船行二站拆建工程深基坑降排水问题的分析与研究

陈 敏 仝道斌 韩爱东

(1.宿迁市宿城区水利工程建设服务中心，江苏 宿迁 223800；2.宿迁市宿城区水利局，江苏 宿迁 223800；3.江苏省水利建设工程有限公司，江苏 扬州 225000)

水工建筑物深基坑作为一项施工风险较高的专项工程，一直备受国家及施工企业的高度重视。根据相关规定，深基坑工程是指开挖深度超过5m(含5m)的基坑的土方开挖、支护、降水工程，以及开挖深度虽未超过5m，但地质条件、周围环境和地下管线复杂，或影响毗邻建筑(构筑)物安全的基坑的土方开挖、支护、降水工程[1]。基坑开挖深度一般与建筑物设计规模及地基承载要求呈正相关关系。随着开挖深度的增加，不仅施工难度加大，基坑支护要求提高，而且安全隐患问题亦愈发突出。虽然水利工程基坑安全问题与开挖形式、支护方式、周边环境以及地质条件均有关联，其通常伴随有更大的底板和支护结构，受地下水的作用更为明显，最不易处理的安全问题往往来自于地下水渗流产生的降水问题。它极易造成基坑安全事故和工期延误。因此，地下水情复杂地区的深基坑开挖是一项极富有挑战性的施工项目[2]。

1 工程概况

a.船行二站拆建工程概算投资3600万元，是宿迁市宿城区船行灌区续建配套与节水改造项目2019年度重点实施项目之一，设计装4台1400QZ-70潜水轴流泵，装机功率2240kW，设计流量14.3m3/s。进水池设计水位17.2m，出水池设计水位23.4m。泵站工程等别Ⅲ等，主要建筑物级别3级，次要建筑物级别4级。防洪标准为50年一遇。配套建筑物合理使用年限为50年。

b.基坑支护形式。本工程开挖深度为10.7m，基坑北侧距离办公楼约2m，南侧开挖最外层边线距离居民房仅6.2m，不具备自然放坡条件。因此，本工程最终采用“拉森钢板桩+预应力锚索”，局部实施钢筋混凝土灌注桩加固的形式，同时引河上下游设置水泥土搅拌桩，使基坑封闭。

c.地质情况见图1～图2、表1～表2。

图1 工程地质剖面图(一)

图2 工程地质剖面图(二)

表1

表2

2 渗流发生过程及降水方案的调整

a.原降水方案的制定。根据地质勘察，基坑处地下水为潜水，③层粉土及以上饱和土层为主要潜水含水层。因此，在原地面标高22.00m处进行布井，布设井深15.0m，管井直径为30cm,共6口潜水井。运用无压完整井理论对基坑管井系统总涌水量进行计算[3](见图3)。

图3 无压完整井涌水量计算简图

式中Q——井点系统的涌水量,m3/d;

K——土的渗透系数,m/d;

H——含水层厚度,m;

S——基坑中心的水位降低值,m;

R——抽水影响半径,m；

x0——基坑假想半径,m；

A——基坑井点管所包围的平面面积，m2。

泵室设计基坑高程基坑标高12.60m，当开挖至标高14.00m后，基坑渗流量突然加大，局部出现涌水点，产生流沙现象。经对现场渗溢出来的土体分析，溢出物与标高4.20m以下的中细砂土类似，初步判断标高14.00m至承压含水层顶间的土体已无法承受承压水的浮托力，形成渗水通道，引发坑底突涌。

b.降水方案的调整。现场潜水井虽然24小时不间断抽排，但降水效果甚微。由于地下承压水已在土层内形成了管涌通道，渗流破坏不断加大，对基坑及周边建筑物安全形成威胁，因此暂停原降水方案，并对管涌处设置反滤，局部回填。结合现场情况，对原排水方案进行了优化调整，调整后的方案采用“潜水潜排，深水深排，潜深兼顾”的降排水方式，即在潜水层仍然设置适当数量的无压非完整井排水，而为了进一步降低地下水位，再设置一定数量的承压非完整深井至承压层进行排水，最终两者结合共同达到降低地下水位的目的。针对本工程的具体方案为潜水层土体布设管井直径为30cm的6口潜水井，对隔水层下的承压水布设8口深井作降压处理。运用承压非完整井理论[3]对基坑涌水量进行计算(见图4)。

图4 承压非完整井涌水量计算简图

=10229.3m3/d

式中Q——井点系统的涌水量，m3/d；

K——土的渗透系数，m/d；

M——承压含水层厚度，m；

S——基坑中心的水位降低值，m；

R——抽水影响半径，m；

x0——基坑假想半径，m；

r——井点半径，m。

深井抽排运行2d后，基坑涌水现象得到了缓解，地下水位下降明显。通过对承压水压力的释放，形成降水漏斗，较好地解决了突涌问题，使施工走入了正轨。

3 渗流变形破坏因素分析

a.正确选择降排水方案。为保证基坑自身安全和稳定，确保有序的分层开挖，就必须要考虑所有可能引起基坑变形的各类因素。除了对深基坑支护形式要充分研究论证外，基坑降排水方案的选择也是关键内容。只有正确区分持力层以下静态潜水和动态的承压水，才能制定出科学合理的方案。现有施工效果表明，船行二站拆建工程基坑降排水采用“潜水潜排，深水深排，潜深兼顾”的方案是合理有效的。

b.土体物理性能的改变。基坑开挖随着临近设计标高，坑底经历了一个卸载过程。开挖初期可以认为土层内有效应力仍旧保持为稳定的状态。在距离坑底标高2m以内，随着开挖深度增大，土体自重力逐渐减少，基坑底部土体向上回弹，孔隙水压力增大，应力不断减少。实践说明在基坑(特别是深基坑)从勘察设计到施工前方案编制阶段，首先要对基坑中水、土特征及变形特征进行分析。尤其对最易变化的静水、动水进行充分的监测。根据现场施工情况可知，地下水位及水压力不能有效降低，不但直接影响土的物理性质(结构、密度、含水量等)和土体抗剪强度指标值，还会引起土体中应力状态的改变，从而造成工程质量安全事故发生。

c.基坑变形的过程。基坑隆起是变形的最初破坏现象。隆起变形是弹塑性变形，随着土体减少，基底逐步向上产生部分回弹。随着自重的减少，承压水压力也逐步增大，随之破坏程度加大，逐步出现基坑涌水，甚至可能导致支护体的失稳，最后造成基坑安全事故发生。经分析，本次基坑隆起变形破坏由承压水引起。若任由基坑突涌现象发展，泥沙不断被带出，则基坑危险性极大，造成的损失更为严重。因此基坑开挖前，对基坑内的静水、动水(承压水)埋置深度进行分析和研究是十分必要的。

d.降压计算和分析。该工程潜水层分布在标高13.10m左右，是持力层坐落的位置，应对该段土层潜水进行抽排。由于该土层厚度在1.7～2.0m之间，且渗透力较强(渗透系数为10-4数量级)，以下土层渗透系数在10-6～10-7数量级，为微透水性土层。因此仅仅依靠潜水井无法消除承压水浮托力造成的影响。承压水埋深在标高4.20m以下为细中砂，渗透系数达到10-4～10-3数量级，虽然承压水头以上为“不透水层”，根据相关规程规范进行抗承压水突涌稳定性验算：

式中γty——坑底突涌抗力分项系数，对于大面积普遍开挖应大于1.2，对于局部承台分别开挖，应大于1.0；

D——坑底至承压水层顶板的距离，m；

γ——范围内土的平均天然重度，kN/m3；

Hw——承压水水头高度，m；

γw——水的重度，kN/m3。

通过验算，坑底突涌抗力分项系数大于1.2，满足要求。但受现场土层分布及前期工程的影响，存在局部薄弱区，现场基坑出现几处涌水点，一部分可能是上期工程施工时遗留的水井，另一部分是地基土层存在薄弱段，从而形成了压力释放点，下部水上涌。

e.侧向渗流对基坑围护的影响。本工程基坑南北侧靠近居民房、管理房等建筑物，采用钢板桩支撑围护。由于桩体有效长度内槽口之间有一定的止水作用，基坑外地下水位在标高19.00m，基坑内外水位差达6.4m，经分析钢板桩围护结构周围流线和等势线相对集中，在钢板桩底部易产生侧面渗流破坏，因此深井长度应考虑减少钢板桩侧面渗流破坏的影响。不仅基坑内在渗水压力作用下易产生塑性变形，而且钢板桩外侧土体在水位差较大的情况下也容易顺着桩底部侧向渗流而流动，也会产生较大的塑性区，导致基坑外侧地面沉降，因此分析确定沿钢板桩布井深度在桩底部以下2～3m为宜。

4 结论和体会

a.降排水方案制定的依据。深基坑持力层以下，具有复杂的土层和静、动潜水情况下，应根据具体情况进行复合式的降排水布置。土层中潜水层无渗透压力作用，可按无压水层进行无压完整井的布设设计。有承压水层面可根据“抗承压水突涌稳定性验算”来确定是否设置降压井。

b.理论与实际的结合。目前对基坑稳定和基坑变形计算有多种方法。但往往计算得出的数值与实际情况有一定的差别，理论可提供部分参考数据和必要的判据。在具体实施过程中，应根据实际情况进行必要的修正，才能达到理想的效果。

c.降压水位的确定。降压井的布置一般是根据承压水头高度以及透水层埋深计算确定的。降压井埋置到透水层内的深度，应进行研究分析。井内抽水机械放置的位置，要通过现场试验确认，尽可能调整至合适的位置，防止埋入太深，配置设备功率太大，造成周边建筑物地下水位下降过快，形成不均匀沉降。

d.突涌稳定因素。在地下水情复杂的基坑外围必须布设相应的观测井与回灌井，一般井点离降水点外7～10m。静、动状态下的地下水是否进行降压，应通过抗承压水突涌稳定性验算判断。当坑底至承压水层顶板的距离确定时，主要涉及土的平均天然重度γ。该工程施工效果证明：完全利用地质报告提供的γ=19～20KN/m3是不适合的。因为随着浅水井的抽排水体不断溢出，土体自身来不及固结。因此，γ中应考虑土体孔隙比增加导致的土体重量减轻，本工程采用γ=20×0.8=16KN/m3。该数值显然更有利于方案的选择和制定,更具有科学性和可操作性。

e.抽水量的计算。基坑开挖要避免出现渗流破坏，关键是判断涌水来源。经计算，本工程基坑涌水量为10332.6m3/d,其中潜水层涌水量103.3m3/d，占总涌水量1%，承压水层涌水量10229.3m3/d，占总涌水量99%。实际施工中对深井排水量的测算为：D深=50×24×8×0.8=7680m3/d，占理论涌水量74%。剩余的26%涌水量2652.6m3/d由潜水井来排除(潜水井帮助深井代排2549.3m3/d)。

因此，通过对本工程降排水方案的优化调整充分证明地下水情复杂的深基坑降排水应以深井为主导，提出的“潜水潜排，深水深排，潜深兼顾”降压排水方案为今后同类型水利工程施工提供了一定的科学依据。