深挖方基础施工降水方案研究

□余新溟 □耿 昕（河南省水利勘测设计研究有限公司）

1 工程概况

北汝河渠道倒虹吸工程位于河南省宝丰县东北大边庄与郏县渣园乡朱庄村之间北汝河上，是南水北调中线一期工程沙河南～黄河南段的一个大型渠穿河建筑物，倒虹吸总长1282m，其中管身段长度950m，管身采用4孔两联箱型结构，孔径7m×6.95m。倒虹设计流量315m3/s，加大流量375m3/s，总设计水头0.50m。

北汝河是淮河流域沙河的一条支流，全长254 km，总流域面积6080 km2。天然河道百年一遇洪峰流量9220m3/s。

工程场区为河谷地貌形态，地形较为宽阔平缓。北汝河河谷呈宽浅型，由于河流侧向侵蚀，河床由北向南迁移，两侧不对称。河流右岸为二级阶地，岸坡较陡；左岸为一级阶地，岸坡平缓。

场区地层为土岩双层结构，共划分为10个工程地质单元：①卵石（alQ24）、②黄土状轻粉质壤土（alQ14）、③卵石：（alQ14）、④黄土状中粉质壤土（alplQ3）、⑤重粉质壤土（alplQ3）、⑥泥卵石（alplQ3）、⑦砾岩（N1L）、⑧粘土岩（N1L）、⑨砂砾岩（N1L）、⑩含砂质粘土岩（N1L）。

工程场区地下水分为第四系松散层孔隙潜水、上第三系孔隙裂隙潜水和上第三系孔隙裂隙承压水。第四系松散层孔隙潜水赋存于第四系全新统卵石层中，上第三系孔隙裂隙潜水赋存于第⑦层砾岩中，上第三系孔隙裂隙承压水赋存于第⑨层砂砾岩及第⑩层含砂质粘土岩中的厚层砂砾岩透镜体。

2 管身降水方案

倒虹吸水平管身建基面位于第⑨层砂砾岩及第⑩层含砂质粘土岩中，开挖深度一般15～20m，施工开挖涉及上层卵石的潜水，下层砂砾岩及含砂质粘土岩中的地下承压水，该两层地层透水性为中等～极强，施工过程中需要进行施工降水。

降水方案的设计根据不同地层不同性质的地下水，采用不同的降水方案。

2.1 潜水

由于上部卵石层潜水分布较浅，一般5～8m，其下为隔水层粘土岩，渗透系数5.80×10-1cm/s，为强透水层，为避免潜水层渗水影响施工，同时减少基坑抽水工程量，降水方案采用截渗槽截流结合纵向导流沟导流方案。

截渗槽呈“U”形，沿开挖基坑一级马道内侧封闭布置。截渗槽深度为4～5m，底部高程为下部相对不透水层线以下0.50m，梯形断面，底宽1.50m，两侧边坡坡比1：0.50。截水槽内回填粘性土并夯实。另在二级马道处设置纵向排水沟，渗水引至集水井抽排入下游河道。

2.2 承压水

承压水主要赋存于第⑨层砾岩和第⑩层含砂质粘土岩中，承压水位水头较高。降水方案采用在基坑开挖前采用深井抽排法降低承压水头。降水井采用3排布置，第一排在基坑建筑物轮廓线外2～3m，布置间距20m，第二、三排沿一、二级马道梅花形布置，布置间距20m。

3 存在问题及处理方案

3.1 存在问题

倒虹吸52#、53#水平管身在垫层浇筑完成后，发现管身垫层存在细小裂缝，局部出现涌水点；在后续检查中发现裂缝继续增加、缝隙延长、缝宽增大，缝中涌水明显，垫层局部有明显隆起，隆起高度最高处将近30 cm，已造成基础破坏。

3.2 原因分析

首先对基础破坏段进行地质勘探复核，勘探结果显示垫层破坏管身基础岩性主要为含砂质粘土岩、泥质粉（细）砂岩。钻探揭示建筑物基础泥质粉砂岩（下部的泥质细砂岩）为承压水赋水层。

第⑩层含砂质粘土岩岩性不均，夹有多层砂砾岩及粉细砂岩透镜体或薄夹层，且该层具弱～中等膨胀潜势。

第⑩＇层（第⑩＇层为新增加编号）泥质粉（细）砂岩为第⑩层含砂质粘土岩中的透镜体，赋存裂隙性承压水，承压水头高出建基面约7m，并携带大量砂质颗粒。

垫层混凝土的变形破坏与地下承压水的活跃程度及基础的膨胀性有直接关系。经对已破坏的基础部位进行继续深挖，开挖边坡没有明显崩塌、剥落，基础开挖断面显示粉质含砂岩与泥质粉砂岩分界线附近，粉砂质粘土岩存在不规则裂隙涌水释放。

经综合分析，基础隆起破坏主因应是地下裂隙承压水所致，而不是由于粘土岩的膨胀性造成的。管身基础开挖在混凝土浇筑前预留有基础保护层，当时并未出现渗透及变形情况，说明此时上层覆土产生压重，裂隙受上部土压力作用，处于封闭状态。基础上层预留保护层开挖后，压重减小，地层回弹，上部土压力消失，裂隙地下承压水水头较高，造成裂隙张开，且此处基础底层为相对不透水层，裂隙水连通性较差，现有建基面两边现有的降压井排水影响半径较小，地层裂隙中的承压水无通道排出，造成上层土压力卸载后，地基出现涌水、隆起破坏，因地应力释放及地层裂隙在承压水的顶力下张开是一较慢的持续过程，造成已浇筑完成的混凝土垫层隆起破坏。

3.3 处理方案

针对此种情况，本工程以已破坏管身相邻的两节管身基础做为试验段，采用地下承压水探查、增加降压井，基础面增加反滤层以改善排水通道的处理方案，利用抽、排结合的方法，以降低承压水头，防止基础顶托破坏。

3.3.1 承压水探查

首先采用地质钻探对地质情况进行探查，特别是地下砂层的分布及厚度。地质钻孔采用间距10m梅花形布置。因地质钻孔均布置在建筑物建基面范围内，为保证建筑物的安全，钻孔采用回填反滤料的方法封填，考虑施工完毕后地下水位回升的情况，对基础面地质钻孔与基础面结合部位进行扩大开挖，开挖成直径为500mm，深度为250mm的圆坑。并在开挖基础面铺设一层土工布，然后回填中粗砂和粒径为0.50～2mm天然砂砾石料的混合料形成反滤，以便水的排出。

3.3.2 降水井布置

根据现场各探测孔水位数据，承压水存在水头高、渗透系数较小且不连通的情况，原设计降水井纵向间距较大，影响半径较小的情况，对现有的降水方案进行补充，加密降水井的布置，减小降水井的布置间距，以增加降水井对地下承压水的影响范围。降水井位置的确定应根据地质钻孔所取得的观测数据确定地质是否存在透镜体及涌水点，然后两侧降水井采用纵向排水沟连接，排水沟底高程在建基面下≥1.50m。在将地下水位降至设计要求后再进行基础开挖。两侧降水井加密后，如基础局部仍呈高压状态的钻孔附近可在钻孔周围增设降压井。

3.3.3 建基面处理

针对基础建基面的承压水无排水通道的情况，采用在建基础面增设一层反滤层，以形成排水通道。基础开挖至设计高程后采用中粗砂找平，在建基面上铺设一层400 g/cm2土工布，然后在土工布上铺设100mm的中粗砂，后铺设300mm厚0.50～2mm级配碎石。粗砂及碎石夯填度按≤0.90控制。

针对基础开挖后依旧存在的小型渗水点可采用排水沟的排水方案，将渗水通过纵横排水沟排出建基面，排水沟的开挖尺寸满足排水要求即可；开挖排水沟回填采用级配为0.50～2mm的天然砂砾石料；建基面排水沟出水口位置0.50～1m范围内采用土工布裹头，防止土体细小颗粒的带出。

按照以上处理方案对相邻管身基础进行了处理并适时观测。观测数据显示，该段基础完全消除了顶托隆起现象，说明处理方案是成功的。

3.4 已破坏基础处理

管身52#、53#基础因顶托隆起破坏，加上后期为摸清基础情况，对基础进行了开挖观测，基础已严重破坏。结合现场情况，针对管身52#、53#基础采用了换填处理方案。

根据现状基础开挖情况，换填基础开挖至原设计建基面下2.50m时，并对已产生挠动的部位进行清除。52#-53#管身基础与相邻管节基础开挖过渡边坡采用1：3。

基础开挖后采用中粗砂找平，找平后铺设一层400 g/cm2土工布，然后在土工布上铺设200mm厚的中粗砂，在粗砂垫层上回填300mm厚级配0.50～2 cm的天然砂砾料，最后回填连续级配天然砂卵石至设计高程。天然砂卵石中最大粒径≤8 cm且粗料含量（大于5mm的颗粒）≥50%。回填时相对密度≥0.75。

4 结论

通过对本工程管身段基础顶托破坏的研究和试验段的有效处置，为后续施工段有效控制地下水提供了很好的处理方案，保证了工程的顺利实施。同时，为其它存在同类基础问题的工程施工提供经验。目前，本工程管身段施工已全部完成，根据现场监测数据显示，管身结构稳定，沉降量满足设计要求，降水方案取得了良好效果。