基坑开挖过程中管井降水系统设计及监测分析

2020-08-15孙春娥孟丽娟

建筑机械化 2020年7期

孙春娥，彭真，孟丽娟

（中建二局第二建筑工程有限公司，广东深圳 518000）

伴随着经济技术的快速发展，城乡一体化建设在社会发展中的地位逐渐凸显出来，越来越多的农村人口搬迁到城市居住[1]，房地产逐渐成为我国经济发展的支柱产业。工程项目建设伴随着大量基坑开挖[2]，地下水问题长期是阻碍现场土方开挖、基坑支护的重要影响因素之一[3]。因为地下水而导致的工程事故也时有发生，及时排水、合理开挖、有效支护为现今基坑开挖首要考虑的问题[4]。基坑开挖工程与其他地面工程施工有明显的差异，一方面，基础工程大多数属于地下水位以下[5]，且具备施工点位多、周期长的特点；另一方面，住宅基坑施工很大部分位于繁华地段，周围已经有大量建筑物、道路存在，合理设计降排水方案，选择有利的降排水技术，对降低工程施工对已有建筑物影响有直接的影响[6]。管井降水技术由于其降水速度快、人为可控性高等技术优点，能够有效阻断周围地下水回流现象，有效降低对周边环境的影响，被广泛应用于城市建筑基坑开挖支护过程的降水处理[7]。本文以某住宅项目基坑开挖为例，研究了利用管井降水时技术参数的确定步骤，并结合监测结果分析管井降水的有效性，研究结果为类似工程降水方法选择提供参考。

1 工程和地质概况

项目为住宅开发项目，地上32 层，地下1层，结构类型为框架剪力墙结构，设计基坑开挖深度6m，建筑物基地面积20.0m×75.0m。项目正负零绝对标高18.43m，基础底板绝对标高12.43m(-6m)。

根据前期地勘调查结果，项目地基范围内主要由杂填土、圆砾、卵石和泥岩组成，地基各层在层间分割处有部分混合现象，其主要技术参数见表1。

表1 项目地基条件及物理力学参数

2 降水方案技术参数确定

2.1 涌水参数确定

由于在项目东北角有河流存在，在基坑开挖之前，场地存在部分地表水覆盖区域，因此，基坑开挖之前，要现将地表水处理。基坑开挖之后，该地区周围地下水会大量涌入基坑，因此在确定降水方案时，考虑利用降水效率高、降水速度快的管井降水技术进行现场降水。基坑开挖过程中应该使用保持地下水位处于基坑底部0.5m以上，保证不出现突涌现象。由于地下水的主要补给方式为雨水，现场勘探期正好处于丰水期，导致地下水位较其他季节上浮0.6m左右，基坑开挖前对现场潜水进行抽水试验，计算得到该基坑范围内试验参数见表2，依据现场抽水试验结算结果，得到项目范围内地下水渗透系数k=72.37m/d，项目基坑开挖影响范围半径R=16.96m，单井涌水量Q=190.42m3/d。

表2 潜水抽水试验

依据现场潜水抽水试验计算得到单井涌水量最大值

式中 Q——基坑涌水量；

H——潜水含水层厚度；

S——基坑水位降深。

2.2 降水技术参数确定

依据现场地质勘探及涌水测算结果，基坑范围内潜水层主要以卵石为主，地下水渗透系数较大等于72.37m/d，涌水量较大，且降水深度小于15m，由此确定该项目基坑降水措施选用管井井点降水。

确定基坑涌水量

确定基坑降水井点数量

由此确定降水井数量为12 个。

式中 R——降水影响半径；

r0——基坑等效半径；

k——渗透系数；

a、b——基坑长、短边边长。

2.3 降水系统施工工序

为有效实施基坑管井降水措施，确定实施管井降水方案的施工工序详细见图1。

图1 降水系统实施步骤

3 监测方案及结果分析

3.1 监测方案

为有效防治基坑开挖对项目周围环境及现场施工带来的不利影响，基坑开挖过程中必须对因为开挖而可能导致的不利因素进行监测。本文在利用前文管井井点降水的基础上对项目基坑实施科学开挖，开挖过程秉承“监测先行、信息化施工”的基本指导思想，对基坑开挖过程中影响点进行现场监测，监测部位分为周边建筑物沉降监测、周边道路沉降监测及基坑坡顶水平位移监测。监测点位布置原则如下。

1）周边建筑沉降监测先确定需要监测的周边建筑物，在对应建筑物外墙上确定20 个沉降监测点位，沉降观测点距离地面高度1.5m 左右，保证所有监测点清晰可见。监测设备：水准仪。监测周期：基坑开挖初期，每天监测1～2 次，开挖过程中每1～2 天监测一次，沉降变形稳定后，每周监测1 次，如出现降雨结构异常等增加监测频率。

2）周边道路沉降监测确定基坑周围需要监测道路，在待监测道路上布置20 个监测点，点位布置要尽可能不被路人破坏，监测设备及监测过程与周边建筑物沉降监测一致。

3）基坑坡顶水平位移监测在基坑周围布置20 个水平监测点位，监测点之间间距5～10m，。监测设备：全站仪。监测过程与周边建筑物沉降监测一致。

监测过程中均在基坑开挖及管井降水实施前进行2～3 次监测，得到监测原始数据，然后以该原始数据与后期监测过程中监测数据进行对比分析。

3.2 数据处理

周边建筑物沉降监测和周边道路沉降监测均利用水准仪对监测点在施工过程中竖向位移进行监测，因此可以利用以下公式进计算。

∆h=h2-h1

式中 h2——后一次监测点高差；

h1——前一次监测点高差；

∆h——监测间隙期监测对象沉降值。

基坑坡顶变形监测需要利用全站仪对监测点水平位置进行监测，分析基坑坡顶向基坑的偏移量，其分析计算公式如下。

式中 s——基坑偏移量；

x1、y1——后一次监测坐标值；

x2、y2——前一次监测坐标值。

由此分别得到基坑开挖期间周围建筑物沉降、周围道路沉降及基坑坡顶水平位移监测结果。

3.3 监测结果分析

利用上述公式分别对监测结果进行处理，对多个监测结果取平均值进行分析，分别得到周围建筑物沉降、周围道路沉降和基坑坡顶水平位移随时间之间关系如图2～图4。

图2 周围建筑物沉降观察值

图3 周围道路沉降观察值

图4 基坑坡顶水平位移检测值

由图2～图4 开挖与变形之间关系有，伴随基坑降排水和开挖过程，基坑周围建筑物沉降、基坑周围道路沉降量和基坑坡顶水平位移量均呈现先迅速增加，后缓慢增加，最后逐渐稳定3 个阶段，但是三者之间变形量之间存在一定的差异性。其中，由图2 基坑周围建筑物沉降量与基坑降排水和开挖过程之间关系可以得出，基坑降排水和开挖初期周围建筑物沉降量增加较快，第一天沉降变形为0.38mm，其后3d 沉降变形分别为0.21mm、0.16mm 和0.07mm，每日沉降量呈现逐渐降低的状态，从基坑降排水和开挖第五天开始，周围建筑物沉降量几乎不在增加，此次监测期内，基坑总体沉降为0.84mm。由图3 基坑周围道路沉降与基坑降排水和开挖之间关系有，基坑降排水及开挖第一天，道路沉降监测值为0.65mm，其后3 天沉降检测值分别为0.36mm、0.21mm、0.07mm，其后一段时间内，道路不再出现明显沉降，其变形区域稳定，整体沉降变化关系与建筑物沉降变化趋势一致，此次监测期内，由于基坑降排水和开挖导致的道路沉降值保持在1.329mm 内。由图4 基坑坡顶水平位移与基坑降排水和开挖之间关系，发现基坑降排水及开挖前五天内，基坑坡顶水平位移分别为1.93mm、1.31mm、0.64mm、0.34mm 和0.25mm，最后稳定在4.66mm 之内。整体变化趋势与建筑物沉降变化趋势一致。

分析基坑降排水和开挖导致的基坑周围建筑物承建、建筑周围道路沉降和基坑坡顶水平位移之间差异性，可以发现最终变形量表现为基坑坡顶变形量大于道路变形量，道路变形量大于建筑物变形量，出现这一现象原因为基坑坡顶变形变现为坐标点位移，考虑了两个方向变形，且基坑坡顶距离基坑边界最近，其受影响程度最严重，因此出现的变形量最大。建筑物变形与道路变形是由于基坑降排水和开挖之后，地下水位线降低和水平方向应力释放而引起，由于建筑物上部荷载较大，其地基受负荷能量较大，因此在基坑降排水和开挖之后出现沉降量较小。

根据GB 50497-2009《建筑基坑工程监测技术规范》，基坑变形监测不能超过表3 规定极限值。