Ø8mm的滤孔，滤管壁及端头处包两层网眼为100目的尼龙丝布细滤网，按每隔50mm竖向间距采用10号铅丝绑扎一道；竖向井点管间距按1.2m均布（斜向井点管按每相邻支护桩间设置两根），每组共16根。导水总管采用Ø50mm的PVC管；井点管埋设采用钻孔或冲孔法，井点管与导水总管连接采用透明软管或胶皮管和总管上的三通（丁字通）连接，并采用10号铅丝绑扎牢固。

图5　降水井平面布置图

图6　坑内简易轻型井点降水示意图

当最后一层轻型井点设置在基底标高处时，在基底开挖井点管小沟槽，尺寸约20cm×20cm，伸出地面的井点管及导水总管均铺设在该小沟槽内；铺设完成后，用粗粒料将该沟槽填平，基底明水抽干后即可浇筑垫层，并进行后续基础施工，井点管及导水总管埋入基础底板之下，无需回收。

5.4降水效果

该工程从2012年11月开挖进入风化砂岩层至2014年3月基底封闭，基本实现了坑内干作业的目标，确保了风化砂岩层地基载荷试验的顺利进行。在整个基坑开挖、降水长达2年的时间内，坑顶水平位移和周边建（构）筑物、管线沉降均满足规范要求。

5.5不采用止水帷幕的原因

鉴于在中东部地区，采用止水帷幕、坑内降水的方案往往能取得不错的效果；兰州的工程技术人员尝试在此类上部强透水卵石与下部弱透水风化砂岩组合地层中进行了高压旋喷桩止水帷幕的现场试验，试验结果表明，因卵石和风化砂岩颗粒组成、密实程度等的差异巨大，在此类组合地层中高压旋喷桩止水帷幕成型极其困难。

为解决这一问题，稍后于红楼时代广场项目开工建设的某超高层商业综合体基坑，在兰州市首次采用了地下连续墙+钢筋混凝土内支撑的支护型式，但基坑开挖进入下部风化砂岩层后，因受坑外高水位影响，出现坑底渗水更严重，砂岩软化，工程设备、施工人员无法进入坑底作业的情况；最终亦不得不采取坑底分层施作竖向简易轻型井点的方法解决该问题。

可见，止水帷幕+坑内明排的方案亦无法有效解决该类组合地层基坑降水问题。此外，对经济落后的兰州地区而言，止水帷幕远超管井降水的造价是设计和施工中必须考虑的重要因素。