浅析互层土地区深基坑的开放式降水

刘 波 付 磊

（浏阳经开区投资发展有限公司，湖南 浏阳 410331）

大部分基坑事故与地下水控制不当有关，故地下水控制是深基坑工程成功的关键。武汉市区某深基坑工程开挖深度最大达到28.8 m，是武汉地区开挖较深的基坑。尽管该深基坑在施工过程中出现了一些问题，但通过深入分析原因，采取合理有效的措施，在保证施工安全的前提下节省投资和工期。

1 工程概况

1.1 工程地质和水文地质条件

该深基坑工程场区原为武汉王家墩机场，场区较为开阔，周边无明显建筑物。拟建场地属于汉口区长江I级阶地地貌，地层条件比较复杂，其土层概化如图1所示，属于典型的二元相结构。场地内的上层滞水主要赋存于自然地面下4.5～12.1 m范围内，其水量受气候和周围补给影响较大。粉质黏土夹粉土、粉砂层及含圆砾中砂层中含有承压水，与长江、汉江存在水力联系，且承压含水层厚度比较大。

基坑总开挖面积约21 700 m2，基坑开挖深度20.2～28.8 m（坑中坑），基坑呈不规则多边形，工程桩采用钻孔灌注桩。

1.2 基坑降水设计方案

基坑降水的目的是疏干和减压，降水的目的层是粉质黏土夹粉土、粉砂以及粉细砂与粉质黏土互层。对该互层土中的承压水采用深井降水，该降水方案按稳定流承压非完整井考虑，采用大井法对基坑最大涌水量进行计算。最后设计结果为，在普挖区布置57口普通降水井和2口观测井，单井抽水量50 t/h；塔楼区需布置20口深井降水井和2口观测井，单井抽水量80 t/h，降水井布置如图3所示。

图1 降水井结构与地层概化复合图

2 基坑工程降水施工过程中遇到的问题

2.1 基坑西侧和南侧放坡段发生明显变形和滑塌

基坑的-10.1～-20.2 m标高段采用桩锚支护，基坑的0～-10.1 m标高段采用SMW工法桩加放坡喷锚支护，由于勘察报告中该地层淤泥质土层厚度比实际厚度小1～2 m，据此设计的SMW工法桩不能满足基坑开挖的要求，在基坑西侧和南侧该支护结构发生变形破坏。事故发生后进行施工变更，西侧和南侧采用二级放坡加土钉喷锚支护，在坑内采用深井降水的同时，南侧局部放坡段仍发生滑塌，其他部位及西侧放坡段坡顶裂隙宽度最大达20 cm，并有下滑之势，且发展速度加快。鉴于此，采用打木桩和坡底沙袋反压将其下滑速度控制，并在坡面土钉喷锚挂网支护和坡底设排水沟来排水，但随着基坑工程的进行，滑塌仍缓慢进行，且其影响范围进一步扩大。

2.2 基坑周边沉降明显

根据基坑北侧、东侧、南侧沉降监测点的实测数据绘制沉降曲线图2，可知，随着降水的进行，基坑周边沉降量较明显。

图2 沉降曲线图

从图2可以看出，由于基坑开挖，在基坑未抽水阶段，基坑周边已存在4～20 mm不等的地层沉降。进入降水阶段，沉降监测点沉降量开始增大，且随着日降水量的增加，监测点沉降速度开始提高，这基本与基坑的水位降同步，但在时效上滞后基坑降水；降水井投入使用的顺序是由普挖区转向塔楼区，这使得三处沉降监测点的沉降呈现出异步性，且由于互层土水位降的滞后性，故基坑周边沉降也表现出一定的滞后性和异步性。从图2可以看出，基坑东侧和南侧的最大沉降量分别为7.5 cm和8.2 cm，沉降比较大。

2.3 部分降水井出水不连续且出水量比较小

当基坑开挖至-6 m时，降水井开始投入工作，但降水井运行一段时间后发现，部分降水井出水不连续且出水量比较小，这在降水井数量没有一定的安全储备的情况下，对深基坑进行降水施工构成一定的威胁。

3 原因分析及解决措施

3.1 基坑西侧和南侧放坡段发生滑塌的原因分析及解决措施

该基坑工程施工期大多为雨季，水量来源丰富，地下水位过高，且上层滞水因黏土层的阻隔而与承压水水力联系微弱。互层土中的上层滞水不能很好地下渗至砂土中随基坑深井降水而抽排，上层滞水只能从侧向渗出，所以这才致使基坑的西侧和南侧的放坡段在喷锚挂网、打木桩及坡底反压的情况下仍发生滑坡。

鉴于此，在基坑内水位得到有效控制的前提下，据宜疏不宜堵的原则，在基坑的西南侧CDE段坡顶增加了7口疏导井 （SD1-SD7）兼作观测井，疏导井结构和布置分别如图1和图3所示，以将上层滞水和互层土中的微承压水导流至地层深处透水性强的砂土层中以通过深井降水加快上层滞水的抽排，从而达到标本兼治的目的。该场地原上层滞水水位-4.5～-12.1 m，但通过设置疏导井后，其水位下降至-14.6～-19.4 m。同时，基坑的西侧和南侧坡顶的最大水平裂缝稳定在20 cm，且其变形范围得以控制，其效果明显。

图3 降水井及沉降监测点平面布置图

3.2 开放式基坑降水导致周边沉降的原因分析及沉降控制

该基坑采用开放式降水，对基坑周边环境无法避免地造成不利影响，其中地面沉降最为突出。在施工降水过程中如何将地面沉降降至最低成为亟待解决的问题。被疏干的含水层及其相邻的可释水、欠固结的部分地层是基坑降水真正引起地面沉降的地层。本工程的上层黏土和粉质黏土层释水困难，且含水量小，对降水引起的地面沉降贡献较小，引起沉降的主要地层是赋存承压水的粉砂及粉细砂层，故控制好承压水的抽排量可减少沉降量。信息化施工，动态监测水位，分区抽水，按需抽水，是控制基坑周边沉降的关键。

在基坑开挖至地下室底板浇注完毕这个过程中，通过对南北二区观测井的水位监测结果分别绘制出基坑降水抽水量时程图和观测井水位时程图如图4所示，以此来指导基坑施工。

图4 观测井水位时程图

本基坑施工面积大且开挖深，为了将抽水量降至最低，根据基坑施工面位置和水位动态监测结果调整开启降水井的数量。观测井G1和G3的水位时程曲线见图4，根据图4可知，当普挖区降水井开始运行至20 d的时候，基坑整体地下水位下降较缓慢，塔楼区水位降幅较普挖区小。随着降水时间的延长和降水井开启数量缓慢增加，普挖区地下水水位降速变慢并趋于稳定，并最终维持在-23 m左右。综上可知，塔楼区在普挖区大量降水的基础上，并在塔楼区开挖前15 d就启动该区域布置的降水井，当降水至第35 d到第45 d期间，塔楼区启动的降水井数明显增加，该区域地下水位也迅速下降，其水位最终维持在-29 m左右，其地下水位在南区刚开始挖土时就已经达到设计要求的水位。这在一定程度上减少了总抽水量，从而达到按需抽水，节约工期的目的。

3.3 部分降水井出水不连续且出水量比较小的原因分析及解决措施

通过对降水井出水问题进行分析，其原因有以下三点：

（1） 场地的含水层中粉细砂与黏土层互层，且土层分布不均，设计和施工将其简化为均匀土层处理，以至运行降水井的时候其黏土层粉质颗粒黏附在滤网上，堵塞了滤孔，且互层土中的黏性土层作为相对隔水层使其越流水量减小，导致出水量变小，从而引起“掉泵”。

（2） 深井滤料的颗粒孔隙比偏小且级配连续，施工时，滤料未填到指定高度，影响深井的出水量。

（3） 洗井不够及时和充分，致使成井过程中护壁泥皮逐渐老化难以破坏和过滤层中夹杂的黏性土阻碍渗流路径，影响渗水效果，以致水量反应不灵敏。

针对上述问题提出以下措施： （1） 在互层土地区，当土层释水速度慢时，宜通过增大降水井管径和井周滤料厚度来增大降水井的出水速度和出水量，且滤料厚度要均匀。 （2）为了防止堵塞井管而影响出水量，施工过程中严格控制滤料级配，滤料围填完毕后经测量符合设计标高后方可使用优质黏土围填，不得使用大块黏土。 （3） 改善泥浆指标，增加洗井时间，降水井投入使用前进行试抽，当出水量和出水速度符合要求时方可投入使用。

4 结语

（1）对于上层滞水补给充足，放坡深度范围内分布有淤泥质黏土或工程性质不良的黏土时，据宜疏不宜堵的原则，宜在放坡段坡顶设置疏导井，将其上层滞水疏导至降水井的降水目的层，这对于控制边坡变形作用明显。

（2）对于采用开放式降水的大面积和大降深的深基坑，信息化施工，动态监测水位，分区分层抽水以及按需抽水是控制基坑周边沉降的关键。

（3）对于基坑周边环境比较敏感的地区，当基坑采用开放式降水时，应该设置必要的隔水帷幕辅助基坑降水。

（4）由于黏土夹层水位降的滞后性，使得互层土中的水位降敏感性降低，所以对于地层条件类似于本工程的基坑工程，降水要比基坑开挖提前20～30 d进行，这有利于缩短水位下降时间而节省工期。