近河区域深基坑降水设计研究及分析

李 勇，龚有文，曹 言

(中建交通建设集团有限公司，北京 100071)

0 引言

近年来，随着城市建设脚步不断加快，临近河道区域房屋建筑施工项目逐渐增多，但由于近河区域地下水丰富，存在水位高、地层渗透系数大、水位受季节变化大等特点，导致近河区域的基坑降水问题更加复杂、突出。近河深基坑往往在施工过程中易受河道径流补给而造成基坑近河侧涌水，若不采取合理降排水方式，选择合理的降水井数量，容易造成基坑突涌、流砂、坍塌等现象，轻则影响施工进度及质量，重则使周围建筑物发生沉降、倾斜，造成结构破坏，带来经济财产损失及发生安全事故。

在计算基坑降水总涌水量问题上，目前我国所采用的主要方法为“大井法”，其设计规范为《建筑基坑支护技术规程》和《管井技术规范》，两个规范均未对基坑坑内降水给出明确计算公式，尤其是具有隔水帷幕，隔水帷幕未插入不透水层的近河基坑潜水非完整井尚未有准确的计算公式。《管井技术规范》中对截水帷幕插入承压含水层涌水量计算推荐使用三维渗流模型数值分析的方法，尚未有经验公式，充分说明了此条件下基坑降水的复杂性。某项目兼有采用坑内降水方式、三面隔水帷幕、单侧临近河道、地层条件复杂的特点，采用《建筑基坑支护技术规程》和《管井技术规范》对基坑降水进行了设计分析，确定了降水管井数量，为同类条件的基坑降水设计可以提供一些参考。

1 概述

某项目近邻汾河，场地东侧有汾河流过，场地距汾河河道500 m，区段内河床宽约300 m，最高水位424.7 m，最低水位422.7 m。场地北侧为城市道路，其他三面均为已建建筑物。场地基坑南北方长度为105 m，东西长度为63 m，总面积6 615 m2。场地开挖深度5.60 m～12.55 m。项目场地绝对标高为428.8 m，基坑底部绝对标高为422.65 m～416.2 m。项目根据不同地质特征，采用灌注桩、锚杆、土钉墙等方式进行基坑支护，基坑降水采用隔水帷幕与管井降水相结合方式。

2 基坑降水方案

本项目场地狭小，四周均有已建建筑物，参考类似工程施工经验，工程基坑降水采用在基坑内设置疏干井进行降水施工；同时考虑基坑东侧汾河径流影响，拟在场地北侧、东侧距地下室外墙1 000 mm位置设置隔水帷幕以减少河床渗流，隔水帷幕设计渗透系数为1×10-6cm/s。隔水帷幕采用水泥搅拌桩，桩底相对标高-16.5 m。依据项目地质勘察报告，项目地下水位标高为421.39 m～424.01 m，水位埋深为4.66 m～6.80 m。但工程基坑土方开挖施工期间于426.8 m处见地下水，施工期与勘察期地下水位存在明显差别，其原因是勘察期间场地南侧、西侧在施高层住宅楼项目正在进行降水施工。根据项目现场情况，场地地下水主要来源于大气降水及侧向径流补给，地下水类型为微承压潜水。本降水工程将不同含水层转化为同性均值含水层，依据大井法理论进行降水管井数量设计；该方法是将井群简化为一口大井，分别计算基坑总涌水量和单井出水量，从而得出降水管井数量[1]，最终通过设计数据与实际效果对比进行方案调整优化。

2.1 根据JGJ 120—2012建筑基坑支护技术规程确定管井数量

采用均质含水层潜水非完整井公式进行计算[2]。

2.1.1 基坑等效半径

(1)

其中，A为基坑面积。

2.1.2 降水影响半径

(2)

其中，sw为井水位降深，按基坑坑底最低深度计算11.55 m；k为含水层渗透系数，本工程依据地勘报告取细砂渗透系数建议值6.912 m/d；H为潜水含水层厚度，本工程取14.5 m。

2.1.3 基坑降水总涌水量

(3)

2.1.4 管井单井出水能力

(4)

其中，rs为过滤器半径，本工程实际施工采用0.15 m。

2.1.5 降水井数量

(5)

按照计算结果，基坑降水井按照12个布置。

2.2 根据GB 50296—2014管井技术规范确定管井数量

1)基坑中心岸边的距离。

b=31.5+500=531.5 m

(6)

2)基坑降水总涌水量。

按潜水非完整井，均质含水层，近河基坑降水，含水层厚度不大情况计算[3]。

(7)

其中，s为井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l为过滤器进水部分长度，本工程取2 m；m为由含水层底板到过滤器有效工作部分中点的长度，本工程取1.5 m。

3)降水井数量。

(8)

4)基坑降水总涌水量。

按潜水非完整井，均质含水层，近河基坑降水，含水层厚度很大的情况进行复核。

(9)

其中，s为井水位降深，同式(2)中sw，取11.55 m；l为过滤器进水部分长度，本工程取2 m。

5)降水井数量。

(10)

按照计算结果，基坑降水井数量取较大值，按照12个布置。

2.3 确定管井数量

本工程通过均质含水层潜水非完整井大井法公式进行基坑降水井设计，综合上述基坑降水总涌水量、降水井数量计算结果，按式(3)、式(7)计算得到降水井数量为12个。由于本工程地勘资料未能探明基坑地下水隔水层，按照式(9)，潜水非完整井均质含水层，含水层厚度很大的条件下计算得降水量数量为6个。最后，按照地勘水位埋深特点，考虑基坑西北角开挖深度及面积不大，最终按照11个疏干井数量进行基坑降水施工，设计管井深度为16 m，管井底标高为412.8 m。疏干井平面布置图见图1。

3 降水效果分析及设计

本工程按照11个疏干井数量进行了基坑降水施工，受项目工期工序影响，在疏干井全部运行后，本工程即进行基坑土方分层开挖及基坑支护施工，土方开挖至相对标高-4.500 m时，基坑渗水严重，基坑南侧出现泡水，局部发现管涌及流砂现象，基坑原设计11个降水井不能满足降水要求，基坑开挖无法有效达到干法施工条件，导致土方开挖作业停止。

经现场勘察，此时基坑出现：

1)基坑基底局部出现管涌及流砂。

2)已施工隔水帷幕表面出现渗水现象，近河一侧隔水帷幕底渗水较为严重。

3)支护工程已喷锚表面土体坍塌，土体坍塌后即出现渗水。

4)局部已开挖基底泡水深度达0.35 m等不良现象。

施工人员在出现基坑泡水后立即对降水井进行了检查，检查得出11个疏干井运行均正常，无不良现象。后经分析，本工程基坑涌水量大的主要原因为：

1)基坑近河一侧河水在重力作用下绕流进入基坑水量较大。

2)隔水帷幕设计底标高412.3 m，未能插入隔水层，按地勘报告，隔水帷幕底土层均为细砂，细砂层渗透系数较大不能达到良好的隔水效果。

3)勘察期间本工程西侧、南侧在施项目正在进行降水施工，施工期与勘察期地下水水位存在较大偏差。

4)降水设计时按均质含水层潜水非完整井理论进行计算，具有局限性；降水设计时部分参数与实际情况不符，且这些参数很难通过经验估算出更符合现场条件的准确数值，同时项目地下水类型为微承潜水，而降水设计按均质含水层潜水进行了计算。

为保证项目干法施工条件，本工程立即开始重新进行降水施工设计。此次设计按照直线补给边界条件，考虑基坑东侧河流影响，通过影响半径的理论公式，对基坑降水进行重新计算涌水量和管井数量[4]。

1)影响半径。

R1=2b=2×531.5=1 063 m

(11)

其中，b为基坑中心至河岸线的距离，同式(6)取值。

2)基坑降水总涌水量。

(12)

其中，H为潜水含水层厚度，本次计算参考按地勘报告，扩大了含水层厚度值，取38.8 m。

3)降水井数量。

按照计算结果，基坑降水井按照27个布置。

根据现场情况，本项目在近河侧基坑边界增加4个井采用集水明排及管井相结合方式辅助降水；由于基坑西侧高低位置交界处侧墙渗水严重，故又增设3个井，实际34个疏干井均参与有效工作。同时，为方便后期筏板施工，本工程在电梯井处增加3个备用井；后续施工过程中，由于抽水过程井体坍塌和土方施工破坏，基坑共计布置43个管井，在地下水流速较大的近河一侧和基坑最深位置增大了管井间距，其布置方式见图2。34个疏干井投入使用后形成降水井群，保证了基坑土方开挖及结构施工干法作业条件，取得了较好的降水效果。

项目在进行电梯坑结构施工降水期间，通过估算得知电梯坑位置土层丰水期渗透系数可达8.4 m/d，枯水期渗透系数5.2 m/d，并且按其数据进行了基坑涌水量和管井数量计算。其计算结果见表1。通过分析，进行管井设计时，渗透系数的最为关键，尤其在近河区域河床阶地上进行基坑降水设计时，土层往往以细砂、粉细砂等为主，其渗透系数应取大值为宜。

表1 不同渗透系数下基坑涌水量及管井数量

4 结语

以某近河基坑降水设计的工程实例，通过分析场地地质特点及实际降水效果改进设计出经济合理的管井数量是保证工程安全及进度的重要因素，针对近河区域深基坑降水施工研究，总结出了以下几点结论：

1)本工程参照《建筑基坑支护技术规程》《管井技术规程》分别通过式(3)、式(7)得出的疏干井数量较为相近，为12个，平均单个管井基坑影响范围半径为13.25 m；案例中由于地勘资料未探明地下水隔水层，本项目参照潜水含水层厚度很大的条件按式(9)进行了验算，但得出管井数量为6个。通过现场施工暴露的问题又参照《基坑降水设计》直线补给边界潜水条件进行了重新设计，按照式(12)得出管井数量为27个，更为接近现场实际情况, 平均单个管井基坑影响范围半径为8.86 m。

2)本案例中，基坑实际降水模型应为在三面隔水帷幕条件下，微承压潜水非完整井近河深基坑坑内疏干井降水，但《建筑基坑支护技术规程》《管井技术规程》未能对此种情况直接给出计算公式，需要通过模型转换的方式进行设计计算。同时，本案例计算存在一定缺陷，不能较好反映降水实际效果，数值手段的分析方法，是对复杂边界条件下深基坑降水方案设计比较好的方式。

3)本案例中，管井降水设计合理性的前提是地质资料的准确性[5]，选取更为接近现场实际的各项物理参数可以设计出更加吻合现场实际的井点降水方案。本案例中，由于地勘报告期与实际施工期地下水位资料不相符，隔水帷幕设计标准渗透系数为1×10-6cm/s，而现场隔水帷幕不满足设计要求；同时，隔水帷幕底插入土层为细砂层，其渗透系数可达5 m/d～10 m/d，细砂层不能形成隔水作用，考虑地下水绕流作用，通过帷幕底部渗入基坑导致基坑涌水量增大，只能通过增加降水井的数量和效率来弥补隔水帷幕设计缺陷。

4)在土方开挖至基坑底时，基坑底土层为细砂，局部地方由于降水作用出现了塌陷；隔水帷幕、基坑边界位置局部出现流砂；电梯坑位置渗水严重，电梯坑已开挖侧壁不断坍塌，形成约直径6 m的圆形坍塌区，给降水及筏板施工带来巨大挑战，此时只能在电梯坑内增加抽水泵数量以降级局部水头。经过分析，可能是由于隔水帷幕与电梯坑高差仅为4 m，且电梯坑处于整个基坑中心位置，河道绕流地下水多集中在基坑中心，其位置丰水期渗透系数可达8.4 m/d，枯水期渗透系数5.2 m/d，在近河区域河床阶地上进行基坑降水设计时，土层往往以细砂、粉细砂等为主时，土层渗透系数应取大值，更能符合降水要求。项目经降水发现，基坑最深位置水位降低过程最为缓慢，必要时需加大抽水量。

5)由本案例可以得出，对于近河深基坑复杂条件降水施工设计，应充分考虑河道补给及隔水工程隔水效果的影响，重视渗透系数的选取，利用规范结合专业理论，考虑边界条件及地层特性，选择合理的降水设计参数可以达到良好的施工效果。