龍　照，張恩祥，沈秋武，張森安，何臘平

（1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅蘭州730000；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

蘭州強透水卵石與弱透水風化砂巖組合地層深基坑降水

龍照*1，2，張恩祥1，2，沈秋武1，2，張森安1，2，何臘平1，2

（1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院，甘肅蘭州730000；2.中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅蘭州730000）

基于蘭州市城關區(qū)黃河南岸Ⅱ級階地強透水卵石與弱透水風化砂巖組合地層中深基坑常用支護型式和降水方法，總結(jié)降水失敗經(jīng)驗、分析破壞模式，在蘭州紅樓時代廣場項目深基坑降水實踐中，采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡易輕型井點相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題，并在蘭州市類似地層基坑工程中得到了推廣應用，可供其它地區(qū)類似地層基坑工程降水設計參考。

深基坑；降水；風化砂巖；管井；輕型井點

1　概述

蘭州市城關區(qū)黃河南岸Ⅱ級階地地層主要由上部填土、粉土或粉質(zhì)粘土、卵石和下部第三系風化砂巖（巨厚層）組成。一般卵石層頂面埋深約4～7m，砂巖層頂面埋深約6～11m；地下水位埋深約4～6m，屬孔隙潛水，卵石層為主要含水層，滲透系數(shù)一般介于30～60m/d，下部風化砂巖層為弱透水層，滲透系數(shù)一般介于1～3m/d。蘭州市的第三系風化砂巖屬“半成巖”，顆粒級配一般為砂粒（2～0.05mm）占70%～90%、粉粒（0.05～0.005mm）占5%～20%、粘粒（＜0.005mm）占5%～10%，以粉砂巖或細砂巖為主，亦有中砂巖；保持原狀結(jié)構(gòu)時，很密實，強度較高；基坑開挖后若遇水浸泡，組織結(jié)構(gòu)遭受破壞，即呈散砂狀［1-2］。

2010年之前，蘭州市內(nèi)新建高層建筑物一般設1～2層地下室，基坑開挖深度最深不超過12m，基坑開挖深度范圍內(nèi)地層以填土、黃土狀粉土和卵石層為主，即使進入下部第三系風化砂巖層，亦鮮見超過3m?；咏邓饕捎每油夤芫邓?、坑內(nèi)設置排水明（盲）溝和集水坑二次降水的方法，其中管井深度一般按濾管進入砂巖層0.5m控制，即管井降水針對的是卵石層地下水，風化砂巖層滲水主要依靠坑內(nèi)收集后明排解決。基坑開挖過程中，即便下部風化砂巖層遭到地下水浸泡，坑內(nèi)設置盲溝疏干后的原位載荷試驗結(jié)果仍能500～600kPa以上，可滿足一般高層采用天然地基的承載力要求。

2010年之后，隨著市內(nèi)車位數(shù)量需求的大幅增長和一批超高層建筑的興建，地下室層數(shù)增至3～4層，基坑開挖深度亦隨之增大，如蘭州紅樓時代廣場項目地基承載力特征值需求1360kPa，基坑最大開挖深度26.3m，進入下部第三系風化砂巖層深度達17m。隨之而來的是，原地方習慣的基坑降水方法已無法解決此類強透水卵石與弱透水風化砂巖組合地層的深基坑地下水問題，并因此造成了因下部風化砂巖層滲流、坑壁管涌破壞導致基坑坍塌或因下部風化砂巖層滲水無法控制導致地下室減層等諸多事故的發(fā)生。

基于蘭州市城關區(qū)黃河南岸Ⅱ級階地強透水卵石與弱透水風化砂巖組合地層深基坑常用支護型式和降水方法，總結(jié)分析深基坑降水失敗、破壞模式，在蘭州紅樓時代廣場項目深基坑降水實踐中，筆者采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡易輕型井點［3-5］相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題，并迅速在蘭州市類似地層基坑工程中得到了推廣應用。

2　基坑下部風化砂巖層滲流破壞模式

因蘭州市的第三系風化砂巖膠結(jié)作用差，遇水軟化即成散砂狀，又以粉砂巖或細砂巖為主，若井管濾網(wǎng)或濾料規(guī)格等不符合要求，極易出現(xiàn)“抽出紅砂”、下部抽成空洞、地面塌陷等現(xiàn)象；另風化砂巖層滲透系數(shù)僅為1～3m/d，與其上部卵石層相比，采用管井降水效果不甚明顯。故一直以來，蘭州市習慣性的做法是，管井深度一般按照濾管進入砂巖層0.5～1m左右控制（最下一節(jié)為實管，長2.5m），常用井間距20～30m。

迄今，蘭州市應用最多的基坑支護型式主要為樁錨和（復合）土釘墻。如圖1所示，基坑開挖進入下部風化砂巖層后，地下水從坑壁坡腳處滲出；隨著開挖深度的增加，出水位置亦向下移動。在滲流作用下［6］，風化砂巖中的粉細砂顆粒逐漸流入坑內(nèi)，從而使邊坡下部掏空，甚者引起邊坡坍塌。隨時間的延長，因流砂而引起的空洞會逐步發(fā)展，直至與卵石層連通；此時，降水井將失去作用，周邊的地下水近乎全部通過這些貫通的管涌通道匯入基坑內(nèi)，嚴重時基坑再無法繼續(xù)下挖。

圖1　破壞模式示意圖

3　工程概況與地質(zhì)條件

3.1工程概況

蘭州紅樓時代廣場項目位于蘭州市城關區(qū)南關什字東南角，北臨慶陽路、西接酒泉路、南靠中街子、東鄰蘭州交通銀行（15F）及其配套附屬用房和地下設備用房（如圖2所示），用地總面積約10000m2；由裙房和超高層塔樓組成，主體高度246.2m，樓宇總高度266m，地下3層。建筑物基礎外邊線距離用地紅線一般僅約3～7m，場地內(nèi)及周邊有大量市政管線分布。

3.2地質(zhì)條件

工程場地位于黃河南岸Ⅱ級階地，地勢基本平坦，基坑深度范圍內(nèi)地層主要為雜填土、粉質(zhì)粘土、卵石和風化砂巖，其中：雜填土平均厚度約4.1m，粉質(zhì)粘土平均厚度約1.6m，卵石平均厚度約3.4m，風化砂巖層面埋深約5.4～10.6m，屬巨厚層。

場地穩(wěn)定地下水水位埋深3.7～4.6m，屬第四系孔隙潛水，主要含水層為卵石層，滲透系數(shù)50m/d；第三系風化砂巖為下部弱透水層，滲透系數(shù)1m/d。地下水主要受上游地下水徑流及大氣降水滲入補給，由西南向東北徑流。

4　基坑支護方案簡介

圖2　基坑周邊環(huán)境示意圖

基坑開挖總面積約9115m2，周長約400m；施工圖設計時因坑中坑深度尚未確定，根據(jù)主體設計單位要求，基坑設計開挖深度統(tǒng)一按19.3m考慮。采用樁錨支護型式，樁頂標高-2m，樁長26.3m，樁徑1m，樁間距1.9m，冠梁尺寸0.8m×1.2m；樁身設置三道預應力錨索；為防止樁間土滲流破壞，相鄰兩支護樁間設置一根樁徑1m的素混凝土樁擋土；典型支護剖面如圖3所示。受限于當時當?shù)氐你@探取樣水平，勘察報告未能提供風化砂巖剪切參數(shù)，設計時，該層計算參數(shù)取經(jīng)驗值：g=22kN/m3、c=50kPa、φ=35°、t=150kPa。

隨著主體設計方案的最終確定，當基坑開挖至11～13m時，其開挖深度需進行較大幅度的調(diào)整：裙樓基坑開挖深度調(diào)整為17.4～19.65m；主樓坑中坑開挖深度一般為25.3m，局部達26.3m，較原設計深度深7m；東側(cè)陽角處支護結(jié)構(gòu)與坑中坑上口線最近距離約5.44m，南側(cè)支護結(jié)構(gòu)與坑中坑上口線最近距離僅約3.95m；另，坑內(nèi)分布有許多尺寸、深度不一的基礎坑和集水坑。

此外，現(xiàn)場風化砂巖的原位剪切試驗和錨索拉拔試驗結(jié)果顯示，該場地風化砂巖的剪切參數(shù)小于原設計采用值：c=30kPa、φ=30°、t=70kPa，應對計算參數(shù)進行調(diào)整后復核原設計。

基于上述重大變化，對原設計支護結(jié)構(gòu)進行了如下加固處理：（1）為提高單位長度錨索的抗拔承載力，將原設計位于風化砂巖層的普通錨索調(diào)整為高壓旋噴自帶鋼絞線錨索；（2）對受坑中坑影響、設計開挖深度為18.4～18.9m的裙樓段基坑支護結(jié)構(gòu)，于-13.3m處增加一道高壓旋噴錨索，錨固長度8m、自由段長度5m；（3）對受坑中坑影響、設計開挖深度為19.9～21.3m的裙樓段基坑支護結(jié)構(gòu)，于-13.3m和-15.8m處各增加一道高壓旋噴錨索，錨固長度8m、自由段長度5m；（4）對受坑中坑影響最大的東側(cè)陽角位置，于-9.5m處增設一道鋼管內(nèi)支撐，如圖4所示。

圖3　典型支護剖面示意圖

圖4　鋼支撐平面布置圖

5　基坑降水方案設計

5.1降水的重要性與技術思路

根據(jù)設計要求，該項目主樓擬采用天然地基、筏板基礎，地基承載力特征值需求達1360kPa?？紤]到場地下部第三系風化砂巖揭露后遇水即軟化，擾動后承載力急劇下降的現(xiàn)狀，若降水失敗，基坑開挖過程中無法確保干作業(yè)條件，最終導致地基載荷試驗結(jié)果無法達到設計要求，則將造成巨大的損失和無法估量的后果。故該工程基坑降水的成功與否，直接關系到整個工程的成敗。

為保證有效地將基坑內(nèi)地下水疏干，確保地基載荷試驗順利進行，在降水方案設計及實施中，主要按如下技術思路：

（1）采用坑外管井降水的方案解決上部卵石層的地下水問題；

（2）進入下部風化砂巖層后，采用于坑壁設置斜向簡易輕型井點（30°入射角）、坑底布設豎向簡易輕型井點，分層向下施工的方案解決風化砂巖層的滲水問題。

5.2坑外管井降水

通常，蘭州地區(qū)基坑降水設計時［7］，采用式（1）和式（2）分別計算總涌水量Q和單井出水量q：

式中：k——含水層滲透系數(shù)，m/d；

H——含水層厚度，m；

S——設計水位降深，m；

r0——基坑等效半徑，m，r0=；

rs——過濾器半徑，m；

l——過濾器進水部分長度，m。

本工程地下水位-3.7m，考慮1.5m地下水位變幅，含水層厚度和水位降深均為6.8m，基坑面積A取9115m2，卵石層滲透系數(shù)k取50m/d，代入式（1），可得卵石層總涌水量Q約為4603m3；蘭州地區(qū)常用濾水管半徑可取0.15m，過濾器進水部分長度取1m，代入式（2）得管井的單井出水量q約為208m3。則本工程卵石層降水所需管井數(shù)量n可由下式計算：

最終，在基坑周邊呈環(huán)形布共設23口降水井（如圖5所示），按西南側(cè)來水方向井間距15m、其余側(cè)井間距20m；井徑0.8m，管徑0.3m，井深按濾管進入砂巖層1m控制（最下一節(jié)為實管，長2.5m）。

5.3坑內(nèi)簡易輕型井點降水

隨土方開挖，揭露該層風化砂巖層后，先在坑壁設置一圈斜向簡易輕型井點（30°入射角），然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況需要，在坑底中間部位布設多組豎向簡易輕型井點（如圖6所示），每層輕型井點有效降水深度按3～4m考慮。隨著開挖進入風化砂巖層深度的增加，設置多級斜向簡易輕型井點和多級豎向簡易輕型井點。

井點管采用?30mm～?40mm的PVC管，長度按6m，端部1.5m范圍加工成濾管（花管），呈梅花型鉆?8mm的濾孔，濾管壁及端頭處包兩層網(wǎng)眼為100目的尼龍絲布細濾網(wǎng)，按每隔50mm豎向間距采用10號鉛絲綁扎一道；豎向井點管間距按1.2m均布（斜向井點管按每相鄰支護樁間設置兩根），每組共16根。導水總管采用?50mm的PVC管；井點管埋設采用鉆孔或沖孔法，井點管與導水總管連接采用透明軟管或膠皮管和總管上的三通（丁字通）連接，并采用10號鉛絲綁扎牢固。

圖5　降水井平面布置圖

圖6　坑內(nèi)簡易輕型井點降水示意圖

當最后一層輕型井點設置在基底標高處時，在基底開挖井點管小溝槽，尺寸約20cm×20cm，伸出地面的井點管及導水總管均鋪設在該小溝槽內(nèi)；鋪設完成后，用粗粒料將該溝槽填平，基底明水抽干后即可澆筑墊層，并進行后續(xù)基礎施工，井點管及導水總管埋入基礎底板之下，無需回收。

5.4降水效果

該工程從2012年11月開挖進入風化砂巖層至2014年3月基底封閉，基本實現(xiàn)了坑內(nèi)干作業(yè)的目標，確保了風化砂巖層地基載荷試驗的順利進行。在整個基坑開挖、降水長達2年的時間內(nèi)，坑頂水平位移和周邊建（構(gòu)）筑物、管線沉降均滿足規(guī)范要求。

5.5不采用止水帷幕的原因

鑒于在中東部地區(qū)，采用止水帷幕、坑內(nèi)降水的方案往往能取得不錯的效果；蘭州的工程技術人員嘗試在此類上部強透水卵石與下部弱透水風化砂巖組合地層中進行了高壓旋噴樁止水帷幕的現(xiàn)場試驗，試驗結(jié)果表明，因卵石和風化砂巖顆粒組成、密實程度等的差異巨大，在此類組合地層中高壓旋噴樁止水帷幕成型極其困難。

為解決這一問題，稍后于紅樓時代廣場項目開工建設的某超高層商業(yè)綜合體基坑，在蘭州市首次采用了地下連續(xù)墻+鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護型式，但基坑開挖進入下部風化砂巖層后，因受坑外高水位影響，出現(xiàn)坑底滲水更嚴重，砂巖軟化，工程設備、施工人員無法進入坑底作業(yè)的情況；最終亦不得不采取坑底分層施作豎向簡易輕型井點的方法解決該問題。

可見，止水帷幕+坑內(nèi)明排的方案亦無法有效解決該類組合地層基坑降水問題。此外，對經(jīng)濟落后的蘭州地區(qū)而言，止水帷幕遠超管井降水的造價是設計和施工中必須考慮的重要因素。

6　結(jié)語

（1）基于蘭州市城關區(qū)黃河南岸Ⅱ級階地強透水卵石與弱透水風化砂巖組合地層深基坑常用支護型式和降水方法，總結(jié)降水失敗經(jīng)驗、分析破壞模式，進而在蘭州紅樓時代廣場項目深基坑降水實踐中，采用坑外管井與坑壁斜向、坑底豎向簡易輕型井點相結(jié)合的聯(lián)合降水方法，較為成功地解決了這一難題。

（2）采用PVC管代替鋼管的簡易輕型井點降水方法，具有操作簡便、施工速度快、較為經(jīng)濟等優(yōu)點；在近兩年蘭州市類似地層基坑工程中的應用實踐表明，該法與管井降水合理結(jié)合，最大限度地發(fā)揮各自的降水能力，可取得良好的降水效果和經(jīng)濟效益，可供其它地區(qū)類似地層基坑工程降水設計參考。

［1］張恩祥，何臘平，張森安.蘭州市區(qū)第三系風化砂巖地基承載力試驗研究［J］.工程勘察，2015，43（6）：11-14.

［2］張森安，杜俊，胡殿杰，等.蘭州地區(qū)風化砂巖地基工程特性及工程參數(shù)［J］.工程勘察，2015，43（6）：15-19.

［3］劉正勇，顧洪潮.簡易輕型井點降水法在蘇北工地中的應用［J］.建筑技術開發(fā)，2014，41（1）：37-41.

［4］李榮峰，李成華，邱晨，等.輕型井點與管井降水在深基坑工程中的聯(lián)合應用［J］.土工基礎，2004，18（2）：11-13.

［5］杜德明.深基坑內(nèi)45°橫向降水施工技術［J］.建筑施工，2006，28（2）：23-25.

［6］工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［7］JGJ 120-2012中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部.建筑基坑支護技術規(guī)程［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

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1004-5716（2016）09-0192-04

2015-09-08

2015-09-11

龍照（1981-），男（漢族），湖南桃江人，高級工程師，注冊巖土工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察、設計工作。