半封闭止水帷幕条件下深大基坑降水风险分析

丁晓红

摘要：在工程建设过程中需要降低深层地下水时，受项目总投资控制、现有施工设备性能、场地周边环境、现场施工工艺等因素的影响，或多或少的会改变原有地下水的流场从而改变岩土的原始应力平衡，对环境造成破坏。为了有效地控制或减小这种破坏，有必要通过相应的检测、监测手段对降水方案设计、施工、运营过程中的风险进行分析、评估。通过建立降水渗流模型，选用相关的计算软件，能够预估土体因降水产生的附加沉降，这样可以对周边环境制定针对性的保护措施，对降水过程进行信息化的动态调整。

关键词：深层地下水；水位监测；附加沉降；信息化施工

南京奥体南大门地块占地约10万平方米，基坑东西长约400米，南北宽约250米，最大开挖深度达18.0米。基坑南侧距地铁1号线约100米，基坑东侧距地铁2号线约50米，基坑西侧和北侧为市政道路及管网。如采用全封闭隔水帷幕，则止水结构必须嵌入基岩（最深处达75米），施工设备选型及施工工艺选择是关键，同时工程造价将增加近40%；如采用半封闭止水帷幕，深基坑开挖过程中就需要降低地下深层承压水的水头，降水对地铁的危害评估及预防是本工程的首要任务之一。

1 场地岩土层分布及水文地质条件

1.1 场地岩土层分布情况

奥体中心C1地块南北长约240m，东西宽约90m，基坑开挖深度约18m，基坑南北两侧是市政道路，东侧离正在运营的地铁2号线约70m，西侧为自备用

地，场地岩土层分布.

1.2 水文地质条件

根据本工程《岩土工程勘察报告》，拟建场区地下水根据埋藏条件可划分为浅层潜水及承压水。

1.浅层潜水

潜水含水层由①层人工填土、②-1和②-2层新近沉积的粘性土构成。

场地人工填土厚度普遍较大（最大厚度达7.0m），由于密实度差，其间的大孔隙往往成为地下水的赋存空间，且连通性较好，富水性及透水性较好，属弱透水层，雨季水量较丰富，为基坑开挖主要出水地层。

新近沉积的②-1层淤泥质粉质粘土和②-2层粉质粘土，饱含地下水，但给水性较差、透水性弱，属微透水地层。南京地下水最高水位一般在7～8月份，最低水位多出现在旱季12月份至翌年3月份。野外勘探时间为2010年1～2月，勘探期间多降雨。勘探期间，测得场地潜水稳定水位埋深1.31～4.55米，初见水位埋深1.03～2.15m；呈东北高西北低状。地下水的补给来源主要为大气降水，以蒸发和侧向径流为主要排泄方式，水位受季节性变化影响，年变化幅度为0.5～1.0m。

2.（弱）承压水

（弱）承压含水层组由下部的③-1、③-2层粉细砂及④层中粗砂混卵砾石构成。层顶的②-2层粉质粘土由于透水性微弱，与下部的砂土层渗透性相差大，为相对隔水层，隔水底板为下伏基岩。③-1、③-2层及④层含水层含水丰富，给水性和透水性好，属透水～弱透水地层。

勘探期间，经量测该弱承压水水头标高在-13.50m左右，其补给来源为外围地下水的径流以及少量上层孔隙潜水的越流补给，以地下径流为主要排泄方式。地下水位随季节不同有升降变化，根据地区经验场地地下水位年变幅为1.0～1.5米左右。

2 基坑支护设计重点

2.1 挡土设计

由于基坑开挖深度达18.0米，且基坑底处于软流塑粘性土中，考虑后期与地下结构侧墙共同作用，采用0.8米厚地下连续墙做挡土结构，另纵向设置四层砼支撑梁，并通过调整支护结构的整体刚度和稳定性验算满足周边环境的允许变形要求。

2.2 降水设计

根据底板抗突涌稳定性验算公式：

表2是随开挖深度不同计算所得的底板抗突涌安全系数，由此可见，基坑开挖至10.0米时下部承压水有突涌的可能性，坑内250口深井中50口Φ325×6钢管井（井深46米）就是减压井，其余200口Φ360/Φ300的水泥管井（井深26米）为疏干井。3 降水沉降分析

3.1 降水评估分析

为了评估基坑施工阶段降压对周边环境产生影响和确定合理的隔水帷幕深度，需对场地内微承压含水层进行降水评价。在现有基坑降压设计方案的基础上，建立基坑施工阶段降压降水的三维整体渗流模型，进行基坑降压计算分析，预测评估基坑施工阶段在一定隔水边界条件下坑内降压对周边环境条件的影响，并通过计算分析确定合理的隔水帷幕深度。

抽取地下水时，由于地下水水位的下降，孔隙水压力消散，土颗粒承受的有效应力增加，使土产生固结，从而导致基坑周围地面产生沉降。

根据上述三维地下水渗流模型计算出的水位分布，采用下列经典弹性地面沉降公式进行降水引起的地面沉降预测计算：

本次降水设计计算以初始承压水水头埋深1.20m作为前提条件。由于地下连续墙埋深较深，为保证降水效果及尽量减小降水对环境的不利影响，采用坑内减压降水。

当基坑内承压水位达到安全埋深时，基坑外侧最大承压水位降深为4.0m，基坑外侧既有地铁1号线区间隧道最大承压水位降深达1.3m，既有地铁2号线区间隧道承压水位最大降深为0.23m。从预测地面沉降等值线图，如图2、图3所示，减压降水180天后，基坑外侧由于减压降水引起的基坑外侧最大地面沉降量约为8.0mm，既有地铁1号线区间隧道最大沉降量约为3.9mm，既有地铁2号线区间隧道最大沉降量约为0.4mm；减压降水360天后，基坑外侧由于减压降水引起的基坑外侧最大地面沉降量约为10.0mm，既有地铁1号线区间隧道最大沉降量约为4.8mm，既有地铁2号线区间隧道最大沉降量约为0.5mm。

图2 减压降水180天后预测地面沉降等值线图（mm）

3.2 降水附加沉降应对措施

为减少降水对周围环境的影响，必须按需降水，根据开挖工况，承压水位始终控制安全承压水位之下。基础大底板施工完成后，包括养护阶段和地下室及上部结构施工阶段，应由设计单位提供基础及上部结构的抗浮力，逐步减少减压降水井的开启数量，直至降水全部结束。降水结束前，应由总包单位开具“停止降水通知书”后，降水单位方可停止降水。在全部减压降水井施工结束后，至少应进行一次4口井的群孔抽水试验。根据试验结果，按基坑开挖和支撑施工的工况对降水运行进一步细化，制定详细的减压降水运行方案，提出每个工况下开启减压井的数量和井编号、抽水量，以指导降水运行。降水运行过程中每天将抽水量和承压水位的动态情况报告总包和监理，总包方应每天将各工况的进展情况及监测资料抄送降水项目部，监测资料应每天报送 降水项目部，以便制作各种图表，掌握降水运行的过程。

1.实行“按需疏干”与“按需减压”降水。临近建筑物和地下管线的减压降水井抽水时间应尽量缩短，

2.采用信息化施工，建议对坑内外观测井进行实时跟踪自动监测，发现问题及时调整减压井开启数量及抽水流量。

3.环境监测资料应及时报送降水项目部，以绘制

相关的图表、曲线，调控降水运行程序，确保基坑开挖安全和环境安全。

4.在减压降水井群施工完成后，应进行试运行，再详细制定减压降水运行方案。

5.在降水运行过程中，根据开挖进度逐步降低承压水头。根据试运行得到的结果，按开挖深度确定井群的运行，以减小和控制降水对环境的影响。

6.对各种管线、需要保护的建筑、已建成的隧道、地下连续墙等，必须由专业监测单位进行监测。

7.基坑施工过程中，如地下连续墙发生渗漏或严重渗漏，总包应及时采取封堵措施，以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降以及由此加剧坑外地面沉降。

8.当坑外观测井内的水位下降超过自然变化幅度的最大值时，应加密监测次数。当地面沉降超过警戒值，必要时应考虑进行坑外地下水人工回灌。回灌井根据坑外地面沉降发生情况另行设计与设置

4 建议

在基坑围护结构采用的地下连续墙施工之前，应针对本工程场地的地质与水文地质条件以及本基坑工程特点，进行2～3组专门的水文地质现场抽水试验。抽水试验目的如下：

1.测定微承压水的静止水位；

2.通过试验观测数据，测定微承压含水层的水文地质参数，以及确定微承压含水层的渗透差异性；

3.确定微承压含水层的单井涌水量；

4.根据抽水试验期间的短期沉降观测，有效推测基坑开挖长时间（2个月以上）群井减压降水引起周围的土体固结沉降。

5.停止减压降水后，观测与分析沉降回弹恢复与时间的关系；

6.根据抽水试验所得到的含水层水文地质参数，对所提出的基坑降水方案进行调整或优化。

参 考 文 献

[1] 肖长来，梁秀娟，王彪.水文地质学.北京.清华大学出版社，2010

[2] 中国地质调查局.水文地质手册（第二版）.北京.地质出版社，2012

[3] 林宗元.岩土工程治理手册.中国建筑工业出版社，2005