天津微承压水特征和工程控制方案

□文/李养平

城市地下空间向深度开发，致使基坑深度越来越大。资料显示，超过70%的基坑工程事故是由于地下水引起的。地下水的存在极大改变了土的物理力学参数与性能，增加了工程方案的不确定性。如果工程措施不力，轻者可能造成管涌、基坑坍塌，重者还可能危及周边环境和人员生命财产安全。天津市区属于软土地层，地下水丰富，水位高；此外，第II陆相层以下的粉土与粉砂层中地下水具有微承压性，对基坑工程影响较大。因此，微承压水的控制在深基坑施工中应该引起高度重视。

工程地质与水文地质概况

工程地质

天津市区地层为陆相层和海相层相互交替，每层厚度很薄，每个地质层内无规律地分布着粘土、砂土、粉土、粉质粘土和砂质粉土等。地层从上至下依次为第四系全新统人工填土层（）、第I陆相层（）、第I海相层（） 、第II陆相层（）以及上更新统第III陆相层（） 、第II海相层（）、第IV陆相层（） 的部分地层等。工程场地类型为软弱～中硬第四系松散堆集物，具有典型的软土地质特性，土质松软、强度低、压缩性高，易发生沉降、边坡失稳、流泥、涌砂等现象，工程性质差是天津市区的主要地质特征。

水文地质

天津市区地下水丰富、水位高。地下水埋深为1.5～2.1 m，水位变幅为1.0～2.0 m，地下水补给主要为大气降水。天津市区浅层地下水为孔隙潜水—微承压水，赋存于第四系粘性土、粉土及砂土层中，各地层含水率（空隙率）与透水性不一且没有绝对的隔水层。其中：第II陆相层下的粉土与粉砂层中，地下水具有一定微承压性，其水位一般低于潜水位。

天津市区微承压水的特征

根据天津地铁工程地质勘察成果以及实践验证，天津市区浅层地下水为孔隙潜水—微承压水。以第II陆相层顶部的粘性土为界（埋深约15～18 m），其上为潜水，主要赋存于粉土及粉质粘土中。第II陆相层及其以下的粉土、粉砂层中的地下水具有微承压性，常被粘性土分隔为多层，各含水层在空间分布上不太稳定。从区域看，以第II陆相层顶部湖沼相粘性土为主要隔水顶板，其隔水底板大致在60 m以下。天津地区受海河水系各条河流河道的摆动以及古地貌的影响，常形成古沟或故河道（古河道），造成局部湖沼相粘性土缺失，从而使该层和上部潜水连通，形成密切的水力联系，致使微承压水层的水位接近于上部潜水的静水位，但低于潜水位。此外，该地下水层不具有微承压水的典型特征，仅在工程上才更加突显承压性。例如：抽水引起了地下水动力条件变化，在上部地层失水后由于上下层垂向渗透能力的差异，致使下部水层中地下水不能及时排出，其承压性更加明显。

微承压水控制方案

天津地铁1号线工程埋深较大的车站，如：小白楼站、南楼站、西南角站、营口道站等，基坑开挖深度16.0～22.0 m，基底下2.0～8.0 m存在微承压水层。可以选用的工程控制方案见表1。

表1 工程控制方案比选

实践表明，降压方案是较为技术经济合理的微承压水治理方案，必要时可以辅助封底等方案联合使用。

降压原理

基坑施工中，基底至微承压水层的覆土压力能否抵抗微承压水的水头压力是基坑稳定的关键。利用微承压水基坑安全稳定性公式，计算出不同开挖深度时的安全水位埋深，进而在实际操作中达到按需降压。微承压水基坑安全稳定性公式如式（1）

式中：F——基坑底面突涌安全系数（安全系数的取值按各地经验决定，在天津对于开挖深度超过14.0m的基坑，按1.2取值；低于14.0m的基坑，按1.1取值）；

hs——基坑底面至承压含水层顶板之间的距离，计算时承压含水层顶板埋深取最小值，m；

hw——微承压含水层顶板以上的承压水头高度，m；

γs——基坑底面至微承压含水层顶板之间的土层厚加权平均重度，N/m3；

γw——地下水的重度，kN/m3。

在微承压水层中布置单独的降压井，随开挖深度的不同严格控制抽水量，以满足微承压水水位达到相应的安全水位要求，消除底部微承压水对基底的不利影响。另在浅层布置疏干井，降低基坑内潜水水位，保证基底与基坑土干燥，同时还可减少坑内土体含水量，提高与改善土体物理力学性能指标，对提高基坑支护体系的稳定度，保证基坑与周围环境安全具有重要作用。基坑疏干降水和微承压水降压抽水分属于各自独立的系统，也即分层抽水，能最大限度地控制抽水量，对周边环境的影响达到相对最小。

降压井的构造

井管位于微承压水层内部的段落采用无砂管，外包3层120目细目网，外加一层土工布包裹,其与井壁之间的环状间隙内回填3～7mm的滤料。微承压水层之下采用无砂管外填石料作沉淀管用；之上用水泥管，外填粘土球止水，通过水位变化证明上下水没有连通方可降水。微承压水与潜水分界面上1.0 m到地表采用水泥管。

降压井的设置

（1）降压井的位置。抽水降压要根据地质条件、微承压水埋深、隔水帷幕深度、基坑开挖深度与微承压水层的关系等情况，合理选择降压方法以及降压井的布置。按上述条件的不同，降压井布置于基坑内部或基坑外部或坑内坑外联合布井。

（2）降压井的数量。通过现场抽水试验确定现场的水文地质参数，依据水文地质条件、隔水帷幕与降压井设置等情况建立地下水三维渗流模型，通过计算确定降压井的数量及间距。

（3）降压井过滤器位置。降压井的深度、过滤器的位置等构造，应根据地质条件确定并应经试抽水检验。一般情况下井管过滤器应全部设置在承压含水层中。

技术要点

（1）在降压井施工前，应进行详细水文地质勘察，确定微承压水层埋深、水头以及土层渗透性等参数，获得工程场地的水文地质参数，为降水减压井的设计提供可靠的依据。

（2）在抽水降压前应对降压井及设备试运行，检验降压井的施工质量及设备匹配情况。抽水泵应与设计出水量匹配，抽水泵的选取除出水量外，一个很重要的参数是水泵的扬程。

（3）降压井应确保抽取的水为微承压水层中的水，抽水不抽砂，达到压力平衡后要严格控制抽水量，以避免周围环境沉降。

（4）基坑外可按与降压井相同的深度、管径等标准设置观测井，这样在发生降压井抽水能力不足问题时，可以将观测井及时转为降压井使用。

（5）抽水降压要根据工程进度按需要进行，依据施工作业面大小，启动不同数量的井，遵循分层降水、按需降水、动态控制的原则开展。

（6）抽水降压是确保基底稳定的关键，必须保持抽水的连续性，尽量避免间歇性和反复性的不连续抽水。因此，施工中需考虑备用电源设备，以应对可能发生的临时断电等突发情况。

（7）为减轻抽水降压引起环境过大沉降，可在基坑外设置回灌井。在井点降水的同时，通过回灌井点向土层中补充足够的水，使降水井点的影响半径不超过回灌井的范围，从而在井点和建筑物之间形成一道隔水帷幕，可有效地防止建筑物等下沉或开裂。回灌水量根据地下水位的变化及时调节，保持抽降平衡。

（8）抽水降压期间必须加强基坑与环境的监测，做到信息化施工。一旦发现异常应立即采取措施，确保工程与周围环境安全。

结语

地下微承压水的有效控制是深基坑工程成败的关键之一，应该引起建设者的高度重视。抽水降压是经济合理的微承压水控制方案，应有专业队伍编制专业的降水方案。降压井应由专业队伍并严格按照工艺标准施工。抽水降压要根据工程进度按需要进行，依据施工作业面大小，启动不同数量的井，遵循分层降水、按需降水、动态控制的原则开展。

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