承压水作用下基坑工程的设计分析

□文/赵丽君

承压水作用下基坑工程的设计分析

□文/赵丽君

文中以天津地铁3号线某车站的基坑工程设计为例，探讨了基坑抗承压水的几个方案，并重点介绍了减压井的设计，以期为今后的此类基坑设计提供有益的参考。

基坑；承压水；减压井

承压水是存在于两隔水层间的有压地下水，其特征是上面有隔水层，具有明显的补给区、承压区与泄水区，补给区与泄水区相距很远，具有压力，一般埋藏较深。承压水对基坑开挖的影响是不容忽视的，是造成工程事故的主要原因之一。天津地区的承压水对基坑安全有影响的为浅层承压水，按其埋藏深度可分为2种存在形态：一种是下部浅层承压水，一般埋藏在⑨2粉土，⑨4粉砂，⑨5细砂层中，埋深约35m，它上面的隔水层是⑨1粉质粘土，⑨3粘土层，另外中间还有多个粘土、粉质粘土夹层；另一种上部浅层承压水，埋藏一般较浅，约地面下16m，它上面的隔水层是⑤1、⑥1粘土层。其中，浅层承压水多分布于渗透性较小土层中，出水量不大，但这些土层多数离建筑物、地铁车站等基坑底较近，当承压水头较大、上部覆土层较薄时，极易造成承压水冲溃坑底从而引起基坑失稳的事故。如果基坑基底是粉砂地层，下面的土层是承压水隔水层并且厚度较小时更为危险。因为粉砂颗粒较小，其有效重度γ也较小，承压水在隔水层薄弱处极易造成管涌和流砂，带走基底下部的土颗粒，从而造成基坑边坡失稳和整个地基悬浮流动。而且，水土流失会使地基土进一步扰动，造成基坑失稳。

基坑抗承压水方案

当设计基坑的坑底地层不能满足抗承压水安全要求时，必须采取安全可靠的地基处理措施。首先考虑将围护结构止水帷幕加深至承压水层以下的不透水层，将承压水层隔断。此时若止水帷幕加深太长，则不经济，应考虑采取其他方法。已应用的方法如下。

（1）采取水泥土搅拌桩或旋喷桩加固坑内土层，使之与周边围护形成整体的抗承压水底板；采用化学注浆法，沿围护结构底面以上形成不透水加固土层，承压水以上加固土层重应与其下面承压水压力相平衡。

（2）在基底范围内采用深井点降低承压水水压；必要时采用坑外回灌法以控制地表沉降，保护周边环境设施。

降承压水方案设计

降承压水水头计算

对于具有承压水层的地铁车站施工，GBJ0007-2002《地基基础规范》明确规定：当坑底以下有承压水时，必须采取坑底加固或降低承压水头等必要的治理措施，以保证基坑底稳定。基坑底板至承压含水层顶板面的压力应大于承压水的浮托力，即

式中：γm——透水层以上土的饱和重度，kN/m3；

t+△t——透水层顶面距基坑底面的深度，cm；

PW——含水层压力，kPa。

当不能满足基坑底板抗渗稳定性要求时，就应降低承压含水层水头，降低值可由公式（1）反算求得。对于承压含水层顶板的深度变化较大的地铁站，应分区进行计算，以求得各区需降低的承压含水层水头。

设置减压井

减压井结构见图1。

基坑涌水量计算

由于滤水管位于含水层上部，属于非完整井，考虑含水层的各向异性及透水层补给的影响，基坑涌水量采用公式（2）计算

式中：Q——基坑总涌水量，m3/d；

k——渗透系数，m/d；

M——承压含水层厚度，m；

S——基坑水位降深，m；

R——降水影响半径，m；

r0——基坑等效半径，m；

l——降水井过滤器底部至含水层顶板的距离，m。

计算参数的选定

当施工场地承压含水层无水文地质参数时，应在场地内进行抽水试验，以确定公式（2）中k、m等。

另外，降水影响半径和基坑等效半径均可通过JGJ 120-99《建筑基坑支护技术规程》中公式计算求得。

降水井的布置及验算

综合考虑现场的施工条件及周围重要建筑物、构筑物的情况及需降压水头和确定的计算参数，布置降压井。

通过公式（2）计算基坑总涌水量，再根据单井涌水量求算降水井数量；下面以某车站基坑为例，来全面分析基坑抗承压水的设计方案。

工程概括

天津地铁3号线某车站长188.7m，宽约20.6m，标准段基坑开挖深度为18m，围护结构采用地下连续墙。标准段地下连续墙埋深为32.5m，地下连续墙墙顶标高为1.6m。支撑采用φ608mm钢管，共5道。

土层分布情况见图2，主要物理力学指标见表1。

表1 主要土层物理力学性能指标

其中⑥2、⑥4、⑦2、⑦4粉土、粉砂为上部浅层承压水层，⑨2、⑨4、⑨5粉土、粉砂、细砂为较下部浅层承压水层；上部浅层承压水头埋深为2.57m，下部浅层承压水头埋深为5.2m。

从土层分布情况和基坑挖深来看，坑底所处土层为粉土、粉砂即上部浅层承压水层。而下面为粘土、粉质粘土隔水层，再下面的土层为下部浅层承压水层。

根据计算，围护结构埋深需30m，考虑距上部浅层承压水层底较近，设计将围护结构止水帷幕加长至32.5 m，穿透此承压水层，进入其下面的不透水层。因此，需验算基坑在下部浅层承压水作用下坑底是否稳定，若不稳定应采取减压降水措施。

基坑稳定计算

如果基坑按原设计开挖至坑底，根据地质报告可知下部浅层承压水层（透水层）顶面埋深约30.5m。由基坑开挖后透水层顶面以上各土层的重度与承压水头压力的平衡条件可知安全系数为

一般来说，此平衡的安全系数K取1.1~1.3，由式（3）计算可知，安全系数不能满足基坑稳定性的要求。由公式（1）反算求得

其中h为该承压水层（透水层）的水头差，因此需将下部浅层承压水水头的埋深由5.2m降至10m，才能保证坑底稳定。

减压井的设计

当基坑不能满足抗承压水压力时，一般采取深井点降低承压水头的措施。本工程围护结构止水帷幕已穿透上部浅层承压水，减压井仅为减⑨2、⑨4层承压水压力，因此减压井必须伸至⑨2、⑨4层中，减压井深度为38.5m。根据式（2）可求得基坑总涌水量，再根据所选水泵及单井出水量，可求得减压井个数。经计算，基坑内间隔20m设一个减压井即可。

结论与建议

（1）基坑设计和施工前必须进行详细调查，了解承压水分布情况。一旦地质资料反映有承压水存在，一定要验算承压水头与上部覆土重的平衡是否满足，如果满足必须有一定的安全系数。如果不满足基坑的抗渗设计要求，应采取措施降低承压水水头或将承压水层隔断。

（2）天津地区的承压水一般距离基坑的坑底较近，而且其上覆隔水层一般较薄，在基坑开挖施工过程中，承压水极易冲破地层薄弱处形成管涌或流砂。所以在施工过程中，即便在降低承压水头的情况下，也必须加强对基坑坑底，尤其是地下墙附近角隅处的观察，发现情况立即采取注浆封墙。

（3）由于承压水上部隔水层一般较薄，承压水极易穿透粘土层的薄弱处与上部渗水性较大的土层贯通，降低承压水的过程中易把隔水层上部土层中的水抽出，引起地面沉降。所以，在降低承压水的过程中应加强对附近房屋及重要地下管线的观测。

（4）施工中影响基坑的因素很多，加上实际情况的复杂性和计算的不完善性，任何设计都不可能把所有的影响因素全部考虑进去。因此，变形的监测和对监测数据的及时分析是非常重要的。

TU46

C

1008-3197（2010）02-20-03

2010-04-01

赵丽君/女，1966年出生，高级工程师，天津市市政工程设计研究院，从事地铁及民用建筑设计工作。