地下水控制措施对基坑稳定性的影响分析

吕良春

（常德市建筑设计院有限责任公司，湖南 常德 415000）

0 引言

基坑在深挖过程中，由于改变了地下水流态，影响基坑内建筑施工，因此地下水监测是基坑监测必不可少的一项内容[1-2]。纪佑军、陆建生、周火垚等均对基坑降水提出了有效措施[3-4]。该文主要结合工程实例简要分析了地下水控制措施对基坑稳定性的影响，以期为相似工程提供参考。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

拟建常德市益高（小西门）棚改“清华沅澧”二期工程位于武陵区武陵大道与建设路交汇处西北角，南邻建设西路，东邻在建一期工程，西面、北面红线外紧邻规划道路及居民小区。由常德市沅澧城市发展有限公司投资开发。

该项目为大底座商品房建筑，地下室层数为2层（局部一层），地下室±0.000标高为34.15m，现状地坪标高约33.00m，基坑底板开挖面高程22.80m（1号楼范围28.10m），基坑开挖深度5.6m～10.20m，基坑安全等级为一级，为超过一定规模的危险性较大的分部分项工程。

1.2 场地岩土条件

据钻探揭露，各层土的地质情况见表1，具体结果如下。

表1 基坑土层性质

杂填土①：灰褐色，松散状，湿，该层土质分布较均匀，堆积时间10年以上，已完成自重固结。层厚度1.30 m～1.50 m。

淤泥②：黑色，流塑状，局部软塑状，含水饱和。该层厚度0.80 m～3.00 m。

粉质黏土③：褐黄色，可塑状。干强度和韧性中等，摇振无反应，土质均匀性一般。该层厚度1.70 m～5.20m。

粉土④：黄褐色，密实状，湿。干强度、韧性中等，摇震反应中等。该层厚度1.00 m～3.50m。

粉砂⑤：褐灰色，湿，松散状，粒径以0.075 m～2 mm为主，含量约60%。该层厚度0.60 m～3.80 m。

圆砾⑥：灰色，含水饱和，中密状，局部密实状，磨圆度Ⅱ～Ⅲ级，级配较好。该层厚度大于40.90 m。

2 地下水对基坑稳定性分析

2.1 地下水特性分析

对工程有影响的地下水为上层滞水及承压水，场地地下水对钢筋混凝土结构具有微腐蚀性，对钢结构具有微腐蚀性。

上层滞水：主要赋存于上部填土孔隙中，补给来源为大气降水、生活排水及地表水渗入补给，靠自然地表蒸发径流排泄为主，其水位变化较大，无统一自由水位，水位随大气降水及地表排水强度波动。

承压水：主要赋存于第四系粉砂及圆砾层孔隙中，与沅江（距离拟建场区南侧约500 m）有水力联系，并相互补给和排泄，其水位受沅江水位控制，并随沅江水位的涨落而升降。沅江洪水期地下水位升高，承压水接受沅江水补给，枯水期承压水向沅江排泄。勘察期间水位埋深约1.0 m，水位标高约31.00 m。据调查，最高水位标高31.50 m，最低水位标高25.50 m，变化幅度在6.00 m左右。圆砾含水层透水性强，富水程度中等。

2.2 基坑稳定性分析

该基坑两层地下室位置采用双排桩支护，验算嵌固稳定性。双排桩嵌固稳定计算如公式（1）所示[5-6]。

式中：Ke为嵌固稳定安全系数；Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值（kN）；aa、ap分别为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值（kN）；G为双排桩、钢架梁和桩间土的自重之和（kN）；aG为双排桩、钢架梁和桩间土的重心至前排桩边缘的水平距离（m）。

计算结果见表2，要求嵌固稳定安全系数大于规范值1.25。由表中可以看出，当地下水水位小于25.50 m时，嵌固稳定安全系数满足要求。水位越低，嵌固稳定安全系数越大。安全系数的提高主要来自于水位下降，水压力较小，有效应力增加，主动土压力减少，被动土压力增大。随着地下水位下降，土体抗剪强度也会适当提高，对基坑嵌固稳定安全系数同样也有增益作用。该工程选择枯水季节施工，设计最大降深5.7 m，降水难度和费用降幅明显。

表2 不同地下水水位对基坑稳定性影响

3 地下水控制设计方案

该基坑两层地下室位置采用双排桩支护，单层地下室地段及单排桩支护方案，同时验算整体稳定性及抗倾覆稳定性。为控制支护结构位移布置锚拉桩。采用悬挂式竖向止水帷幕结合管井降水进行地下水控制设计。

3.1 地下水控制原理

3.1.1 地下水控制要求

如果在基坑施工期间，水资源丰富，造成施工期间边坡坍塌和基坑底部流土，应对地下水水位进行控制，保障基坑安全。该工程中地下水控制在基坑中的主要目的如下：1）保证开挖作业区域干燥。如果基坑附件地下水较丰富，很容易渗入开挖作业区域，给施工带来不便。为保持开挖作业区域干燥，建议将地下水位降至开挖基底标高0.5 m以下。2）防止地下水水和侧壁土体流失。在开挖地下水较丰富的土层时，如果侧壁不采用防水帷幕或采用了防水帷幕但施工质量较差，地下水会从侧壁渗入开挖区域。如果泄漏量很大，整个基坑边坡都可能失稳。因此该工程采用高压旋喷桩作为竖向止水帷幕。3）避免基坑发生流土、管涌。该工程基坑底部有承压水含水层，通过设置管井降低地下水位，可有效避免流土、管涌破坏。为保证地下水位稳定，在降水过程中必须控制地下水抽排速率。

3.1.2 地下水控制关键要素

3.1.1.1 降水方式

各降水方法的对比见表3[7-8]。降水系统和排水系统的平面配置应根据基坑轮廓、场地条件和建筑条件确定，不影响后续施工。降水井宜设置在基坑的四周，并以一定间隔形成封闭系统。在地下水流速较大的情况下，可适当增加地下水负荷侧附近的降水井数量。对大型深基坑工作面来说，可在基坑中添加降水井。通过预测当地水位和优化降水方案，确定井的数量、井深、井的间隔距离和井的最终位置。

表3 常用地下水控制降水方法

在该工程中，考虑到基坑面积较大且降深较大，含水层为强透水层，结合本地经验采用管井方式降水。

3.1.2 止水帷幕

当基坑底面低于地下水位较多时，采用单一的开放式降水措施，将对场地周边既有建构筑物和地面造成较大的沉降变形，因此实际工程中均结合止水帷幕采取降水措施。常用的止水帷幕形式可分为悬挂式止水帷幕、落底式止水帷幕和水平封底止水帷幕[9]。

该工程采用悬挂式止水帷幕。该隔水方式能够将上层滞水隔绝，防止出现因侧壁水土流失导致地面塌陷。同时竖向止水帷幕改变了承压水渗流路径，通过结合坑外设置回灌井可以有效减少降水对周边环境的影响。

3.2 地下水控制设计

3.2.1 止水帷幕设计

止水帷幕设计使用年限1年，设计时地下水位采用枯水期平均水位28.00 m。

3.2.2 竖向帷幕高压旋喷桩

高压旋喷桩桩长根据渗流稳定计算确定。虚拟桩径1200 mm、桩长15 m、孔径130 mm、桩中心距800mm、桩身混凝土28天强度2 MPa、帷幕厚度不小于1m。材料：32.5普通硅酸盐水泥。

3.2.3 高压喷射注浆技术参数：三重管法

水压力25MPa～30MPa，流量80L/min～120L/min，喷嘴孔径2mm～3.2mm，喷嘴个数1～2个，空气压力0.5MPa～0.7MPa，流量0.5m3/min～2m3/min，喷嘴间隙1mm～3mm；浆液压力0.5MPa～3MPa，流量70L/min～150L/min，喷嘴孔径8mm～14mm，喷嘴个数1～2个。

3.2.4 浆液密度

浆液采用强度等级为32.5级的普通硅酸盐水泥搅拌制成，浆液密度1.5 g/cm3。水玻璃掺量为水泥质量的1%～2%，水玻璃模数2.4～2.8，浓度35-45Be（波美度）。水灰比1∶1.0。

3.2.5 注浆管提升速度

旋喷提升速度为7cm/min～14cm/min，旋转速度为11n/min～18n/min。高压旋喷应全孔连续进行，如果中途拆卸喷射管，则应进行复喷，竖向搭接长度不小于200mm，供浆正常的情况下，孔口回浆密度变小且不能满足设计要求时应加大进浆密度。竖向帷幕高压旋喷桩施工停机面标高33.0m，停浆面标高25.0m，桩底标高18.00m。

3.3 实施方案

该工程采用封闭式地下水控制方案（图1），基坑侧壁采用单排高压旋喷桩与支护桩之间的堵缝桩形成悬挂式竖向止水帷幕，基坑内布置18口降水井，基坑周边布置4口回灌井。

图1 封闭式地下水控制方案

竖向悬挂式止水帷幕与管井降水、回灌井形成一个完整的地下水控制系统。基坑面积15200m2，基坑总涌水量20500m3（将群井按大井简化，采用浅水非完整井计算公式计算），单井出水量50m3/h～70m3/h，有序地排入周边地下管网。其中集水井平面图如图2所示，集水井和排水沟相连接，用砖砌结构进行围挡，集水井通过收集降水井排出的地下水，并通过排水沟排出。

图2 集水井平面图（单位：mm）

基坑中布置降水井18口，将水位降至22.3 m以下，单井出水量50 m3/h ～70 m3/h，要求抽水时含砂量小于万分之一。降水井及回灌井井径600 mm，平均井深18 m～20 m，钢制井管直径325 mm，管外填黏性土（黏土球）或砾，过滤器长度8 m，外缠丝并包100目滤网。其中排水沟如图3所示，排水沟周围为砖砌结构，高度为30 cm，底部混凝土垫层增加排水沟稳定性，并并水泥砂浆进行抹面，防止排水沟渗水。

图3 排水沟截面图（单位：mm）

4 地下水控制方案效果验证

为了验证地下水控制措施，对基坑结构进行检测，检测项目如下：基坑顶部水平位移和竖向位移、深层水平位移、锚杆内力、地下水位、周边建筑（竖向位移、倾斜和水平位移）、周边建筑地表裂缝、周边管线变形。具体监测结果如下：1）冠梁、横梁无裂缝出现。2）止水帷幕无开裂、渗漏。3）桩顶无裂缝、沉陷及滑移。4）基坑无涌土、流沙、管涌。5）基坑周边建筑及路面无新增裂缝出现。6）沉降和桩顶水平位移未超过规范限值。由此可知，该工程中地下水控制方案可行。由此可知，该工程中地下水控制方案可行。

表4为地下水水位变化，由表中可以看出刚开始地下水位下降速率较快，速度约为0.5 m/天～0.6 m/天。在降水中期，降水速率大概为0.2m/天～0.4m/天。降水15天时，地下水降水基本稳定，水位控制在22.3 m左右。由表3可以看出本次降水方案可行。

表4 地下水水位变化

5 结语

该文针对地下水对基坑稳定影响问题进行研究，结合实例分析了在降水和支护条件下，地下水对基坑的稳定性的影响。可以得到下列结论：1）地下水控制设计是基坑设计中必不可少的环节，合理的地下水控制方案可以大大节约工程造价，其中施工季节的选择及合理的降水系统布置是方案成功的关键。该文推荐采用枯水期水位作为地下水控制水位。经过实例验证该水位不仅能够满足工程安全性要求，同时施工难度和复杂程度适宜。2）随着地下水水位降低，基坑稳定性逐渐增加，基坑安全性也随之提高。但是地下水水位过低会增加工程降水费用，同时会造成地下水资源的浪费。应采取有效措施（回灌等）防止坑外地下水骤降带来的建构筑物及地面沉降。