基于信息化施工对建筑基坑降水的优化设计

蒋孙春

(广西建设职业技术学院管理工程系， 广西南宁 530007)



基于信息化施工对建筑基坑降水的优化设计

蒋孙春

(广西建设职业技术学院管理工程系， 广西南宁 530007)

基坑降水已成为发展城市地下空间必须面对的一项技术措施。文章通过一个恰当地运用信息化施工技术成功地对基坑降水进行优化设计的案例，阐述了在基坑施工过程中，采用信息化施工技术，适时合理地对基坑降水进行优化设计，既保证了基坑施工安全和基坑周边环境的安全，又大幅度降低了对日益稀缺的地下水资源的破坏，获得了良好的社会和经济效益。

信息化施工； 基坑降水； 优化设计

1 研究建筑基坑降水的意义

近年来，城市发展日新月异，超高层建筑的高度不断被刷新，建筑物在往空中发展的同时，它还需要往地下空间延伸。按照我国《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3-2010)第12.1.8条，《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2011)第5.1.4以及《高层建筑筏形与箱形基础技术规范》(JGJ 6-2011)第5.2.3条规定“基础应有一定的埋深，在抗震设防区，除岩石地基外，采用天然地基或复合地基，基础埋深可取房屋高度的1/15；采用桩基础(不计桩长)，基础埋深可取房屋建筑高度的1/18。”

另外近年来随着经济的发展，汽车的普及率在城市已经非常高。车辆普及带来的问题不仅是城市道路的拥挤问题，还有汽车的停放问题，现在很多小区业主都在为停车车位烦恼。地下空间建筑的发展相对地可以减缓车位紧张的压力，这就出现了以前设计高层建筑时，为降低建造成本，一般设计一层地下室的情况。目前基本以两层地下室为主，部分超高层建筑的地下层数已达6层。因此，不管从技术方面还是使用功能方面，均要求发展建筑物的地下空间。

地下空间建筑的发展给设计和施工带来了相应的技术问题，即深基坑支护和降水问题。为保证施工安全和周围环境的安全，在拥挤的城市区域内，基坑土方开挖一般在基坑支护保护的情况下进行。如果基底的设计标高在地下水位以下，还必须采取基坑降水措施。如何在既可以保证基坑施工又尽量降低对周边环境的影响前提下对基坑降水进行设计和施工，是目前设计和施工单位急需解决的技术问题。以下通过一项目在基坑信息化施工过程中对降水设计进行优化并获得成功的案例来阐述该问题。

2 项目地质概况

项目位于南宁市中心区，该地区的地下水保存比较完好，一是基本无污染；二是埋深较浅(埋深一般在地面以下8 m左右)。以现在两层地下室计，基坑的开挖深度约为10～12 m，基础底板已经在地下水位以下。降水已经成为该地区基坑设计和施工中非常常见一项设计和施工内容。

表1 项目地质概况及土层渗透系数

项目勘察期间的场地内孔隙潜水稳定水位埋深10 m左右(标高68.00 m左右)。勘察建议基坑降水措施可采用在基坑四周外侧设置截水帷幕截水及设置降水井降水相结合的方式，必要时可采用在基坑截水帷幕外靠近拟保护建筑物侧施工回灌井(即内排外灌)，以减少基坑外水头降低的幅度等措施。

图1 项目基坑平面

3 项目降水设计

案例项目设计基底标高65.45 m(项目设计的±0.000=77.30 m，电梯井部位基底标高63.3 m)，基坑地下水高出大部基坑底标高约2.55 m左右。因项目位于市中心黄金地段，周围环境均已开发建设完成，项目地下空间建筑基本已占据整个用地红线范围以内的空间，周围的环境，基坑南部是采用桩基的建筑物(1栋3层，1栋11层)，东面和北面是市政主干道路，西面是一中学操场。为保证基坑施工和安全，基坑施工过程中必须采取降水措施。勘察资料建议设置截水帷幕截水及设置降水井降水相结合的方式，考虑到降水高度不大和此方案增加建设成本较大，项目仅采用了管井坑内降水的方案。降水设计图及土层分布见图2。设计要求基坑高程挖至68.5 m左右开始施工降水管井。降水管井设计采用完整井，管井成孔直径≥300 mm，管井过滤管直径为200 mm，管周过滤料厚度≥50 mm，单井设计出水量0～25 m3/h。管井穿过圆砾层进入至强风化泥岩1.0 m，总深约20 m左右。管井平面位置布置在地下室外墙外边线与支护桩内边线之间并置于排桩之间，管井间距10 m。

图2 降水井布置断面

管井造孔采用下套管护壁，跟管钻进成孔方式，过滤管采用150 mm(或200 mm)深井用PVC管。在降水井造孔施工前，应先进行降水井抽水降水试验段试验(图3)，根据抽水试验对降水井的间距、孔深和管井结构及抽水设备参数进行调整。降水水位应保持在基坑底面下0.5～1.0 m。

图3 降水井抽水试验段

4 基坑降水设计分析

4.1 降水设计和勘察资料分析

基坑支护结构安全等级为二级，基坑周长390 m，基坑面积6 900 m2，按照设计要求，基坑内要布置约39座管井。

勘察单位在12月份中旬进场，1月份完成野外勘察，此时间段为项目地区的枯水期，勘察资料揭示的地下水位在现地面以下10 m左右(标高68 m处)，地下水位高出基础底(标高65.45 m)约2.55 m，高出电梯井部位约4.7 m(电梯井基底标高63.3 m)。降水设计采用完整井，是基于满足电梯井部位的施工要求。但是降水设计图有两个设计参数与勘察资料和现场测量复核取得的资料不符：一是原地面标高，降水设计图标注为75～75.5 m，实际应为78～78.5 m；二是现地面标高数据调正后，分析得圆砾层底标高为52 m，设计降水管井深20 m左右有误，应为17.5 m。

节目素材的传递需要经过上载、审查、纳入节目播放列表等步骤。首先，节目的素材储存到上载站的上载中心，而媒资系统和制作系统的素材，则需要上传到播出系统。审查人员会审查上传过来的节目，通过审查后，编单工作站、播出控制工作站会将经过审查的节目素材纳入到节目播出表当中。节目的播出表会被传给数据库，此时调度服务系统就会检测表单当中的内容，并将其中没有被移动到播出系统当中的节目进行迁移，在规定的时间，按照播放列表播放节目。

从勘察资料分析，基底以下分别是粉质黏土、粉土、细砂和圆砾层(见图2)，其渗透系数K值逐渐增大(见表1)，基底至泥岩之间不存在水平的不透水隔水层。

4.2 基坑涌水量核算

降水设计管井为完整井，下面验算基坑潜水完整井基坑的涌水量Q。验收过程为：

潜水层含水厚度H：H=68-(78-26)=16 m

因粉质黏土和粉土的渗透系数相对细砂和圆砾的渗透系数较小，因此计算含水土层加权渗透系数仅计取细砂层和圆砾层加权值(以下计算时也同样如此处理)，则含水层加权渗透系数K=37.82 m/d。

式中：S为基坑地下水位的设计降深(m)。

式中：A为基坑面积(m2)。

降水后基坑内最高水位距基坑底0.5 m，将整个基坑看作一座大井，按设计要求，其作为均质含水层潜水完整井的涌水量Q：

式中: n为降水井座数。

5 对现有基坑降水设计进行优化

5.1 对管井降水深度的优化设计

基于上述分析及以往同类工程施工经验，根据 “按需疏干”的地下降水运行原则，除电梯井部位两侧平行范围内的管井仍沿用完整井外，其他部位的潜水完整井拟设计优化为潜水非完整井，基坑内最高水位低于基坑设计底标高0.5 m。管井进入圆砾层3 m，主要考虑基底以下的细砂层厚薄相差较大，而圆砾层的位置及厚度相差不大，将滤管置入水平向连续分布的圆砾层可以获得相对平缓的降水漏斗曲线，从而减少对周围环境的影响。另外管井底部埋深距离基坑底8.45 m，满足埋深大于6 m的基本要求。技术核算为：

降水后基坑内的水位高度h=64.95-52=12.95 m，hm=0.5×(H+h)=0.5×(16+12.95)=14.475 m，含水土层加权渗透系数：K=28.46 m/d。

均质含水层潜水非完整井涌水量Q：

5157.10m3/d

式中： l为滤管的长度(m)。

从计算结果显示，降水设计优化后单井设计流量为原设计的70.6 %，说明通过优化，在满足基坑施工要求的前提下，既可大幅度减少抽水量，又最大程度地降低了对地下水资源的破坏，符合我国工程界倡导的绿色施工要求。优化后管井降水水位坡度线见图4。

图4 优化设计后管井降水水位坡度线示意

5.2 管井平面布置优化

基坑东南端长33.8 m，西端56.17 m，原基坑降水设计统一采用相同的管井间距10 m，并没有依据现场实际情况做细化设计。项目降水设计没有在基坑周边设置止水帷幕，基坑降水防水是敞开式疏干降水。依据国内的一些施工经验，圆砾层和细砂层的单井有效疏干降水面积一般为120～180 m2。为保证降水时管井抽水均衡、持续以及管井内的水位维持在稳定的低水位，周围各土层处水位下降值均匀一致，在各管井降水时保持竖向降水深度应一致，转而适当调整管井的平面位置。在基坑南端部位，管井间距按12 m设置，在基坑靠西侧部位按8 m间距设置管井，从东到西之间的基坑边缘部位，管井间距从12 m逐渐缩小至8 m。

6 基坑土方开挖过程中再次优化降水设计

基坑开挖至标高68 m左右，除基坑东北角有少量渗水外，并没有见到地勘资料显示的潜水。东北角部位的渗水有一股气味，通过分析应该是靠近基坑一侧的市政污水管道接口等部位出现渗漏，进而渗入基坑内。现场通过对该部位采用灌浆处理，渗水大幅度减少。基坑土方继续分层开挖至设计底标高以上1m左右位置(即标高66.5 m)，仍未见地下水。在此标高处决定开始进行管井施工。管井采用下套管护壁，跟管钻进成孔方式，此施工方法施工进度虽然不快，但因项目基础采用长螺旋钻孔压灌桩，其施工位置与降水管井成孔作业面相同，相互不受影响，同时该成孔工艺可以省掉成孔完成置入滤管后洗井的工序。项目设计有5座电梯井，电梯井南北两侧与电梯井垂直部位的降水管井成孔按原设计完整井施工，其他部位管井成孔的深度按优化设计方案执行。因基坑已开挖至设计标高66.2 m，所以实际成孔的深度为66.5-57=9.5 m。电梯井两侧的降水井成孔深度仍按设计施工，实际成孔深度15.5 m(66.5-51=15.5)。

成孔完成后置入滤管，滤管采用管径200 mm的PVC管，侧面开10 mm的圆孔，梅花状分布，外缠4 mm尼龙绳，再包2层140目的尼龙滤网并用铁丝扎牢。置入滤管后，在滤管与套管间回填滤料，因管径成孔时从圆砾层取出的砾石磨圆度较好，因此滤料采用现场从圆砾层取出的圆砾。滤管安装完成后，实测现场地下水水头位置在现地面2.5 m左右。

7 根据现场实际地下水位调整降水施工方案

按照现场实测水位，在标高64 m处，低于基础底板底标高(标高65.45 m)位置。测量现场水位时间为当地9月底，开始进入枯水期，实际考虑到地勘资料揭示的枯水期与丰水期地下水水位的变化幅度在2～3 m之间，另外基础施工时间因自身的特点及受各种因素影响，工期相对较长。为保证后续基础施工不受水位涨落影响，管井成孔施工继续进行，除电梯井部位外，其他部位管井在基础施工时不再降水。管井成孔施工仍按优化方案继续完成基坑降水设施的施工，主要作为确需降水时的备用方案。

8 基础施工时管井降水运行及变形监测

由于圆砾层和细砂层渗透系数较大，管井开始降水后水位下降较快，另考虑到电梯井开挖至设计标高后，该部位的土层已接近细砂层的顶标高位置处，为防止电梯井部位土方开挖时出现涌砂，电梯井部位土方施工前提前一天开始管井降水。该项目从12月中旬开始基础土方开挖，到次年1月上旬完成了基础底板的混凝土的浇筑工作，持续时间约20 d。施工期间偶有强降雨，为确保土方和基础施工顺利进行，电梯井部位的管井采用自动控制开关持续进行降水，基础底板及电梯井施工期间没有出现涌水涌砂现象，基础底板混凝土浇筑完成24 h后停止电梯井部位管井的降水。

基坑降水期间，基坑变形第三方监测单位加大了对基坑支护结构，基坑围边的环境的监测频次，施工单位也组织项目部测量人员和施工技术人员对基坑支护结构，基坑围边的环境的仪器监测和现场巡查，及时地分析变形数据。

9 结束语

该项目基坑降水设计并没有采用勘察资料建议的止水帷幕，从经济的角度上为建设单位节约了建设成本，但在基坑施工过程中，基坑支护桩侧壁采用导管排水，施工期间多次反复降雨，土中富水反复排除，加大了临近基坑的周边土层下沉，特别是基坑南面的小区道路，出现了下沉开裂现象。

该项目在基坑降水施工过程中通过对原基坑降水优化设计，一可以在基坑开挖过程中保护日益稀缺的地下水资料，二可以获得丰厚的管理效益。但并不意味着施工单位可以随意对设计图纸进行优化，我国《建筑法》第五十八条“建筑施工企业必须按照工程设计图纸和施工技术标准施工，不得偷工减料。工程设计的修改由原设计单位负责，建筑施工企业不得擅自修改工程设计。” 因此施工单位能否对设计图纸进行优化，要在国家法律法规允许的范围内进行。如本案例的基坑降水是属于临时工程，按照我国《建筑深基坑工程施工安全技术规范》(JGJ 311-2013)第3.0.7条“基坑工程应实施信息施工法”， “对同时进行土方开挖、降水、支护结构、截水帷幕、工程桩等施工的基坑工程，应根据现场施工和运行的具体情况，通过试验与实测，区分不同危险源对基坑周边环境造成的影响，并应采取相应的控制措施。”即满足我国的技术法规要求并允许施工单位在降水施工过程中采取信息化施工才可以根据现场实际情况给予采取相应控制措施。另外原设计图纸也明确提出“在降水井造孔施工前，应先进行降水井抽水降水试验段试验，根据抽水试验对降水井的间距、孔深和管井结构及抽水设备参数进行调整。”这相当于将降水设计调整权授权给了施工单位。

采用信息化施工技术对基坑降水设计进行优化，必须结合项目的勘察资料和现场的实际情况，组织强有力的各方面技术力量，对设计图纸从经济、技术和安全等角度进行认真分析，保证设计优化方案技术可行，经济合理和安全可靠。

[1] JGJ 120-2012 建筑基坑支护技术规程[S].

[2] 刘国彬，王卫东. 基坑工程手册[M] . 第2版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

[3] JGJ 311-2013 建筑深基坑工程施工安全技术规范[S].

[4] 《建筑施工手册》第5版编委会.建筑施工手册(2)[M]. 第5版. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 蒋孙春. 建筑施工技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2015.

蒋孙春(1969～)，男，高级工程师，副教授，研究方向为工程管理。

TU753.1

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[定稿日期]2016-06-10