复杂工况条件下超大基坑群降水一体化设计及群承压水控制

孙晃潮

（佛山市房建集团有限公司 广东佛山528000）

当前，城市建设使得深基坑工程已成为岩土工程的重要课题之一。然而，基坑工程是一个复杂的岩土工程问题，其地域性特征强，在软土地区，由承压水诱发的突涌是影响深基坑工程安全和稳定性的最重要因素，也是设计和施工亟待解决的关键技术问题。

1 工程概况

某项目为综合体建筑群，包括：住宅、办公楼、酒店以及商业店铺，总共有2大地块，中间由市政道路分开，2大地块中又分别包含了5个小地块，基坑开挖深度为11.5～25.9 m，总开挖面积约为14.3万m2，此外，建筑具有2～4层的地下室。本项目周边有较为复杂的环境，包括：地下通道、居民宅、历史保护建筑、地下管线以及轨道交通隧道等。在2个大地块中，1个地块被划成了8个分区，另1个地块被分成了7个分区，具体如图1所示。本项目共用到了2种施工方法，分别是顺作法及逆作法，除GL区外，其他区域均应用顺作法。

图1 工程地块Fig.1 Engineering Plot

本项目计划要建筑在古河道地层沉积区这一位置处，通过实际勘察，得出该区域的地层地质情况，包括：江滩土、杂填土、粉质黏土、砂质粉土、①1黏土、粉细砂、淤泥质黏土以及粉砂等。

2 水文地质情况分析

2.1 确定水文地质参数

在本项目建筑场地中，存在较为丰富的地下水，在第⑦层以及第⑨层中，均存在承压含水层，由于该区域受到古河道切割，存在的含水层深度不一，第⑧层的土缺失，因此，第⑦层与第⑨层相连，所以，两层存在的承压含水层是贯通的，没有隔断条件，该区域水文地质情况较为复杂。由于某工程一些位置开挖的基坑较深［1］，会承受较大的静水压力，同时，由于在环境保护以及开挖深度方面有不同的要求，在坑外降水深度控制以及降水要求上，均存在较大的不同。

本项目实际施工前，为降低环境影响，同时保证基坑的安全，对项目中的2个大地块进行了针对性的勘察，得出实际结果，再结合地块各位置处的特征，确定出第⑦层中2层层压水位的埋深，其中⑦1层为6.1 m，⑦2层为6.6 m。最后与实际试验得出的数据相结合，得出渗透系数以及贮水系数，用于后期降水计算，如表1所示。

表1 承压含水层渗透系数及贮水系数值Tab.1 Permeability Coefficient and Storage Coefficient Value of Confined Aquifer

随后，进行群井的抽水试验，分别得出⑦1层单井以及⑦2层两层混合井单井的出水量，前者为5.61 m3/h，后者为15～26 m3/h。考虑到减压降水要求上有所不同，因此，以上2个井均可选用，在后期设计基坑降水过程中，要注意到会受止水帷幕及群井影响，所以要适当折减出水量。

2.2 分析各分区承压水控制需求

由于各分区的基坑存在不同的开挖深度，深浅不一，其中C、GL区相对开挖较浅，不用进行减压降水，其余位置处都因为出现承压水突涌情况，需要进行减压降水，根据实际开挖深度进行划分，最终确定出3类，如表2所示。

表2 实际减压降水需求划分Tab.2 Division of Actual Decompression Precipitation Requirements（m）

划分完毕后，根据各分区所处的类型，选择适当的方式进行减压降水，其中，第一类选择的减压降水方案是在仅在深基坑处进行处理；第二类选择的减压降水方案是在开挖最后一层土方前，将降压井开启，实际降压幅度为中等；对于第三类别，由于其挖深是类别中最深的，并且GL这一区域所采用的施工方法为逆作法，因此，存在较长的降压周期，同时降压幅度最大。

3 降水设计分析

3.1 围护与降水的综合设计

抗突涌稳定性验算中得出，第⑦层中的2层临界开挖深度，⑦1层为15.7 m，⑦2层为18.4 m。由于第一类分区的减压降水方式的幅度较小，并且1层厚度为5～7 m，因此，选择第⑦层中的1层完整井。其他2个类别的分区，由于其基坑开挖的深度较深，因此，需要选择混合井，此外，单井出水量与滤管长度息息相关，若基坑实际的开挖深度较深，应统筹考虑开挖与围护情况，进行滤管加长，从而避免影响到出水量，各分区减压降水需求情况如图1所示，在了解到实际的减压降水需求后，设置出针对性的井深，严格按照降水原则开展实际工作，以防止出现超降的情况，对周围环境也起到了良好的保护［2］。

进行围护与降水的综合设计，主要的思路是：将减压井与围护止水帷幕进行结合，以承压水控制要求为主要依据，对两者深度关系组合进行科学的选取，从而得到最优效果。

对于B1，B2区域来讲，虽然减压降水涉及到的幅度较小，不过因为周边存在隧道，在承压水控制上有较高的需求，选择悬挂式降水的方式开展实际工作；对于K、I区来讲，其周边环境较为简单，没有要重点保护的对象。同时，减压降水所涉及到的幅度也比较小，通过综合分析，最终选择敞开式降水开展实际工作。除去以上区域，剩余位置减压降水涉及幅度较大，周期也较长，都是整体减压降水，对周围环境会产生一定的影响，实际选择的降水方式为悬挂式降水，具体形式如表3所示。

表3 减压井与止水帷幕底部埋深情况Tab.3 Burial Depths at the Bottom of the Decompression Well and the Watertight Curtain

3.2 基坑降水地质概念模型

与以上研究结果相结合，进行模型建立，经过相关计算，得出相应的减压井数量，并且对悬挂止水帷幕长度设计得是否合理进行检验。

实际计算中，整体设定为松散沉积层，同时将其设置为水文地质概念模型，为防止由于边界不确定，造成的计算结果不具备真实性，以远离源、汇项为主要原则，将基坑中心设置成起点，计算区中存在各个水层，如弱透水层等，均参与到实际的计算中，均将其带入到概念模型中［3］。在模型概化后，所存在的含水层从下至上的顺序为：首先，第⑦2层中的承压含水层；其次，第⑦1层中的承压含水层；再次，弱透水层；最后，潜水含水层。

3.3 基坑群降水数值模型

在渗流模型中，将基坑群全部输入，开展实际计算，该模型总共有5层，实际大小为1 500 m×1 500 m。随后，通过模拟软件，实施离散处理，同时，进行基坑群差异化耦合降水数值模型的构建。

实际的降水分析环节，较为主要的工作是要清晰了解各分区的实际施工顺序，以进度计划为依据，共将本工程施工分为3期，其中，A，K区为第一期；T1，H，J1以及B1区为第二期；而B2，F以及GL区为第三期。处于同一施工期内的基坑施工，可以进行交叉施工，也可同步施工，因为存在较长的施工间隔，所以不用担心会受到前期降水的干扰。

在交叉施工及同步施工的工况模拟中，可以通过改变各减压井运行时间来实现，对坑内外水位实际情况进行计算，如表4所示。

表4 坑内外水位情况Tab.4 Water Levels Inside and Outside the Pit

通过对表4进行分析，比较坑外水位降深与坑内水位降深，通常前者的数值较小，这一结果可以说明，在该项工程中，选择差异化降水的方式，可行性较高，可以降低对周边地面沉降的不良影响，保证周围建筑的安全性。

4 实际运行

4.1 减压降水效果

通过实际计算后，得出降水设计的相关结果，以此为依据开展实际的减压降水施工工作，共分为3期进行，A，K区的施工为第一期，T1，H，J1以及B1区的施工为第二期，B2，F以及GL区的施工为第三期。实际施工工况和设计阶段得出的工况较为符合。

在实施正式的减压降水前，需要开展生产性试验，在降水参数上，和之前做的群井试验不同，单井稳定出水量有比较明显的减小趋势，达到了25%左右，完整井的单井平均出水量在4.5 m3/h左右，混合井单井出水量在15～20 m3/h左右，在实际设计环节已经实施了折减处理；同时，实际减压降水时间得到比较明显的减少，在勘察阶段，水位稳定需要大概10 h，在生产性试验阶段，水位稳定在2 h左右即可实现［4］。

该工程的实践环节，减压降水取得了较好的效果，有效解决了承压水突涌问题，工程施工过程中，基坑开挖工作具有较高的安全性［5］。

4.2 周边水位变化情况比较

本项目降水施工环节，实时监测坑内外的水位情况，对其中具有代表性的基坑做出实际的分析研究。

首先，分析止水帷幕深度与减压降水效果的关系，在B1以及K两区域，其具备相同的减压降水需求，不过，由于周边环境不同，两区域的止水帷幕深度也存在差异。在实际的数值分析中得出，完成减压降水施工后，B1区位置处的坑外水位降深在2.5 m左右，而K区位置处在4 m左右，从而说明，坑外降水效果与止水帷幕深度成正比，后者深度越大，则效果越好［6］。

通过验证坑外实测水位数据得出，实际的计算结果可信度较高，两位置处的水位降深趋势基本相同，通过对实测数据进行分析得出，在坑内的水位降深一致时，K区位置处的坑外水位降深在3.6 m左右，而B1区位置处的坑外水位降深不超过2 m，如图2所示，在B1区位置处，存在较小的水位降深，在坑内水位满足要求时［7］，不会因为坑外水位下降，造成地面沉降等不良情况。在进行围护与降水的综合设计过程中，要考虑多方面因素，选择合理的止水帷幕及减压井深度，才可达到实际效果，保证工程施工安全。

图2 B1与K区位置处坑外实测水位降深比较Fig.2 Comparison Chart of Measured Drop in Water Level Outside the Pit at Locations B1 and K

其次，T1区与H区两者相互影响，所有基坑实际施工环节，无论是同步施工，还是交叉进行施工，其相应的地下水渗流场都会出现相互影响的情况，在两区域中，最近的基坑距离仅为35 m，此外，两区域施工重叠时间为55 d，对耦合模拟计算结果进行分析，这两个区域存在较为明显的叠加效应，6.5 m的水位降深会受到共同影响［8］。

实际施工环节中，对预测结果做到了有效验证，H区位置处的水位降深情况如图3所示，相应观测点情况如图4所示，受到T1区位置降水施工影响，与其最近位置处的观测点1，其水位降深大约在7.3 m，而与其距离稍远位置处的观测点2，其水位降深为5.2 m，而不在其影响范围内的其他观测点［9］，其水位深度则为3.5～3.8 m，由此可以看出，T1区位置处的降水施工，会对H区位置处的水位降深产生影响［10］。

图3 H区位置处水位降深情况Fig.3 Depth of Water Level at Location H

图4 H区位置处水位观测点分布Fig.4 Distribution of Water Level Observation Points at the Location of H Area

5 总结

通过本文研究可知：超大规模基坑群施工中，施工前期通过相应实验，对所处环境进行评价，选择围护与降水综合设计的同时，还应对止水帷幕及减压井深度的选择进行综合的考虑，才能使止水帷幕发挥出自身作用，在不同挖深基坑中应用，都能取得良好的效果；在各基坑降水施工中，会存在叠加耦合效应，进而影响到周边环境。应用耦合数值模型，对减压井数量进行优化，会有效提升设计准确性，降低评估风险；在工程实践中可以看出，该模型得出的结果可靠性较高，可有效指导减压降水工作的顺利开展，保证周围环境的安全。