李 勇，龔有文，曹 言

(中建交通建設(shè)集團有限公司，北京 100071)

0 引言

近年來，隨著城市建設(shè)腳步不斷加快，臨近河道區(qū)域房屋建筑施工項目逐漸增多，但由于近河區(qū)域地下水豐富，存在水位高、地層滲透系數(shù)大、水位受季節(jié)變化大等特點，導(dǎo)致近河區(qū)域的基坑降水問題更加復(fù)雜、突出。近河深基坑往往在施工過程中易受河道徑流補給而造成基坑近河側(cè)涌水，若不采取合理降排水方式，選擇合理的降水井?dāng)?shù)量，容易造成基坑突涌、流砂、坍塌等現(xiàn)象，輕則影響施工進度及質(zhì)量，重則使周圍建筑物發(fā)生沉降、傾斜，造成結(jié)構(gòu)破壞，帶來經(jīng)濟財產(chǎn)損失及發(fā)生安全事故。

在計算基坑降水總涌水量問題上，目前我國所采用的主要方法為“大井法”，其設(shè)計規(guī)范為《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》和《管井技術(shù)規(guī)范》，兩個規(guī)范均未對基坑坑內(nèi)降水給出明確計算公式，尤其是具有隔水帷幕，隔水帷幕未插入不透水層的近河基坑潛水非完整井尚未有準(zhǔn)確的計算公式?！豆芫夹g(shù)規(guī)范》中對截水帷幕插入承壓含水層涌水量計算推薦使用三維滲流模型數(shù)值分析的方法，尚未有經(jīng)驗公式，充分說明了此條件下基坑降水的復(fù)雜性。某項目兼有采用坑內(nèi)降水方式、三面隔水帷幕、單側(cè)臨近河道、地層條件復(fù)雜的特點，采用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》和《管井技術(shù)規(guī)范》對基坑降水進行了設(shè)計分析，確定了降水管井?dāng)?shù)量，為同類條件的基坑降水設(shè)計可以提供一些參考。

1 概述

某項目近鄰汾河，場地東側(cè)有汾河流過，場地距汾河河道500 m，區(qū)段內(nèi)河床寬約300 m，最高水位424.7 m，最低水位422.7 m。場地北側(cè)為城市道路，其他三面均為已建建筑物。場地基坑南北方長度為105 m，東西長度為63 m，總面積6 615 m2。場地開挖深度5.60 m～12.55 m。項目場地絕對標(biāo)高為428.8 m，基坑底部絕對標(biāo)高為422.65 m～416.2 m。項目根據(jù)不同地質(zhì)特征，采用灌注樁、錨桿、土釘墻等方式進行基坑支護，基坑降水采用隔水帷幕與管井降水相結(jié)合方式。

2 基坑降水方案

本項目場地狹小，四周均有已建建筑物，參考類似工程施工經(jīng)驗，工程基坑降水采用在基坑內(nèi)設(shè)置疏干井進行降水施工；同時考慮基坑?xùn)|側(cè)汾河徑流影響，擬在場地北側(cè)、東側(cè)距地下室外墻1 000 mm位置設(shè)置隔水帷幕以減少河床滲流，隔水帷幕設(shè)計滲透系數(shù)為1×10-6cm/s。隔水帷幕采用水泥攪拌樁，樁底相對標(biāo)高-16.5 m。依據(jù)項目地質(zhì)勘察報告，項目地下水位標(biāo)高為421.39 m～424.01 m，水位埋深為4.66 m～6.80 m。但工程基坑土方開挖施工期間于426.8 m處見地下水，施工期與勘察期地下水位存在明顯差別，其原因是勘察期間場地南側(cè)、西側(cè)在施高層住宅樓項目正在進行降水施工。根據(jù)項目現(xiàn)場情況，場地地下水主要來源于大氣降水及側(cè)向徑流補給，地下水類型為微承壓潛水。本降水工程將不同含水層轉(zhuǎn)化為同性均值含水層，依據(jù)大井法理論進行降水管井?dāng)?shù)量設(shè)計；該方法是將井群簡化為一口大井，分別計算基坑總涌水量和單井出水量，從而得出降水管井?dāng)?shù)量[1]，最終通過設(shè)計數(shù)據(jù)與實際效果對比進行方案調(diào)整優(yōu)化。

2.1 根據(jù)JGJ 120—2012建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程確定管井?dāng)?shù)量

采用均質(zhì)含水層潛水非完整井公式進行計算[2]。

2.1.1 基坑等效半徑

(1)

其中，A為基坑面積。

2.1.2 降水影響半徑

(2)

其中，sw為井水位降深，按基坑坑底最低深度計算11.55 m；k為含水層滲透系數(shù)，本工程依據(jù)地勘報告取細(xì)砂滲透系數(shù)建議值6.912 m/d；H為潛水含水層厚度，本工程取14.5 m。

2.1.3 基坑降水總涌水量

(3)

2.1.4 管井單井出水能力

(4)

其中，rs為過濾器半徑，本工程實際施工采用0.15 m。

2.1.5 降水井?dāng)?shù)量

(5)

按照計算結(jié)果，基坑降水井按照12個布置。

2.2 根據(jù)GB 50296—2014管井技術(shù)規(guī)范確定管井?dāng)?shù)量

1)基坑中心岸邊的距離。

b=31.5+500=531.5 m

(6)

2)基坑降水總涌水量。

按潛水非完整井，均質(zhì)含水層，近河基坑降水，含水層厚度不大情況計算[3]。

(7)

其中，s為井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l為過濾器進水部分長度，本工程取2 m；m為由含水層底板到過濾器有效工作部分中點的長度，本工程取1.5 m。

3)降水井?dāng)?shù)量。

(8)

4)基坑降水總涌水量。

按潛水非完整井，均質(zhì)含水層，近河基坑降水，含水層厚度很大的情況進行復(fù)核。

(9)

其中，s為井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l為過濾器進水部分長度，本工程取2 m。

5)降水井?dāng)?shù)量。

(10)

按照計算結(jié)果，基坑降水井?dāng)?shù)量取較大值，按照12個布置。

2.3 確定管井?dāng)?shù)量

本工程通過均質(zhì)含水層潛水非完整井大井法公式進行基坑降水井設(shè)計，綜合上述基坑降水總涌水量、降水井?dāng)?shù)量計算結(jié)果，按式(3)、式(7)計算得到降水井?dāng)?shù)量為12個。由于本工程地勘資料未能探明基坑地下水隔水層，按照式(9)，潛水非完整井均質(zhì)含水層，含水層厚度很大的條件下計算得降水量數(shù)量為6個。最后，按照地勘水位埋深特點，考慮基坑西北角開挖深度及面積不大，最終按照11個疏干井?dāng)?shù)量進行基坑降水施工，設(shè)計管井深度為16 m，管井底標(biāo)高為412.8 m。疏干井平面布置圖見圖1。

3 降水效果分析及設(shè)計

本工程按照11個疏干井?dāng)?shù)量進行了基坑降水施工，受項目工期工序影響，在疏干井全部運行后，本工程即進行基坑土方分層開挖及基坑支護施工，土方開挖至相對標(biāo)高-4.500 m時，基坑滲水嚴(yán)重，基坑南側(cè)出現(xiàn)泡水，局部發(fā)現(xiàn)管涌及流砂現(xiàn)象，基坑原設(shè)計11個降水井不能滿足降水要求，基坑開挖無法有效達到干法施工條件，導(dǎo)致土方開挖作業(yè)停止。

經(jīng)現(xiàn)場勘察，此時基坑出現(xiàn)：

1)基坑基底局部出現(xiàn)管涌及流砂。

2)已施工隔水帷幕表面出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，近河一側(cè)隔水帷幕底滲水較為嚴(yán)重。

3)支護工程已噴錨表面土體坍塌，土體坍塌后即出現(xiàn)滲水。

4)局部已開挖基底泡水深度達0.35 m等不良現(xiàn)象。

施工人員在出現(xiàn)基坑泡水后立即對降水井進行了檢查，檢查得出11個疏干井運行均正常，無不良現(xiàn)象。后經(jīng)分析，本工程基坑涌水量大的主要原因為：

1)基坑近河一側(cè)河水在重力作用下繞流進入基坑水量較大。

2)隔水帷幕設(shè)計底標(biāo)高412.3 m，未能插入隔水層，按地勘報告，隔水帷幕底土層均為細(xì)砂，細(xì)砂層滲透系數(shù)較大不能達到良好的隔水效果。

3)勘察期間本工程西側(cè)、南側(cè)在施項目正在進行降水施工，施工期與勘察期地下水水位存在較大偏差。

4)降水設(shè)計時按均質(zhì)含水層潛水非完整井理論進行計算，具有局限性；降水設(shè)計時部分參數(shù)與實際情況不符，且這些參數(shù)很難通過經(jīng)驗估算出更符合現(xiàn)場條件的準(zhǔn)確數(shù)值，同時項目地下水類型為微承潛水，而降水設(shè)計按均質(zhì)含水層潛水進行了計算。

為保證項目干法施工條件，本工程立即開始重新進行降水施工設(shè)計。此次設(shè)計按照直線補給邊界條件，考慮基坑?xùn)|側(cè)河流影響，通過影響半徑的理論公式，對基坑降水進行重新計算涌水量和管井?dāng)?shù)量[4]。

1)影響半徑。

R1=2b=2×531.5=1 063 m

(11)

其中，b為基坑中心至河岸線的距離，同式(6)取值。

2)基坑降水總涌水量。

(12)

其中，H為潛水含水層厚度，本次計算參考按地勘報告，擴大了含水層厚度值，取38.8 m。

3)降水井?dāng)?shù)量。

按照計算結(jié)果，基坑降水井按照27個布置。

根據(jù)現(xiàn)場情況，本項目在近河側(cè)基坑邊界增加4個井采用集水明排及管井相結(jié)合方式輔助降水；由于基坑西側(cè)高低位置交界處側(cè)墻滲水嚴(yán)重，故又增設(shè)3個井，實際34個疏干井均參與有效工作。同時，為方便后期筏板施工，本工程在電梯井處增加3個備用井；后續(xù)施工過程中，由于抽水過程井體坍塌和土方施工破壞，基坑共計布置43個管井，在地下水流速較大的近河一側(cè)和基坑最深位置增大了管井間距，其布置方式見圖2。34個疏干井投入使用后形成降水井群，保證了基坑土方開挖及結(jié)構(gòu)施工干法作業(yè)條件，取得了較好的降水效果。

項目在進行電梯坑結(jié)構(gòu)施工降水期間，通過估算得知電梯坑位置土層豐水期滲透系數(shù)可達8.4 m/d，枯水期滲透系數(shù)5.2 m/d，并且按其數(shù)據(jù)進行了基坑涌水量和管井?dāng)?shù)量計算。其計算結(jié)果見表1。通過分析，進行管井設(shè)計時，滲透系數(shù)的最為關(guān)鍵，尤其在近河區(qū)域河床階地上進行基坑降水設(shè)計時，土層往往以細(xì)砂、粉細(xì)砂等為主，其滲透系數(shù)應(yīng)取大值為宜。

表1 不同滲透系數(shù)下基坑涌水量及管井?dāng)?shù)量

4 結(jié)語

以某近河基坑降水設(shè)計的工程實例，通過分析場地地質(zhì)特點及實際降水效果改進設(shè)計出經(jīng)濟合理的管井?dāng)?shù)量是保證工程安全及進度的重要因素，針對近河區(qū)域深基坑降水施工研究，總結(jié)出了以下幾點結(jié)論：

1)本工程參照《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》《管井技術(shù)規(guī)程》分別通過式(3)、式(7)得出的疏干井?dāng)?shù)量較為相近，為12個，平均單個管井基坑影響范圍半徑為13.25 m；案例中由于地勘資料未探明地下水隔水層，本項目參照潛水含水層厚度很大的條件按式(9)進行了驗算，但得出管井?dāng)?shù)量為6個。通過現(xiàn)場施工暴露的問題又參照《基坑降水設(shè)計》直線補給邊界潛水條件進行了重新設(shè)計，按照式(12)得出管井?dāng)?shù)量為27個，更為接近現(xiàn)場實際情況, 平均單個管井基坑影響范圍半徑為8.86 m。

2)本案例中，基坑實際降水模型應(yīng)為在三面隔水帷幕條件下，微承壓潛水非完整井近河深基坑坑內(nèi)疏干井降水，但《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》《管井技術(shù)規(guī)程》未能對此種情況直接給出計算公式，需要通過模型轉(zhuǎn)換的方式進行設(shè)計計算。同時，本案例計算存在一定缺陷，不能較好反映降水實際效果，數(shù)值手段的分析方法，是對復(fù)雜邊界條件下深基坑降水方案設(shè)計比較好的方式。

3)本案例中，管井降水設(shè)計合理性的前提是地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性[5]，選取更為接近現(xiàn)場實際的各項物理參數(shù)可以設(shè)計出更加吻合現(xiàn)場實際的井點降水方案。本案例中，由于地勘報告期與實際施工期地下水位資料不相符，隔水帷幕設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)滲透系數(shù)為1×10-6cm/s，而現(xiàn)場隔水帷幕不滿足設(shè)計要求；同時，隔水帷幕底插入土層為細(xì)砂層，其滲透系數(shù)可達5 m/d～10 m/d，細(xì)砂層不能形成隔水作用，考慮地下水繞流作用，通過帷幕底部滲入基坑導(dǎo)致基坑涌水量增大，只能通過增加降水井的數(shù)量和效率來彌補隔水帷幕設(shè)計缺陷。

4)在土方開挖至基坑底時，基坑底土層為細(xì)砂，局部地方由于降水作用出現(xiàn)了塌陷；隔水帷幕、基坑邊界位置局部出現(xiàn)流砂；電梯坑位置滲水嚴(yán)重，電梯坑已開挖側(cè)壁不斷坍塌，形成約直徑6 m的圓形坍塌區(qū)，給降水及筏板施工帶來巨大挑戰(zhàn)，此時只能在電梯坑內(nèi)增加抽水泵數(shù)量以降級局部水頭。經(jīng)過分析，可能是由于隔水帷幕與電梯坑高差僅為4 m，且電梯坑處于整個基坑中心位置，河道繞流地下水多集中在基坑中心，其位置豐水期滲透系數(shù)可達8.4 m/d，枯水期滲透系數(shù)5.2 m/d，在近河區(qū)域河床階地上進行基坑降水設(shè)計時，土層往往以細(xì)砂、粉細(xì)砂等為主時，土層滲透系數(shù)應(yīng)取大值，更能符合降水要求。項目經(jīng)降水發(fā)現(xiàn)，基坑最深位置水位降低過程最為緩慢，必要時需加大抽水量。

5)由本案例可以得出，對于近河深基坑復(fù)雜條件降水施工設(shè)計，應(yīng)充分考慮河道補給及隔水工程隔水效果的影響，重視滲透系數(shù)的選取，利用規(guī)范結(jié)合專業(yè)理論，考慮邊界條件及地層特性，選擇合理的降水設(shè)計參數(shù)可以達到良好的施工效果。