基坑开挖过程中降水方案最优化设计研究

蔡忠强

摘要：基坑项目的开挖环节里，如果承压的含水层，其上覆压的应力比水头的压力低，那么承压水的水头就会破坏基坑的底部，引发突涌的隐患。为了基坑施工安全，必须通过降水措施来降低水头压力。但在降水的同时，不可避免地会对周边土层造成影响，尤其是基坑的四周，有着关键的建筑物体，对变形的要求会非常严格。因此，基坑降水是一项复杂的系统工程，必须合理设计降水量，既能保证基坑底板的安全，又可以确保四周的建筑结构降低变形的概率。本文采用了最优化法对基坑降水方案进行设计研究。

关键词：突涌降水最优化约束

由于基坑支护工程为临时性工程，往往基础资料匮乏，在勘察阶段，对水文地质的勘探比较简陋或粗略。因此，在降水设计时，设计者无法对地下水进行正确的定量分析，或者采用简化的计算方法，甚至对某些参数依据个人经验取值。鉴于基础资料的缺失与降水问题的复杂性，应寻找一种既科学又经济的新方法。

1 工程概况

北京市副行政办公区，地热“两能”供热、供冷的热泵项目，地点是通州区运河东大街，基础埋深为-21.05～23.70m，实际挖深17.45m，工程内容主要是护坡、降水。

1.1 基坑围护体系的特点

本项目的围护部分，其设计的方式需要按照作业安全、实施可靠、合理投资、作业可行性高、并且快速的原则，在确保边坡的稳定程度及安全的条件下，选取相对经济、并且可行性高的基坑项目围护部分的设计方式。依据作业实施场地的具体状况，本工程有如下特点。

（1）本工程施工工序多，包括降干井、护坡的桩、预应力的锚杆、土体开挖项目，作业的任务多，工期很赶，每个工序间需要配合合理，才可以确保作业实施的顺利。

（2）基坑作业实施结束，主体的结构应该要过段时间，才可以作业到地面工程，基坑项目的作业实施周期长，其支护难以参考临时的作业实施设计，必须保持基坑的支护安全性高、并且稳定性合理。

2 地下水处理设计

2.1 地下水影响分析

根据勘察资料，场区内第一层孔隙潜水水位标高按10.97m考虑，拟建项目基坑槽底位于潜水水位以下，为保证基坑开挖的安全，需要把潜水的水位，减少到基坑槽的底部，不能小于1m的范围[1]。

2.2 降水方案确定

结合场地条件及开挖工况，使用封闭式的管井降水措施。降水井设置于支护部分的外面，井中心轴线距坡顶外缘2～3m。为确保封闭降水效果，在基坑东侧内部间隔15m布置降水井，辅助降水。

2.3 计算基坑涌水量

使用潜水非完整的井模式，测算基坑的涌水数据，测算结果详见表1。

2.4 降水设计参数

根据上述计算结果，确定基坑降水设计参数，详见表2。

2.5 基坑降水辅助措施

2.5.1 基坑壁余水处理

基坑底部周围应留有明沟和集水井，以保证基坑内干槽的安全运行。井（尺）深1.0～1.2m，井径0.70～0.80m，集水井可装钢包尼龙网过滤器和排水沟，防止积聚淤泥，便于集水。

2.5.1 防止基坑地面渗漏的措施

基坑顶部5m范围内不得设置渡槽，现场所有水道必须排干，使水进入下水管道。堵住基坑周围的防空通道、上下管道和加热沟，并排干积水，防止流入基坑[2]。

3 降水井施工方案

3.1 工艺流程

工艺流程如图1所示。

3.2 施工技术

3.2.1 挖泥浆池

结合作业区域内的条件，在基坑中，距离降水井大概3m的位置，开挖泥浆池，每1～3口井使用同样的泥浆池。

3.2.2 挖探坑

需要清理井周围中的杂物，需要在井的位置开挖探坑，坑的直径控制在800mm，深度在1.0～1.5m，如果井口的土体不紧实，需要布设护筒装置，防止泥浆的浸泡，把孔口冲刷，出现坍塌的问题。

3.2.3 凿井

脱水井采用反循环钻机钻孔，地层为自产泥浆保护井壁。在施工过程中，如果地泥不符合护墙要求，应选用护墙性能好的赭石或人工泥浆。井径至少为600mm，井眼必须笔直垂直，孔深与设计井深的误差小于300mm。

3.2.4 吊放井管

大口径排水井的井管采用钢管制成，将井管置于混凝土预制支架上，在地板中央安装中间导轨，四周用螺栓固定8号线，并连接管头与井口相差200mm时的接缝。井管和接缝被压入沙子中，并用玻璃布粘合，以防止井管中的沉積物，并用24根30mm宽的竹条垂直固定井管。为防止上下错位，应在下管前的方向架设井管。起吊井管必须垂直保持在井眼中心，让防水水泥砂或异物进入井内，井管必须覆盖井口离地面200mm的高度[3]。

3.2.5 填滤料

井管进入后立即填充滤料。滤料均匀地填充在井眼周围，必须保持连续才能将泥浆挤出井眼。加注过滤介质时，应与加注一起测量过滤介质的高度，如果加注量与理论计算量不符，应及时查明原因。不要用装载机直接装料和使用。铲墙切割材料，以防止不平整或冲击井。

3.2.6 洗井

井制成之后，需要使用污水泵设备，实施反复的恢复性清洗作业，直到清洗的水干净，没有杂质才行。

3.2.7 水泵安装

潜水泵设备使用尼龙绳，探入井中，布设好电缆与电闸箱设备，安置好漏电的保护程序。

3.2.8 铺设排水管网

排水管网以钢管为主要排水管，管径为150mm。排水管置于井外，托盘间距5～8m，排水管置于中心。井被提供并覆盖有保护衬里。在排水管道拐角处设置沉淀池，连接排水管网和城市管道。沉淀池可以用铁桶制作，如果使用砌砖池，则必须防水。

3.2.9 抽降

实施联网抽水降水之后，需要随时观察水位的情况，有无变化，控制好水泵设备的启动。

3.2.10 水位观测

实施抽水之前，需要观察好静止的水位数据，开始抽水的时期，每天的早晚7点进行2次观测的作业，水位在稳定之后，实施每天1次的观测作业。

3.3槽中井封井方案

由于槽中井疏干井必须穿透底板，因此在地下结构工程进行一定高度时要采取封井措施，以保证地下主体结构的完整性。

3.3.1 封井前提条件

结构的底板需要实施混凝土的浇筑作业，并且混凝土的强度已满足设计强度的70%以上;主体的荷重已达到相应水位的抗浮要求，封井后不致影响后浇带的正常施工。

3.3.2 封井程序及方法

随着土石方下挖，逐段截断余下的钢制井管，井管标高保持在底板标高;检查井管止水圈是否满足设计要求;已绑完底板钢筋并浇筑完混凝土;底板混凝土养护并达到封井条件。准备好封井材料，为干拌混凝土，标号达到底板设计强度及抗渗标号或提高一个标号，并适当添加早强剂，使初凝时间控制在45min;从某一侧开始封井，隔一个封一个;迅速拔出水泵，并倒入干拌混凝土，然后振捣密实，最后，井口用同强度标号砂浆抹平[4]。

4 地基加固和基坑支护及降水设计的建议

4.1 做好精细化管理

“质量安全大于天”，这是建筑业永恒不变的根基和真理。工程质量不过关是间接杀人的行径。而在精细化管理面前，建筑质量应该做到意识、制度、监管、行为4个方面的完全确立。

（1）在意识方面，要向每一位施工者、检查者和管理者都阐明质量的重要性。通过大量的国内外因建筑质量不过关而导致重大安全事故的案例来警醒他们质量第一的重要性。同时，对于建筑质量中的一些灰色地带如水泥质量问题、欺瞒和收买质检人员等细节性问题进行阐明，同样，通过案例说明这些行为的危害极大，以警示相关人员。（2）在制度方面，管理者应通过发现实际施工和检查过程中出现的易被忽视问题来完善制度。制度的监管要严格执行，发现新的问题无法被制度所解释和约束时应该及时报告，绝不能利用漏洞投机取巧。（3）对于监管人员的思想教育也要到位，应铭记“制度是用来遵守的，而不是用来寻找漏洞后进行利用的。”（4）行为上应加强引导，尽可能地让相关人员达到一种“无意识”（最低要求为“下意识”）遵守规则的行为，而为巩固这一“无意识”或“下意识”地遵守规章制度的行为，必须加强前上述其他3个方面的影响力[5]。

4.2 设立配套管理机构

在精细化管理部门的设立过程中，需要将有关的项目经理作为主负责者，将其下属的质量监督者作为相关项目工程师来进行新的精细化部门的组建。明确部门职责范围，将工程技术试验、物资调配、施工计划设计、建筑质量检查及施工技术发展等部分作为下属分支机构。项目经理对这些下属机构的工作质量和进度进行负责，而工程师应该配合新的质量监督者领导人——施工队长来对现场的施工工作进行负责，这样将原有的职务进行重新划分，并通过下属办公室进行职责细化，达到精细化管理的目的，保证总体质量的优异。

4.3 运用深地基基础施工技术

该技术由于通过其进行侧向支撑的桩墙与内部支撑所组合而成的桩撑体系来进行地基施工，因而其应用范围不断扩大，且在施工范围扩大的同时还对地基施工质量提供保障。在地基施工技术方面的设计应遵循下列基本原则。

（1）负荷原则。该原则指的是道路工程中的地基建设必须要对其所能够承受各类力的最大范围给出相应准确数值，同时在建设地基时应对地基所承受的力量值进行检测，如果可能出现或者已经出现超过地基可承受力量数值范围的情况，应立刻将注意力放置在降低地基所受力量的方面上。等到地基可承受力量恢复到正常值之后，再进行施工。由于地基在超出力量负荷之后往往会发生地基土剪切与地质稳定和平衡性上的破坏，因此必须对负荷原则进行首要坚持。

（2）遏制原则。该原则让由于建设地基而引发的部分地质結构损坏的问题能够得到遏制，为达到这一目的，施工人员必须对地面开采的次数和掘土量进行有效把握，通过对地面和地下形变程度进行人为控制，保证地基的承受能力不会下降，做好地基加固和基坑支护的降水设计工作。

（3）监测原则。该原则是指通过对地基的基础不间断进行有关地基耐久度、地基强度等方面的数据监测，从而使建设在该地基上面的建筑或路段能够在结构上得到契合。负荷、遏制和监测是目前地基加固和基坑支护的降水设计工程中应遵循的基本原则。

5 基坑降水设计所需要考虑的两个关键因素

（1）需考虑场地周围既有建筑物的高度、分布和结构，以及这些建筑物与基坑工程的距离。当基坑周围的地下设施，包括电缆和管道设计用于降水时，也应考虑其排水通道和供电。对于基坑降水，设计方案起到较强的抑制作用，有效考虑这些因素可以更具体地保证周围建筑物和地下设施的安全。（2）考虑基坑的土体结构和地下水分布，包括土体的形成条件、颗粒含量和土体结构、不同基坑、不同区域不同土层、不同深度和渗透系数等。如果渗透系数的计算结果不准确，很可能导致基坑降水方案的设计误差。如果水压估算错误或对基坑周围的地质水文资料了解不充分，基坑降水方案设计将发挥不了实际作用[6]。

6 结语

总而言之，应充分发挥信息化施工技术的优势，根据工程水果现场的实际情况，进行基坑降水设计的优化，不仅确保了基坑降水设计方案的切实可行，同时也促进了基坑降水施工安全性的有效提升。所以，必须设计合理的基坑降水方法，才能确保基坑开挖施工的顺利进行。

参考文献

[1] 曾谊辉.基坑开挖对周边道路的沉降影响研究[J].四川建材，2020，45（8）：69.

[2] 胡斌.高架桥下路面差异沉降分析及防治技术研究[D].武汉：华中科技大学，2019.

[3] 陆文亮.高架桥基础承台与路面差异沉降分析[J].交通科技，2019（2）：52-55.

[4] 王卫东，徐中华，宗露丹，等.上海国际金融中心超深大基坑工程变形性状实测分析[J].建筑结构，2020，50（18）：126-135.

[5] 邓超.高架桥基础承台开挖引起的路面差异沉降控制方法研究[J].中外公路，2020，40（2）：15-19.

[6] 奚家米，丁卫锋，吴迪.基于复杂环境下软土基坑开挖阶段的变形监测与分析[J].科学技术与工程，2019，19（29）：254-259.