深基坑水平止水帷幕无压性地下水控制设计及实践

陆建生

(上海广联环境岩土工程股份有限公司，上海 200444)

0　引言

软土地区城市密集中心区的深基坑施工安全，特别是既有建筑地下空间的开发建设，不仅仅关乎稳定和强度问题，更是关乎周围环境保护问题，如何将施工过程对周围环境的影响控制在更加严格的容许范围内，以确保基坑周围原有建(构)筑物、地下管线及道路等的安全，已成为该类地区基坑工程施工过程中周边环境保护的首要工作[1-2]。

对于软弱地层区域，地下水水位下降与地面及建(构)筑物的变形关系灵敏，唐业清[3]及蒋红星[4]对深基坑事故的调查资料显示，有20%～70%的基坑事故与地下水控制有关。

沉降微扰动控制区域进行深基坑建设过程中，如何有效进行地下水控制设计是目前基坑建设中的一个重大关键点。控制因基坑降水而引起的工程性地面沉降，最直接有效的办法是控制地下水水位，包括直接减少或消除坑外特定区域水位降深幅度和减少或消除基坑内水位降深幅度。直接减少或消除坑外特定区域水位降深幅度可采用基于围护-降水一体化设计[5-8]之上的抽灌一体化技术[9-11]，目前抽灌一体化技术在基坑建设中已有一定的应用，其设计理论也有了一定的研究，在沉降控制方面取得了一定的成效[12-15]，但回灌技术在实际应用过程中受到综合设计不合理、施工场地限制、施工队伍精细化管理水平不足等问题影响，在沉降控制中未能达到预期管理目的。

减少或消除基坑内水位降深幅度是一种更为可靠的地下水控制技术，通过土性的改良形成水平止水帷幕达到降低含水层层顶标高，进而达到不降或少降的目的。水平止水帷幕封底技术目前应用相对较少，部分基坑利用加固形成了水平止水帷幕，但因设计考虑不全，只是减少了帷幕底下部含水层的降水幅度，未充分发挥水平止水帷幕的作用。本文简述了水平止水帷幕无压性地下水控制设计的原理，并在某地铁车站的地下水控制设计中的应用。实践表明水平止水帷幕在地下水控制实践中可起到有效的控水作用，并针对实际过程中的控制环节提出了一些建议。

1　水平止水帷幕无压性地下水控制设计原理与计算

1.1　设计原理

水平止水帷幕无压性地下水控制设计指通过土性的改良形成水平止水帷幕达到降低含水层层顶标高，近而达到下部含水层不降水的目的。即水平止水帷幕底下部的承压水顶托力应不大于帷幕底以上的土压力，如图1所示。如止水帷幕底下部的承压水顶托力大于帷幕底以上的土压力，则仍须考虑帷幕底下部承压水的降水。水平止水帷幕的作用是在原含水层中间形成一层人工弱透水层，减少基坑的竖向补给。

图1深厚含水层悬挂式帷幕模式

图1(a)和1(b)为针对含水层为承压含水层。图1(c)和1(d)为针对含水层为潜水含水层，在水平止水帷幕底下部原潜水含水层变成了局部性的承压水，水平止水帷幕底下的地下水顶托力应不大于帷幕底以上的土压力，如止水帷幕底下部的承压水顶托力大于帷幕底以上的土压力，则仍须考虑帷幕底下部地下水的降水，则不符合水平止水帷幕无压性地下水控制设计。

水平止水帷幕无压性地下水控制设计可达到以下目的：

(1)沉降敏感区域，在有效保障基坑安全的同时有效控制坑外水位降深；

(2)在涌水大的区域，减少基坑涌水量，减少市政排水能力，减少电耗；

(3)从水资源保护角度出发，减少水资源浪费。

1.2　设计计算

水平止水帷幕无压性地下水控制计算主要包括水平止水帷幕底埋深的确定、基坑涌水量的确定和水平止水帷幕厚度的确定。计算模型如图2所示。

图2　计算模型

1.2.1水平止水帷幕底埋深的确定

水平止水帷幕底埋深确定原则：水平帷幕形成后，帷幕底下部承压水在基坑开挖至底过程中无需降压。水平止水帷幕底埋深可按公式(1)和(2)计算。

(1)

(2)

式中：Ps——水平止水帷幕底面至基底面之间的上覆土压力，kPa；Pw——初始状态下(未减压降水时)水平止水帷幕底面的承压水顶托力，kPa；h——基坑开挖深度，m；H——水平止水帷幕厚度，m；h0——初始水位埋深，m；hd——水平止水帷幕底埋深，m；γi——水平止水帷幕顶面至基底面间各土层的平均重度，kN/m3；γw——水的重度，kN/m3；γ——止水帷幕体的重度，kN/m3；Fs——安全系数，一般取1.00～1.10。

1.2.2基坑涌水量的确定

在不考虑竖向地连墙的水平渗漏及降雨补给量，只考虑水平帷幕底的垂向补给的条件下，基坑涌水量可按公式(4)计算。

v=kv(hs-h0)/H

(3)

Q=vS=kvS(hs-h0)/H

(4)

式中：Q——基坑涌水量m3/d；v——地下水渗流速率，m/d；S——基坑面积，m2；kv——改良后的垂向渗透系数，m/d；h0——水平止水帷幕底下部含水层水位埋深，m；hs——水平止水帷幕上部含水层水位埋深，m。

1.2.3水平止水帷幕厚度的确定

水平止水帷幕厚度因涉及施工工艺差异、不同土层改良差异等因素的影响，目前尚无较好的计算方法，一般以常规经验值考虑，如3～8 m，厚度的取值直接影响基坑涌水量的大小，因此也可通过预设基坑涌水量大小的方法，确定止水帷幕的厚度，如式(5)计算。

H=kvS(hs-h0)/Q

(5)

2　工程实践

2.1　工程概况

福州某站为地下2层岛式车站，框架结构。车站总长200 m，标准段宽19.7 m，车站标准段基坑深度约为16.2 m。车站主体结构基坑采用明挖顺筑法施工，主体围护结构采用厚度为800 mm的地下连续墙+4道内支撑的方案，第一道为钢筋混凝土支撑，其余均采用钢管支撑。为进一步控制施工风险，车站基坑根据地质差异及施工条件分为3个基坑施工，基坑工程性质如表1所示。

表1　基坑工程性质

2.2　环境条件

车站周边环境复杂，车站南侧分布的建筑物主要有省粮油进出口公司宿舍(砖7.5F)和渠城新村(砖7.5F)；北侧有孝辉旅社(砖3F)、后浦安置房(砼6F)、金洲小区(砖8F)、肿瘤医院(砼11F)以及省粮食储备仓库(砼2F)等，其中孝辉旅社距离基坑10 m，条石基础位于1号出入口处，主体施工期间不拆迁；靠近车站东侧端头井有一约6 m宽内河。车站西侧端头距离五里亭立交桥匝道60 m，五里亭立交桥车流量较大，且车站基坑开挖影响范围内管线较多，通讯管线、电力管、雨污水管、给水管、煤气管等工程管线密集。根据《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB 50307-2012)，结合本段工程特点和环境特点，本车站环境风险为1级。

2.3　水文地质条件

本站位置的岩土层包括：①2杂填土，②4-1淤泥、②4-4淤泥夹砂、②4-5淤泥质中细砂，③1粉质粘土、③3中粗砂、③4淤泥质土、③5淤泥夹砂、③8卵石(砂质填充)和⑦1强风化花岗岩(砂土状)。车站区域典型地质剖面如图3和图4所示，车站区地层起伏大，地质条件复杂，车站左右线地质剖面极不对称，含水层参数如表2所示。

专项抽水试验期间，浅部淤泥层水位标高4.54～4.76 m，②4-4层水位标高3.10 m，②4-5层水位标高3.11～3.62 m，③3层承压水水位标高为2.87～3.15 m，②4-5层水位标高略高于③3层水位标高，且东区观测井水位标高略高于西侧，本站地下水总的流向是从东北往西南方向排泄。

本场区水文地质条件复杂，车站西侧②4-5和③3层水力联系密切，车站东侧两者间因③1粘性土的存在上下直接水力联系较弱，但随着时间的延长，因水文天窗的原因两者的水力相关性大。

图3典型地质剖面(左线)

图4　典型地质剖面(右线)

含水层含水层土性静止水位标高/m场区一场区二KV/(m·d-1)KH/(m·d-1)Ss/(L·m-1)②4-4淤泥夹砂3.101.00×10-39.00×10-21.00×10-5②4-5(含泥)细中砂3.11～3.453.620.506.009.00×10-5③3粗中砂2.87～2.913.15～3.172.0012.801.50×10-4

②4-4层、②4-5层与③3层因降水引起的变形差异大，同时本地区地层起伏大，各土层厚度变化大，致使除总沉降量较大外，后期不均匀沉降也将明显，对建(构)筑物的破坏大。

鉴于本地区水文地质条件复杂及环境复杂，经过专项水文地质试验分析后，确认采用水平止水帷幕进行封底，以减少坑内降水对周边环境的影响。

2.4　水平止水帷幕无压性地下水控制设计

根据公式(2)计算可得到表3中不同安全系数下的临界止水帷幕底埋深，在此基础上依据实际地层起伏、工程风险、止水帷幕施工搭接等问题确定最终设计水平止水帷幕底埋深。为有效控制水平止水帷幕的施工效果，止水帷幕厚度定为5 m，采用Ø1100@850 mm三重管高压旋喷桩。

表3　基坑底抗突涌稳定性验算

水平止水帷幕所处地层的垂向渗透系数原为2 m/d，设计时考虑地层渗透性得到有效改善，按0.1 m/d考虑(渗透性改良按95%考虑)，依据公式(4)，基坑各分坑的基坑涌水量设计指标如表4所示。西坑、中坑设计基坑涌水量为500 m3/d考虑，东坑设计基坑涌水量为250 m3/d考虑，当实际基坑涌水量小于设计基坑涌水量时，认为止水帷幕施工效果达到预期。

2.5　降水设计

表4　基坑涌水量计算

本工程主要软弱土层为第②4-1层深灰色淤泥层和第②4-4层深灰色淤泥夹砂层，该两层土含水量高、孔隙比大，土质软弱，高压缩性，具有高灵敏度、低强度的特点。若不采取措施降低土层含水量，将造成开挖面软弱、积水等不良现象，影响开挖面上的施工，较大的含水量也使得土体自立性差，影响开挖效率。

对于本工程，对基坑开挖造成主要影响的承压含水层为②4-5层和③3层。在基坑开挖过程中，随着开挖深度的增加，承压水上覆土压力变小，当承压水顶托力大于上覆土压力时，承压水突涌便成为基坑开挖过程中最大的风险之一。

主体基坑内部，针对②4-5层，由于基坑开挖已经揭露②4-5层，对②4-5层进行直接疏干，针对③3层，加固底部下不需考虑承压水降水。由于水平止水帷幕施工过程中对上部土层扰动，②4-5层和③3层不存在稳定的隔水层，因此考虑不单独布设③3层深井。

基坑周边环境复杂，布置②4-5层和③3层坑外观测井，用于监测坑外承压水位变化，检验基坑围护止水效果，并实时分析基坑开挖期间的水位变化，进行风险预警。降水井平剖面如图5和图6所示。

2.6　水平止水帷幕功效分析及小结

图5降水井平面布置

图6　降水井结构示意

为检验地连墙和水平止水帷幕的防渗效果，分别对西、中、东基坑进行了封闭性试验。实际基坑涌水量如图7和表5所示。

图7　各基坑涌水量时间变化趋势

西基坑坑内水位降深达到13 m时，基坑实际抽水量为179.55 m3/d，降水按需降水时，基坑涌水量为277.00 m3/d，小于设计指标500 m3/d，达到预期设计指标，同时反算垂向渗透系数可得经过水平止水帷幕的施工，该处渗透性改良效果达到97.20%。

中基坑坑内水位降深达到17 m时，基坑实际抽水量为207.70 m3/d，降水按需降水时，基坑涌水量为202.27 m3/d，小于设计指标500 m3/d，达到预期设计指标，同时反算垂向渗透系数可得经过水平止水帷幕的施工，该处渗透性改良效果达到97.85%。

表5　水平止水帷幕功效分析

东基坑坑内水位降深达到17.07 m时，基坑实际抽水量为100.29 m3/d，降水按需降水时，基坑涌水量为107.27 m3/d，小于设计指标250 m3/d，达到预期设计指标，同时反算垂向渗透系数可得经过水平止水帷幕的施工，该处渗透性改良效果达到97.95%。

同时坑内抽水时，坑外水位降深0.05～0.18 m，坑外水位降深小，地连墙及水平止水帷幕的止水性好。

3　结论与建议

本文简述了水平止水帷幕无压性地下水控制设计的原理，并在某地铁车站的地下水控制设计中进行了应用，通过抽水试验及工程实践，表明水平止水帷幕作为地下水控制设计的措施之一是有效的，主要结论及建议如下。

(1)本工程在粗中砂地层中(埋深最深38 m左右)采用超高压旋喷桩工艺进行土性改良，效果良好，垂向渗透性改良效果达到97.2%～97.95%。随着基坑开挖深度的增加，水平止水帷幕底深度越来越深，如基坑开挖深度为30 m初始水位埋深5 m的基坑，其水平止水帷幕底埋深一般会达到61 m，其施工工艺的要求将越来越高，可尝试采用RJP工法或MJS工法，另对于不同的地层不同工艺下的改良效果应进行专项试验，特别如卵石地层。

(2)常规采用钻孔取心检测水平止水帷幕渗漏的方法，属于为检测而检测，如取心孔封闭不良，大大降低水平止水帷幕的功效，甚至可能给基坑开挖带来巨大的风险，对于类似工程的检测建议采用坑内抽水试验坑外观测的方法进行封闭性渗漏检测试验，在通过抽水试验不能满足预期目的的情况下，建议再采用钻孔取心分析土性改良问题。

(3)与竖向止水帷幕类似，随着基坑的开挖，围护的变形，止水帷幕局部可能出现渗透加大或直接出现渗漏的风险，因此在实际施工期间，建议针对坑内外水位进行实时监测，随时预警可能出现的风险。