基于基坑施工工况及环境要求的地下水控制设计

姚 博 王永东 袁国磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基于基坑施工工况及环境要求的地下水控制设计

姚 博 王永东 袁国磊（上海泓源建筑工程科技股份有限公司，上海 201707）

基坑工程设计的安全性与地下水控制设计密不可分。本文根据基坑施工中的各种工况及环境保护的要求对由于地下水的作用而产生的浮力、渗流、地面变形、突涌等问题进行计算分析，并根据计算分析结果及地下水作用机理采取相应的应对控制措施。地下水控制设计所涉及的基坑施工工况主要有：基坑开挖前、基坑开挖中、基坑开挖至坑底、底板浇筑完成、地下每层建筑施工及回填完成；环境保护要求主要有：基坑内外地下水位控制、基坑外建（构）筑物的变形控制、围护墙体本身的各类变形控制等。针对各工况及环境要求而进行的地下水控制设计为基坑工程安全有效的施工提供了保障和指导，确保了基坑及周边环境的安全，也为类似基坑工程的地下水控制设计提供了借鉴。

基坑；施工工况；环境；地下水；控制设计

1 引 言

地下水控制设计的成功与否，直接关系到基坑工程设计与施工的风险高低及效果。

近年来，由于地下空间的发展需求，深大基坑也越来越多，基坑工程的安全性关系到人民生命财产的安全，对基坑工程设计中的地下水控制设计也越来越受到重视。许多学者及工程技术人员从不同角度对基坑工程中的地下水控制设计进行了研究。陆建生等[1]对复杂环境下深基坑地下水综合控制进行了分析；王卫东[2]对深大基坑工程设计实践与创新作了研究；周济民等[3]对北京地区地铁车站深基坑地下水控制技术进行了研究；丁春林[4]对软土地区承压水基坑突涌稳定计算法进行了研究；王曙光[5]研究了复杂周边环境基坑工程变形控制技术；陆建生等[6]对基坑工程环境水文地质进行了评价；范士凯等[7]分析了长江一级阶地基坑地下水控制方法和实践；李进军等[8]对受承压水影响的深基坑工程中的群井抽水试验进行了分析；娄荣祥等[9]对上海地铁11号线徐家汇站深基坑降水进行了数值模拟。

本文拟以上海佳兆业金融中心为工程背景，对不同施工工况及环境变形控制要求的地下水风险进行计算分析，依据地下水作用机理采取控制措施，为基坑及周边环境的安全做好地下水控制设计。

2 基坑安全等级及周边环境等级

2.1 基坑安全等级

本工程拟建建（构）筑物性质详见表1。

由表1可知，本工程基坑安全等级为一级。

2.2 周边环境等级

本工程周边存在地铁、道路、管线及建筑物，根据各建（构）筑物重要程度及其与基坑边线距离、基坑深度的关系确定的周边环境等级见表2。

表1 主要拟建（构）筑物性质一览表

表2 基坑周边环境等级表

3 水文地质特征

3.1 潜水

潜水一般分布于浅部土层及③夹层灰色砂质粉土中，补给来源主要有大气降水入渗及地表水径流侧向补给，其排泄方式以蒸发消耗为主。浅部土层中的潜水位埋深，一般离地表面0.3～1.5m，年平均地下水水位埋深离地表面0.5～0.7m。由于潜水与大气降水和地表水的关系十分密切，故水位呈季节性波动。拟建场地浅部地下水属潜水类型。勘察期间测得的地下水静止水位埋深为0.70～1.20m（相应标高为+3.06～+3.62m）。

表3 基坑围护设计参数表

设计时地下水位埋深建议按不利因素考虑，高水位可取设计室外地坪下0.5m，低水位可取设计室外地坪下1.5m。

3.2 承压水

本工程第⑦1-1层、第⑦1t层、第⑦1-2层以及第⑦2层承压水含水层相连通，故可看作统一的承压水含水层。上海市第⑦层承压水位一般为3~12 m，勘察期间测得第⑦层稳定承压水位埋深为6.55～7.05m，平均为6.80m。本工程第⑨层承压水与第⑦层承压水相通。

3.3 含水层埋藏分布

本工程基坑设计所涉及到的含水层埋藏分布情况相对较为稳定，其顶板埋深及标高起伏不大，各含水层具体埋藏分布的典型水文地质剖面见图1。

图1 水文地质剖面图

4 基坑围护设计参数

根据本工程的勘察报告所提供的成果，本工程基坑围护设计主要参数见表3。

5 围护结构设计情况

根据本工程的基坑开挖深度及周边环境保护要求，经过安全性验算及方案选型比较，本工程基坑围护结构采用地下连续墙+钢筋混凝土支撑的方式，工程桩及支撑立柱桩采用钻孔灌注桩。地下连续墙及支撑结构情况见表4。

表4 围护结构情况表

6 周边环境变形控制要求

本工程基坑北侧为地铁9号线，根据上海市地铁公司监管要求，其周围50m范围内地面沉降控制要求小于20mm，水平位移控制要求小于20mm；基坑其它周边根据设计及规范要求地面沉降变形控制要求小于30mm，水平位移要求小于30mm。

7 渗流稳定性计算

7.1 突涌稳定性及安全承压水头验算

本工程地下连续墙底部位于第⑥层暗绿色粉质粘土中，未用截水帷幕隔断基坑内外的承压水水力联系，坑底土体的突涌稳定性验算按公式（1）进行。

坑底土体突涌稳定性验算公式：

式中：为突涌稳定安全系数，不应小于1.1；为承压含水层顶面至坑底的土层厚度；为承压含水层顶面至坑底土层的天然重度，对多层土，取按土层厚度加权的平均天然重度；为承压含水层顶面的压力水

头高度；为水的重度。

主要工况结算结果见表5。计算简图见图2。

表5 突涌稳定性计算结果

基坑突涌临界开挖深度计算公式如下：

取等于1.1，突涌临界开挖深度为16.0m。

图2 突涌稳定性验算图

为确保基坑开挖及施工期间，不产生坑底突涌问题，就必须使基坑内承压水水头下降至一定深度，安全承压水头的计算可根据公式（3）进行，基坑内安全承压水水头及基坑内承压水的水位降深计算结果见表6。

式中:为安全承压水水头高度,从承压含水层顶面起算的高度；为基坑开挖深度；为抗突涌稳定安全系数，取1.1。

7.2 底板抗浮稳定性验算

根据结构设计可知，纯车库底板所受上部结构及上覆土体自重所产生的单位面积压力。

表6 安全承压水头计算结果

P1为60KPa,底板厚度2.0m，抗拔桩所提供的单位面积抗拔承载力设计值P2为100KPa。地下水抗浮设计水位埋深按0.5m计算，车库底板底面埋深为17.0m，则底板所受浮力为165KPa。在地下结构施工过程中，各工况下底板所受浮力计算按公式（4）进行：

式中：为抗浮力的合力；为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

具体计算结果见表7。

表7 抗浮稳定性计算结果

8 模拟计算

8.1 坑外侧水头下降值

本节通过Midas GTS有限元软件中渗流—应力耦合分析模块对基坑进行有限元数值模拟。本工程基坑开挖深度为17.0m，按照开挖要求，水位最少降至坑底下0.5m，即基坑内水位最低降深为17.0m；按承压水头计算，承压水水位降深6.5m就能满足抗突涌要求，综合考虑基坑内水位降深为17.0m。以17.0m为水位最大降深，进行坑外侧水头的模拟计算，坑外侧水头模拟计算云图见图3。

图3 坑外水头模拟计算图

由图中模拟结果可知，当坑内承压水水头降至坑底时，坑外水头从25.6m下降至23.4m，坑外水头降深达2.2m。

8.2 基坑周边允许最大水位降深

根据前述周边环境变形控制要求，本工程基坑北侧允许最大沉降量为20mm，其它各侧允许最大沉降量为30mm，以此为限制条件按照公式（5）～公式（8）计算基坑周边允许最大水位降深，经过多次假定及代入计算，最终基坑周边允许最大水位降深计算结果见表8。

其中按以下情况计算

第土层位于初始地下水位以上时

第土层位于降水后水位与初始地下水位之间时

第土层位于降水后水位以下时

式中：为计算剖面的地层压缩变形量（m）；

为沉降计算经验系数，应根据地区工程经验确定，无经验时，宜取1；为降水引起的地面下第土层的平均附加有效应力；对黏性土，应取降水结束时土的固结度下的附加有效应力；为第层土的厚度;土层的总计算厚度应按渗流分析或实际土层分布情况确定；为第层土的压缩模量；应取土的自重应力至自重应力与附加应力之和的压力段的压缩模量；为水的重度；

为第层土中点至初始地下水位的垂直距离；为计算系数，应按地下水渗流分析确定，缺少分析数据时，也可根据当地工程经验取值；为计算剖面对应的地下水位降深。

由表8可知，北侧基坑周边由地下水水头下降引起的地面沉降变形控制值为20mm时，允许最大水位降深为0.3m。同样经过试算，基坑西侧、南侧及东侧由地下水水头下降引起的地面沉降变形控制值为30mm时，允许最大水位降深为0.5m。

8.3 计算结果分析

依据以上计算，降水引起的坑外水头下降值，大于基坑周边环境变形控制要求的允许水头下降值。因而需采取相应的措施，确保坑外水头下降值，小于基坑周边环境变形要求的允许水头下降值，从而使得由于降水引起的坑外底面沉降变形满足要求。

9 控制措施设计及实施

9.1 抗突涌地下水控制措施

基坑开挖前，施作减压井进行承压水降水，确保承压水头始终低于开挖面下1.0m；底板浇筑完成后直至施工至第三道支撑拆除且地下室外侧第三道支撑平面以下回填完成方可停止承压水降水。

9.2 底板抗浮地下水控制措施

基坑开挖前，施作疏干井进行坑内降水，确保基坑内地下水水位始终低于基坑开挖面以下0.5m，直至地下一层施工完成且地下一层顶板平面以下回填完成方可停止坑内降水。

9.3 满足环境变形要求的地下水控制措施

基坑外侧施作回灌井，确保坑外地下水水头下降值小于0.8m，回灌井的数量通过模拟计算获得，并通过实际坑外水头观测进行动态信息反馈，及时进行回灌井数量、回灌水头高度等的调整。

9.4 地下水控制措施实施

根据以上计算分析，基坑外侧共布置了9个回灌井，回灌井深度与承压水降水井深度相同；其中，基坑北侧布置了3个回灌井，其余三侧各布置了2个回灌井。

表8 允许最大水位降深计算结果

在基坑开挖及地下结构施工过程中，施工单位严格按照设计要求进行了地下水控制施工，并对坑内、坑外地下水水头进行了及时跟踪观测，确保了该基坑工程的地下水控制满足了施工工况及周边环境变形的要求。

10 结语

1）通过地下水水头与基坑工程施工工况的关系分析，有效地确定了降水工作的开始和终止工况节点，避免了由于地下水控制不力而引起的基坑突涌及底板上浮等事故的发生。

2）通过降水引起的基坑周边水头下降及周边环境变形允许的水位降深的模拟分析，有效地确定了坑内降水与坑外水头下降的关系及坑外地面沉降变形与水头下降的关系，针对性地采取了措施，避免了由于基坑降水而引起的周边环境问题。

3）针对各工况及环境要求而进行的地下水控制设计为基坑工程安全有效的施工提供了保障和指导，确保了基坑及周边环境的安全，也为类似基坑工程的地下水控制设计提供了借鉴。

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Based on the requirement of foundation pit construction condition and environment of groundwater control design

The security of foundation pit engineering design and groundwater control design are inseparable. According to the foundation pit construction and environmental protection requirements under various working conditions in the produced by the action of groundwater buoyancy, seepage, ground deformation calculation and analysis, the problem such as a sudden surge, and according to the results of calculation and analysis and effect mechanism of groundwater to take corresponding control measures.Groundwater condition of construction of foundation pit in the control design, mainly include: before the excavation, excavation,excavation to bottom,bottom pouring in complete,each layer of underground construction and backfilling;Environmental protection requirements are:inside and outside the foundation pit of underground water level control,outside the foundation pit, the deformation control of content,retaining wall itself of all kinds of deformation control, etc.T For each condition and environmental requirements of the groundwater control design provides guarantee for the construction of the foundation pit engineering safe and effective and guidance,ensure the safety of the excavation and surrounding environment,also for similar excavation engineering of groundwater control design provides reference.

foundation pit; construction condition; environment; groundwater; control design

TU463

B

1003-8965(2017)05-0146-05