高水位粉砂土层综合管廊基坑降水技术*

陈雁云，王云锋，周春亮

(中交路桥华东工程有限公司，上海 201210)

0 引言

随着我国大规模经济建设，地下工程项目数量越来越多、规模越来越大、基础越埋越深、条件越来越复杂，各类地基基础、基坑施工都需要考虑进行地下水控制[1]。地下水控制是工程建设的重要组成部分，具有很强的科学性和专业性，对岩土工程设计、施工的影响最大也最复杂。

在众多影响基坑安全的因素中，地下水占有重要的作用。根据大量的基坑工程事故统计，很多都与地下水有关，而且后果往往很严重。地下水对基坑工程的影响，除了水土压力中水压力对支护结构的作用外，最主要在于基坑涌水涌砂、边坡失稳(滑坡)、渗流破坏(流砂、突涌、管涌)、水土流失造成地面塌陷、排水固结引起地面沉降、建筑物变形以及水、土资源环境恶化等[2]。选择合理的地下水控制方法，可防止地下水的不良作用对基坑安全及周边环境产生影响，保障基坑工程和地下工程施工正常进行。

1 工程概况

高港大道(通港路～扬子江路)地下综合管廊工程项目地处泰州高港地区，毗邻长江，综合管廊长2.462km，断面尺寸为8.7m×4.0m，分3舱布置，分燃气舱、综合舱、电力舱，内含系统包括供配电、消防、通风、电气、监控、排水等系统。

综合管廊基坑开挖深度约为7～14m，建筑场地类别为Ⅲ类，抗震设防烈度为7度，基坑支护结构安全等级为二级。综合管廊基坑支护类型为钻孔灌注桩+内支撑，钻孔灌注桩为φ850@1 050排桩，桩顶设1 200mm×900mm钢筋混凝土冠梁；钢支撑采用φ800×10钢管，纵向布置间距为6m，内支撑一端设置活络端，施加250kN的预加力；灌注桩外侧采用φ600@400双重管高压旋喷桩作止水帷幕，并结合管井降水，如图1所示。

图1 基坑支护示意

2 地质与水文条件

2.1 地形地貌

高港区属长江三角洲冲积平原，古代是浅海，后来逐渐成为陆地。地形平坦，地面高程一般为2.000～5.000m、最低处1.800m(局部地面)。大体北部为高沙平原，南部为沿江平原，江岸线附近的狭长区域为江边滩地。

2.2 地质条件

根据地质勘察报告，本项目的地基土体可分为4层，现从上至下依次为：①表土 灰褐色～灰色，上部含大量砖砾碎石等，下部由素填土组成，主要由粉土、粉质黏土组成，饱和，松散状，局部含植物根茎，河道部位以淤泥、淤泥质土为主，该层土整个场区普遍分布，土质不均，成分杂，结构松散，为高压缩性低强度土，工程性质差；②粉砂 灰黄色～青灰色，饱和，中密，以石英、长石、云母等为主要矿物成分，浑圆状，磨圆性好，颗粒均匀，级配不良，黏粒含量极低，该层属中偏低压缩性、中等强度地基土，工程性质较好；③粉砂夹粉土 粉砂，青灰色，中密为主，饱和，主要矿物成分为石英、长石、云母等，浑圆状，磨圆性好，颗粒级配不良，黏粒含量平均值低；粉土，灰黄色～青灰色，湿～很湿，稍密～中密，摇震反应迅速，无光泽反应，低干强度，低韧性；粉土与粉砂的层厚比约为1/3，场区普遍分布；该土层为中低压缩性，强度中等，工程性质好；④粉砂 青灰色，中密为主，饱和，主要矿物成分为石英、长石、云母等，浑圆状，磨圆性好，颗粒级配不良，黏粒含量低，场区普遍分布，该土层为中低压缩性，强度中等，工程性质良好。土体力学参数如表1，2所示。

表1 土体力学参数

表2 地基土承载力 MPa

2.3 水文条件

根据区域水文地质资料，场区历史最高地下水位及近3～5年最高水位埋深约0.5m，地下水位年季节变化幅度一般在3.0m，呈冬季向夏季渐变高的趋势。

3 地下水不良作用

基坑工程中地下水的不良作用可归纳如下。

1)在含水层处于饱和状态下开挖或止水帷幕失效，产生渗流破坏。如发生流砂、滑坡、管涌和基底突涌。其中，大量的泥砂流失将产生灾难性后果，如建筑倾斜、基坑失稳等。

2)地下水位下降引起地层固结沉降，导致周围地面沉降甚至区域性地面沉降。

3)强透水性含水层的大量涌水，导致基坑被淹或者水位无法降至满足施工要求。

4)坑内土体疏干效果差，影响基坑施工效率。

以上也是深基坑地下水控制的4个要素。本项目水位较高，土层为粉砂及粉砂夹粉土地质，透水性强，降水施工对管廊基坑施工起到至关重要的作用。若降水失效，坑内水位无法达到坑底以上，导致基坑无法干作业；若过分大面积降水，可能导致周边道路、构筑物沉降超标，引起开裂甚至倒塌。

4 降水设计

4.1 降水类型

降水方法根据场地水文地质条件、降水目的、降水技术要求、降水工程可能涉及的环境保护因素等进行选择(见表3)。土质主要为粉砂层，另有粉砂夹粉土，渗透系数大，采取的降水类型为管井[3]。

表3 降水类型

4.2 降水分析

综合管廊基坑地下围护结构与止水帷幕深入到降水含水层中，部分隔断基坑内、外的水力联系，地下水的流动受到阻挡，渗流边界非常复杂，地下水呈三维流态，降水设计时往往需要进行渗流计算[4]。此类型基坑降水为“隔水帷幕深入降水含水层中的基坑降水”。

土层的含水层厚度大，周边环境有道路、房屋构筑物，常采用此类方法进行地下水位控制，由于受围护结构绕流阻水的影响，坑内降水时，基坑内、外往往会产生较大的水位差，需预防管涌发生[5]。降水结构如图2所示。

图2 降水结构

项目周边环境场地复杂，不适用于采用坑外降水，采用坑内降水主要控制坑外水位不下降或少下降，有利于环境保护，缺点是形成坑内、外水头差，易引起管涌。初步拟定降水方案，在坑内两侧按梅花形布置管井，纵向间距15m，管井深度设在坑底以下2m，管井直径300mm。

4.3 降水模拟计算

1)抗渗流稳定计算

抗渗流计算方法采用临界水力坡度法[6]，垂直渗径换算系数(上段)0.8，垂直渗径换算系数(下段)1.0，水平渗径换算系数0.0，有效重度由饱和重度计算。通过计算得出抗渗流稳定安全系数为2.2。

2)地表沉降计算

地表沉降计算方法采用同济抛物线法[7]。按单点降水深度不同计算地表沉降，当降水深度达到最大时，地表沉降最大为8.3mm，地表沉降分析如图3所示。

图3 沉降计算

3)降水计算结果如表4所示。

表4 降水计算结果

通过初步分析计算，井群出水量和单井实际出水量满足要求，选择出水量大于90m3/d的水泵，功率选择2.2kW。

5 降水施工

5.1 管井施工

降水期间需对水位等监测数据进行分析，确保基坑外侧水位变化不影响周边建筑及市政设施。采用φ300mm井管形成深井降水系统，成孔直径≥500mm，成井深度结合现场实际情况但需保证降深。井管外径为300mm，基底标高以下管壁上布φ10@40孔，梅花形布置。为保证井管周边有良好的透水性及防止泥砂渗入，应在管壁外侧包2层30目滤网[8]。管井降水在开挖前14d开始施工。

5.2 管井运行

1)施工期间需确保管井连续抽水，施工用电须达到100%的保证率，同时要配足够数量的备用水泵[9]。选择一个管井为观察孔，保证降水水位线在基坑0.5m以下。

2)在临近建筑物边设置沉降观察点。降水后需进行24h不间断观测，一旦发现有沉降须立即停止降水或减少降水，并做好记录、分析。

3)分析整理记录，绘制抽水时间与地下水位的变化关系图表、出水量(设置量水设备测量流量)与抽水时间的关系图表，依据观测记录绘制水位降落曲线及动态变化情况。

图4 观测井水位标高

6 实施与优化

6.1 实施过程

按拟定的方案进行实施，通过14d的观测，坑内最终水位维持在坑底以上约100cm处，未达到降水效果，1～5d水位逐步连续下降，6～14d基本维持在平衡，水位无下降情况。选取了3个观测井进行统计分析，水位标高如图4所示。

针对此降水失效情况，分析现场实际现象：①期间管井降水运行正常；②第7天时发现管井内的水位已达到极限，出现无水现象，说明井内出水量大于涌水渗水量；③出现井内无水现象时，停止降水约1h，管井内水位上涨约1.5m高。

6.2 措施优化

针对以上现象，分析原因，主要是管井长度不够、降水深度不够、降水井间距过大等导致降涌平衡，坑内水位一直处于坑顶上，模拟计算出坑内水流夹角为116°，如图5所示。

图5 降水失效原因分析

因此，对管井设计进行优化调整，在坑内两侧按梅花形布置管井，纵向间距10m，管井深度设在坑底以下5m，另外，考虑管井深度越深渗水涌水量越大，需保证水泵出水量满足渗透量要求[10]。

通过实施观测，降水期间第7天坑内水位已达到坑底以下1m位置，后续基本保持稳定，在此布置情况下，出水量与渗水量平衡。以此作为经验值参考，进行大面积降水施工。

7 结语

通过项目实施情况可以得知，在高水位粉砂土层下综合管廊基坑降水施工取得良好成效，能满足施工作业要求。

基坑的降水设计作为理论参考，可依据止水帷幕深度、降水井深度、出水量、土层渗透系数等参数确定。但由于土质土层的复杂性，更需要通过实施，对降水效果进行判断分析，取得经验值，确定降水范围、降水时间等。

由实践得知，止水帷幕越深，降水深度越大，坑内降水效果越显著，但需考虑方案的合理性与经济性，选择最合适的设计。在一定深度的止水帷幕下，可增加管井数量，适当加大管井深度，控制单个水泵出水量，谋求降水平衡。此施工技术可为其他同类型环境的基坑降水提供参考。