近河道超大深基坑降水设计及实施

□文/王 斌 李 乐 于振民 伊容冰 闫 浩

随着城市规模的扩张，地下空间的开发和利用快速发展，涌现了大量近河道、超挖深、大体量的地下工程。特别是近河道、地处市区，水文地质条件及周边环境复杂的工程，降水影响因素多、难度大一直是地下工程研究的热门课题[1～3]。超大深基坑揭露地下承压水层，其富水性强、渗透性好是持续降水的难题[4]。

1 工程概况

中钢天津响螺湾项目属一类高层建筑，工程等级为一级，毗邻海河，为典型的近河道且揭露地下承压水层的超大深基坑工程。工程总用地面积26666.7m2，总建筑面积395181m2。1号塔楼24层，高102.9m，建筑面积64176m2；2号塔楼82层，高358m，建筑面积228129m2；地下为4层扩大地下室，建筑面积93611 m2。工程基坑平面呈不规则四边形，中心采用环形支撑，南北向长178.1m、东西向宽147.65m，周边长约591m，平面面积约2.36万m2，见图1。基坑东北部、西南部裙楼区域普遍开挖深度约为20m；东南部1号塔楼区域普遍开挖深度为20.6m，局部开挖深度24.7m；西北部2号塔楼区域普遍开挖深度23.1m，局部深坑开挖深度30m。

图1 基坑平面

2 水文地质条件

场地埋深58.00m以上的地下水主要分为潜水和承压水，见图2。

图2 场地工程地质与水文地质剖面

人工填土（Qml）及河相沉积层（Q42m）为潜水含水层，主要由大气降水补给，以蒸发形式排泄，水位随季节有所变化。潜水位变幅的多年平均值为0.80m/a左右。根据抽水试验报告，初始水位约0.20～1.00m，相当于标高1.26～0.90m。

Q3eal粉砂与Q3dmc粉砂细砂为本场地内的第一微承压含水层，稳定水位约为13.2m，相当于标高约为-11.00m。

3 降水方案设计

采用明挖施工时，为保证基坑开挖的顺利进行需及时疏干开挖范围内土层中含水。因此，开挖前需要布设若干疏干井，对基坑开挖范围内土层疏干，坑内降水井数量

式中：n——基坑内降水井数量，口；

A——基坑面积，A=23646m2；

a井——单井有效降水面积取250m2。

根据式（1）得出，基坑需要布设疏干井95口；井深24m，见图 3。

图3 疏干井及降压井布置

开挖后，基坑与承压含水层顶板间距离减小，相应承压含水层上部土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层承压水顶托力可能大于其上覆土压力，导致基坑底部失稳，严重危害基坑安全。因此，在基坑开挖过程中，需考虑基坑底部承压含水层的水压力，必要时按需降压，保障基坑安全。

基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力，即

式中：h——基坑底至承压含水层顶板间各层土的厚度，m；

γs——基坑底至承压含水层顶板间土的重度，

kN/m3；

H——承压水位高于承压含水层顶板的高度，m；

γw——水的重度，取10kN/m3；

Fs——安全系数，分别取1.0、1.05。

选取第一微承压含水层层顶埋深最不利的钻孔作为验算参考孔，其层顶埋深25.00m，绝对标高-23.02m。根据现场实测水位，第一微承压含水层初始水位为13.20 m，绝对标高约-11.00m。

故得到第一微承压含水层顶托力

Fs·γw·H=1×10[（-11.0）-（-23.02）]=120（kPa）

Fs·γw·H=1.05×10[（-11）-（-23.02）]=12（kPa）

基坑各开挖部位底板抗突涌稳定性验算结果见表1和表2。

表1 承压含水层抗突涌稳定性安全系数计算

表2 承压含水层抗突涌稳定性安全水位计算

针对上述计算结果，为保证基坑稳定，根据式（2），计算基坑开挖时基坑稳定临界开挖深度，见表3。

表3 基坑降压临界开挖深度

根据计算，当基坑开挖深度至标高-16.55m时，需提前开启降压井进行降压，以确保基坑安全。

4 降水渗流三维数值分析

4.1 离散水文地质模型

按照计算的平面范围、地层概化以及初始条件、边界条件，同时考虑抽水井、观测井、帷幕在离散模型中的空间位置，对计算区域进行离散，建立三维计算数值模型。为消除边界对模拟结果的影响，模型取边界外扩约500m[5]，实际计算区域约为 988m×953m，见图 4。

图4 离散模型

4.2 水文地质参数的反演

利用单井试验的试验数据进行参数反演，即选取2015年 5月 24日 9：00—2015年 5月 25日 9：00Y4抽水时的水位变化情况作为模型识别的依据。通过对观测井Y1、Y2、Y3、Y5的地下水位进行拟合，见图5-图8。

图5 Y4抽水时观测井Y1计算-观测水位拟合

图6 Y4抽水时观测井Y2计算-观测水位拟合

图7 Y4抽水时观测井Y3计算-观测水位拟合

图8 Y4抽水时观测井Y5计算-观测水位拟合

通过计算反演分析，获取的模型参数见表4。

表4 承压含水层水文地质参数反演值

表4 承压含水层水文地质参数反演值

含水层承压含水层层序土名土层渗透系数/（m·d-1）Kγ Kh粉砂粉砂、细砂储水率Ss/m-1 1.30 1.50 2.5 2.8 1.8×10-4 1.3×10-4

4.3 降水效果分析

如图3所示，需要在坑内布置39口降压井，其中8口为备用减压井兼观测井。另外，基坑外设置8口承压水观测井，承压含水层中的总井数为47口。计算中单井出水量为240～360m3/d。

开启33口降压井抽水5d后第一承压水降深见图9，水位降深可满足基坑减压降水需求。

图9 降压井抽水5d后承压水水位降深等值线

5 施工效果评价

工程实际效果表明，本设计方案及施工方法效果明显，具体体现在如下两方面。

1）降水效果。基坑内降压井降水深度达16m，最小降水深度15m，降水深度满足最大降水深度14.55 m的要求，基坑内未发生底板上浮及基坑突涌等灾害，确保了基坑顺利施工。

2）地表沉降。由于止水帷幕对承压含水层有一定的隔断，有利于减小坑外沉降。实测结果表明，距离基坑10m处沉降最大值为3.2mm，距离基坑30m处沉降最大值为2.4mm，沉降值在控制范围内，周边高层建筑及市政综合管线运行正常，确保了施工外部条件安全。□■

[1]冯晓腊,张睿敏,熊宗河,等.武汉某工程超深基坑降水设计与技术应用[J].施工技术,2015,44（S2）:11-14.

[2]侯玉杰,余地华,艾心荧,等.天津高银117大厦工程超大深基坑降水关键技术研究与应用[J].施工技术,2014,43（13）:1-5.

[3]周 闪,杜明芳,赵晓伟.郑州某地铁车站深基坑降水方案设计[J].铁道勘察,2016,42（4）:58-61.

[4]赵晓光,钟逸晨,张雪龙.高承压水对深基坑开挖施工的影响分析[J].施工技术,2016,45（S1）:169-171.

[5]袁 斌,武永霞,廖少明,等.基于数值模拟的富水砂砾地层深基坑降水方案优化[J].工程勘察,2017,45（1）:34-39.