复杂水文条件下深基坑支护及地下水控制技术分析

李伟 冯红超 廖俊展

摘 要：依据北京市通州区某基坑支护与地下水控制工程设计实例，介绍基坑支护影响范围内地下水条件复杂的情况下基坑支护及地下水控制的设计要点，重点对止水帷幕设计方式进行讨论，通过工程技术分析、经济比选，确定最优设计方案，并根据结构设计条件结合基坑支护设计方案提出主动抗浮的概念设计，为今后类似工程设计提供参考和借鉴。

关键词：深基坑工程;支护设计;地下水控制;主动抗浮

中图分类号：TU472 文献标识码：A     文章编号：1001-5922（2021）10-0166-06

Analysis of Deep Foundation Pit Support and Groundwater Control Technology Under Complex Hydrological Conditions

Li Wei， Feng Hongchao， Liao Junzhan

（BGI Engineering Consultants Ltd.， Beijing 100038， China）

Abstract：This paper introduces the design key points of deep foundation pit support and groundwater control under complex hydrological conditions，which is combined with a design example of a deep foundation pit support and groundwater control project in Tongzhou District， Beijing， and focus on the discussion on the design of the water-stop curtain. It determines the optimal design scheme through engineering technology analysis and economic comparison. Combined with the structural design conditions and the design scheme of foundation pit support， the active anti-float method is explored and applied. It can provide reference for similar projects in the future.

Key words：deep foundation pit engineering; supporting design;  groundwater control;  active anti-floating

0 引言

通州区位于北京市东南部，京杭大运河北端，2015年7月11日，中共北京市委十一届七次全会审议通过了《京津冀协同发展规划纲要》，通州正式成为北京市行政副中心。近几年，通州区的建设和经济也得到了较快的发展，为更好的利用城市土地资源，高层建筑项目地下室的深度逐渐增加，随之而产生的基坑支护问题、地下水处理问题及基坑突涌问题受到广泛关注。

文章介绍建项目基坑深度深，基坑底部以下存在多层地下水，且水量丰富，需对基坑突涌稳定性进行验证，结合地层特性分析本项目需采用止水帷幕对地下水进行处理，如何做好止水措施成为本项目设计的难点及重点。

基坑工程中常见的止水帷幕形式有高压旋喷桩、深层搅拌桩止水帷幕、旋喷桩止水帷幕、地下连续墙止水帷幕等[1-2]。文章按照止水帷幕工艺方法和设置位置将设计方案分为3种，并对3种设计方案进行分析比选，最终选用“地连墙錨杆+坑内疏干减压”的设计方案。另外，结合建筑结构的抗浮要求，文章提出主动抗浮的设计思路，并将设计体会进行整理，以供业界分享。

1 工程实例分析

1.1 工程概况

本项目位于北京市通州新城核心区五河交汇处，通州区月亮河度假酒店西南侧，主要包括3栋主塔及裙房部分，基坑支护深度一般为21.48～28.48m。场区北侧为运潮减河，西侧为北运河，东北角为月亮河温泉假日酒店。

1.2 地层土质概述

根据本工程岩土勘察报告，对现场钻探、原位测试与室内土工试验成果的综合分析，将本工程勘察勘探深度范围内（最深150.00m）的地层，按成因类型、沉积年代划分为人工堆积层、新近沉积层和第四纪沉积层3大类，并按地层岩性及其物理力学数据指标，进一步划分为17个大层及亚层，此处列出基坑支护影响范围9个大层，现分述如下：表层为人工堆积的粘质粉土素填土-砂质粉土素填土①层、细砂-粉砂素填土①-1层、房渣土-碎石素填土①-2层，填土层顶标高为17.19～23.44m;于标高16.29～21.43m以下为新近纪沉积的粉砂-细砂②层，夹有砂质粘土-粘质粉土②-1层、粉质粘土-重粉质粘土②-2层;于标高12.6-15.49m以下为新近纪沉积的细砂-中砂③层，夹有细砂-中砂③-1层、重粉质粘土-粉质粘土③-2层、粉质粘土-砂质粉土③-3层;于标高1.66～7.37m以下为第四纪沉积的细砂-中砂④层、夹有重粉质粘土-粉质粘土④-1层、粘土④-2层、粘质粉土-粉质粘土④3层、粉质粘土-粘质粉土④-4层、重粉质粘土-粘土④-5层、砂质粉土-粘质粉土④-6层;于标高-7.75～-0.56m以下为第四纪沉积的中砂-细砂⑤层、夹有粉质粘土-重粉质粘土⑤-1层、有机质粘土⑤-2层、粘质粉土-砂质粘土⑤-3层。于标高-17.55～-11.98m以下为粉质粘土-重粉质粘土⑥层、有机质粘土⑥-1层、粘质粉土-砂质粉土⑥-2层、中砂-细砂⑥-3层。于标高-22.16～-16.48m以下为第四纪沉积的细砂-中砂⑦层、夹有粘土-重粉质粘土⑦-1层、砂质粉土-粘质粉土⑦-2层。于标高-27.80～-23.77m以下为第四纪沉积的中砂-细砂⑧层、夹有重粉质粘土-粉质粘土⑧-1层、粘质粉土-砂质粉土⑧-2层。于标高-36.21～-30.34m以下为第四纪沉积的细砂-中砂⑨层、有机质粘土-有机质重粉质粘土⑨-1层、砂质粉土-粘质粉土⑨-2层。

1.3 水文地质条件

根据本工程岩土工程勘察报告，工程勘察期间（2012年12月下旬至2013年1月中旬及2013年5月下旬）于钻孔中量测到4层地下水，各层地下水水位情况及类型如表1所示。

2 基坑支护及地下水控制设计方案分析

2.1 典型地层剖面及基坑突涌稳定性验算

根据本工程岩土勘察报告，选取本项目代表性地层，各层地下水及基坑开挖深度关系如图1所示。

由图1可知，基坑槽底标高为-1.98～-5.98m，槽底一般位于细砂、中砂④层，粉质粘土-重粉质粘土⑤1层。

基坑突涌是基坑底板被承压水顶裂或冲破而形成喷水冒砂的现象，此现象一旦发生，基坑将丧失稳定性，因而在基坑开挖过程中是必须严格注意的问题[3-4]。要保证基坑的稳定，则基坑底板至承压含水层顶面间的土压力应大于承压水的顶托力，规范中要求承压水作用下坑底突涌稳定性应符合下式规定：

式（1）中，Kh为突涌稳定安全系数;Kh不应小于1.1;D为承压水含水层顶面至坑底的土层厚度，m;r为承压水含水层顶面至坑底土层的天然重度，kN/m3;对于多层土，取按土层厚度加权的平均天然重度;hw为承压水含水层顶面的压力水头高度，m;rw为水的重度，kN/m3。

根据场地承压水的埋深以及基坑开挖的深度，按式（1）计算不降水情况下第2层承压水的安全系数：

同理，计算基坑开挖最深处（标高为-5.98m），受第3层承压水影响，基坑突涌稳定性安全系数为2.5>1.1。

由以上计算结果可知，受第2层承压水的影响，基坑突涌稳定性安全系数小于1.1，不满足要求。如果不降低第2层承压水的水头高度，那么基坑开挖到槽底时，第2层承压水会冲破基坑底板，破坏基坑稳定性。

因此，本项目基坑开挖过程中主要受潜水、第1层承压水、第2层承压水影响，其中受第2层承压水影响，在进行地下水控制设计时应考虑此二层承压水基坑突涌稳定性的影响。

2.2 设计方案比选

根据典型地层剖面及基坑突涌稳定性验算分析，本工程按照止水帷幕工艺方法和设置位置进一步分为方案1、2和3三个子方案，其中方案1为“上部2.0m土钉墙+桩锚+三轴搅拌桩帷幕+坑内疏干减压井”体系，方案2为“上部2.0m土钉墙+桩锚+三轴搅拌桩帷幕+坑内疏干减压井+主塔核心筒帷幕+主塔内疏干井”体系，方案3为“上部2.0m挡土墙+地连墙+锚杆+坑内疏干减压井”体系。

方案1：在自然地面以下2.0m处施工三轴搅拌桩帷幕;在自然地面施工应急井，确保锚杆施工;在自然地面以2.0m处施工护坡桩，在潜水水位标高以上施工疏干井兼减压井，疏干槽内潜水及第1层承压水，降低第2层承压水水头以满足基坑突涌稳定性要求，最后随土方开挖，顺序施工锚杆。方案1的技术优点为：总体施工构件较少，造价低，工期快;缺点为：坑内疏干井兼减压井井数多，抽水量大，抽水周期长，桩基施工工作面高。

方案2：在自然地面以下2.0m处施工三轴搅拌桩帷幕;在自然地面施工应急井，确保锚杆施工;在自然地面以下2.0m处施工护坡桩;在潜水水位标高以上施工裙房部位的疏干井兼减压井，疏干潜水及第1层承压水，降低第2层承压水水头以满足基坑突涌稳定性要求，在第1层承压水水头标高以上约2.0m位置施工主塔核心筒部位止水帷幕和疏干井，疏干2层承压水，最后随土方开挖，顺序施工锚杆。方案2的技术优点为：坑内疏干兼减压井井数少，抽水量较方案1有大幅度减少;缺点为：增加帷幕桩，增加工程造价和施工进度。

方案3：在自然地面施工应急井，确保锚杆施工;在地面以下2.0m施工地下连续墙帷幕，基坑内部在潜水水位标高以上施工疏干井，最后随土方开挖，顺序施工锚杆。方案3的技术优点为：整体支护和止水结构最少，止水效果好，抽水量少;缺点为：地连墙单项成本较高。

针对以上3个设计方案，考虑到本项目地下水的复杂性，方案1及方案2采用的三轴搅拌桩止水效果不及地下连续墙，且抽水量大，抽水周期长，经过专家论证最终选用方案3即“上部2.0m挡土墙+地连墙+锚杆+坑内疏干减压井”作为本项目的设计方案。

2.3 地下连续墙设计方案介绍

按照结构设计条件、基坑各部位地质条件、周围环境和场地使用条件等不同情况综合考虑，本工程共划分为10个支护段。其中主体基坑支护结构为1～9支护段，基坑支护深度一般为21.48～28.48m，基坑侧壁安全等级为一级;主体基坑内部主塔部位为二级基坑，对应支护结构为10支护段，基坑支护深度为4.0m，基坑侧壁安全等级为三级。1～5支护段采用“上部挡土墙+下部地下连续墙+预应力锚杆”支护体系进行支护，6～9支护段采用“地下连续墙+预应力锚杆”支护体系进行支护，10支护段采用挂网喷锚支护体系进行支护。地下连续墙宽度为800mm。基坑支护平面布置图如图2所示。

本工程基坑开挖过程中主要受潜水、第1层承压水、第2层承压水影响，其中受第2层水承压水影响，本工程裙房及主塔部位基坑突涌稳定性难以满足，故采用地下连续墙止水帷幕结合应急抽水井、疏干井对上述地下水进行控制。地下连续墙1～6支护段施工工作面绝对标高一般为20.0m，7～9支护段施工工作面绝对标高一般为23.0m，地下连续墙墙底绝对标高为-19.00m;應急抽水井施工工作面为自然地面，井间距约为6.0m;基槽内布置疏干井，疏干井施工工作面为自然地面，井间距约40.0m，肥槽部位井间距约15.0m。

2.4 典型支护段分析

本项目基坑东北角为现状道路，其自然地坪比场区高约3.0m，另外，东北侧主塔临近道路，因此，此主塔部位为基坑最深部位，基坑支护深度为28.48m，其相应支护剖面如图3所示。

由图3可知，本支护段地下连续墙上设置5排预应力锚杆，锚杆长度为30.0～38.5m，锚杆锚固段最长为28.5m。受场区地层及地下水影响，为满足基坑整体稳定性、墙顶位移控制、锚杆抗拔安全系数等设计要求，计算结果表明，锚杆设置长度普遍较长，且锚杆锚固段一般均大于20.0m。

由于常规锚杆存在锚固段长度利用效率问题，即在锚固段长度超过一定限值后，再增加的锚固段长度利用效率低下，基本不能起到继续提高锚杆承载力的作用，如此不仅造成较大浪费，同时也可能对基坑工程形成一定的安全隐患。由此可知，当锚固段长度超过一定限值后，使用锚固段粘结应力分布更均匀、锚固段侧摩阻力发挥更充分的荷载分散型锚杆是较好地选择。

根据上述分析，本项目设计结合施工经验及相关研究成果，当预应力锚杆锚固段长度大于20.0m时，要求选用拉力分散性锚杆，以保证锚杆锚固段的使用效率。使用拉力分散型锚杆时，仅需在杆体制作时增加区分杆体单元的工序，成孔、注浆等工序均与普通拉力型锚杆相同。

2.5 地下连续墙分幅复杂

本项目拟建建筑基础结构及外墙边线普遍为弧形，在进行地下连续墙分幅设计时，为了控制基槽开挖面积，需按照结构弧形邊线开挖基槽，因此，地下连续墙进行分幅时难免会出现多个异性槽段、多个角度，以及一些位置肥槽增加的问题。但实际施工过程中为了减少土方开挖量，需要考虑控制基坑开挖面积，即控制肥槽宽度。同时，考虑到地下连续墙钢筋加工工作量大，角度控制困难，且钢筋笼加工角度控制直接影响地连墙幅与幅之间衔接处理，因此，为了地下连续墙钢筋笼加工方便，需要考虑尽量减少地下连续墙异性槽段的个数。

本项目在进行分幅布置时，应根据减少异性槽段、减少异性槽段不同角度个数、对肥槽宽度控制等原则进行设计，异性转角槽段采用首开幅处理方式（如图4所示），该处理方式是常规异性槽段处理方式，其有利于转角地下连续墙接缝止水效果，且两端型钢接头可与二期直型槽段平行插接（如图5所示），保证其他接头的止水处理效果。

异性转角槽段一般采用3600mm+2400mm进行分配，可减少抓槽次数，提高施工效率，并且两端均为直型槽段导墙，导墙不影响扩槽施工。

3 主动抗浮概念方案

根据本工程水文地质勘察报告，本工程抗浮设计水位按本工程场区附近运潮减河50年一遇洪水位标高及北运河50年一遇洪水位标高之较高者考虑，结合本工程建筑设计条件初步估算，本项目应采取抗浮设计处理。

3.1 主动抗浮设计思路

抗浮措施主要有主动抗浮措施、被动抗浮措施。主动抗浮主要是通过减小浮力来提高抗浮稳定性;被动抗浮是通过提高抗力来达到抗浮稳定性。根据抗力来源又可分为结构配重和抗浮构件两种，而抗浮构件目前主要有抗浮桩和抗浮锚杆[5-6]。

本工程基坑地下水控制采用地下连续墙止水帷幕方案结合疏干井的方案，考虑到地下连续墙止水帷幕效果相对较好，且钢筋混凝土结构具有稳定性、耐久性的优点，因此，文章提出利用地下连续墙结构作为永久性止水体系，并结合永久帷幕体系内设置疏干集水井达到降低帷幕内地下水位、减小浮力的效果，以实现满足结构抗浮稳定性的目的，此即为本工程采用主动抗浮的设计思路。采用主动抗浮设计，可以充分利用已有的临时基坑围护结构，并可取消被动抗浮抗拔桩，不仅可以大大减少工程投资，同时也可以缩短总体施工工期，极具经济效益和社会效益。

3.2 主动抗浮概念设计

利用地下连续墙与粉质粘土层相对隔水层形成的封闭帷幕体系，阻隔帷幕内外水力联系。在基坑使用阶段通过疏干井疏干帷幕内存在的滞水，保证基坑开挖以及地下结构施工。地下结构施工完成后，在肥槽底部设置导流沟槽，导流沟槽上部采用碎石透水材料进行回填，回填材料内设置竖向排水导管。肥槽顶部采用混凝土等不透水材料进行封闭，防止地表水体入灌。主体建筑物使用期间，基底以上的帷幕漏水、地表渗水通过碎石透水层向下渗入导流槽，并汇入集水井。基底以下帷幕渗漏、越流补给地下水也通过在集水井中设置水泵排出帷幕以外[7-8]。主动抗浮设计如图6所示。

若采用主动抗浮设计，为尽量减少止水帷幕可能出现的渗漏点，在基坑设计阶段应要求对基坑止水帷幕地连墙锚杆孔封孔处理，对地墙底部进行高压注浆封堵处理，对勘察孔钻透粉质粘土层采用高压旋喷桩封堵处理[9-10]。

采用本主动抗浮设计方案，不但可以解决结构抗浮问题，同时在集水井持续抽排的条件下，地连墙与结构外墙之间因存在透水材料而不具备贮水条件，避免了地下室外墙与地下水直接接触，地连墙可以起到地下室结构外墙离壁墙的作用，大大增加了地下室的防水效果[11-12]。

4 结语

本工程设计难点在于基坑深度较深，基坑支护影响范围内地下水丰富、含水量大，设计方案采用地下连续墙作为止水帷幕，由于结构外墙边线为弧形，其地下连续墙分幅布置较为复杂。另外，文章提到的主动抗浮概念方案也将为之后相关工作提供参考。下面对本项目设计中的问题进行总结如下：

（1）由于基坑开挖过程中主要受潜水、承压水影响，且通过对裙房及主塔部位进行基坑突涌稳定性验算，基坑突涌稳定性安全系数不满足设计要求，据此采用了地下连续墙止水帷幕结合应急抽水井、疏干井的方法对地下水进行处理。应急抽水井将地下水水位降低至最后一排锚杆孔口标高以下0.5m，以便锚杆施工。由于最后一排锚杆可能会穿透第2层承压水含水层，设计时还应根据不同锚杆位置及地层情况区分考虑，应急井管井一般采用无砂管，在最后一排锚杆穿透第2层承压水含水层的部位，为避免锚杆施工打穿承压水含水层，对施工造成不便，此相应部位应急井井管采用井壁管且井端加深，降低第2层承压水水位至锚杆锚固段标高以下。

（2）本工程受基坑支护深度、地层特性、地下水等因素影响，设计过程中存在支护结构锚杆长度较长的问题，考虑到常规锚杆在锚固段长度超过一定限值后，再增加的锚固段长度利用效率低下，基本不能起到继续提高锚杆承载力的作用，因此，设计时应根据周边项目施工经验，积极查阅资料及相关规范，确定合理的锚杆类型。本项目设计要求当锚固段20.0m时，使用锚固段粘结应力分布更均匀、锚固段侧摩阻力发挥更充分的拉力分散型锚杆。

（3）本工程结构外墙为弧形，地下连续墙分幅受限因素较多，在进行设计时，应做好与建设单位及施工单位的沟通工作，明确设计条件，如基坑肥槽宽度控制，地下连续墙的异性槽段、异性角度控制等，在满足设计要求的前提条件下，选择便于施工且较为经济的设计方案。

（4）地下连续墙一期槽段与二期槽段接头位置采用工字形型钢，设计时考虑将地下连续墙有角度位置至于异性槽段中部，保证一期异性槽段两端型钢接头可与二期直型槽段平行插接，这种分幅方法不仅便于地下连续墙的施工，而且可保证止水效果。

（5）基坑工程设计时灵活的结合结构设计相关要求进行抗浮处理概念方案构思，具有一定的创新性。文章提出的主动抗浮的概念设计，其优势在于可以充分利用已有的临时基坑围护结构，并可取消被抗拔桩，不仅可以大大减少工程投资，同时也可以缩短总体施工工期。

但考虑到地下连续墙止水帷幕实际的止水效果存在不确定性，最终主动抗浮思路是否能够实现，尚需要根据止水帷幕封闭后进行试抽水试验结果进行综合可行性论证，包括根据抽水量确定的项目使用期间抽水设备费用和维护费用等综合费用与被动抗浮优化费用的经济比较、运营管理方式研究分析等。另外，目前主动抗浮技术运用于重大工程相較于被动抗浮技术尚不成熟，因此，主动抗浮技术仍需进一步研究和探讨。

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