复杂周边环境条件下基坑降排水设计研究

李进勇，吴鹏琴，王建宾，曾夏生

（1.中南勘察基础工程有限公司，武汉430081；2.中冶华亚建设集团有限公司，武汉 430081）

在影响基坑稳定性的众多因素中，地下水的控制占据着主导作用。地下水控制不当可能造成流砂、管涌、坑底突涌、帷幕渗漏等，引起地面沉降。因此，妥善解决基坑工程的地下水控制问题成为基坑设计中极为重要的一项工作。基坑工程地下水控制的目的，就是要根据场地的工程地质条件、水文地质条件及现场施工条件特点，采取可靠措施防止因地下水的不良作用引起基坑失稳及其对周边环境的影响。基坑工程地下水控制的方法分为降排水、隔渗、坑外回灌等。基坑降水设计应根据基坑开挖深度、场地条件、周边环境、工程地质及水文地质条件，合理选择降水方法以达到有效控制地下水的目的。本文以一个工程实例为依托，对如何合理选择基坑降水方式进行了阐述。

1 基坑降排水设计前期资料收集准备工作

1.1 施工资料、场地条件、周边环境及排水条件

施工资料主要指基坑开挖面积和深度、地下室施工的有关要求等；场地条件主要指红线、周边已有建筑物及地下管线、临时设施等离拟建工程的距离；周边环境主要指基坑周边已建建筑物的基础形式，地下设施及排水管道、光纤电缆、供气管道[1]等各类管线的分布位置、埋深及变形控制要求；排水条件指周边排水口的位置、市政管网的分布及排水能力等。这些都是影响选择基坑降排水方案的重要因素，在设计前应仔细调查收集。

1.2 工程地质条件

地质结构决定岩层、土层的物理性质、力学性质，土的渗透系数取决土颗粒级配、孔隙率等，不同的土层的渗透性有很大的不同，会影响基坑支护降水施工设计方法。降排水方案设计前应仔细研究勘察报告，了解场地的地层分布特征。

1.3 水文地质条件

水文地质条件主要是指场地存在的地下水类型及其赋存状态，含水层、隔水层的分布规律及补给排泄条件，主要水文地质参数（地下水位或承压水头深度、含水层渗透系数和影响半径等）。

地下水按埋藏条件可分为上层滞水、潜水和承压水3 种。上层滞水是赋存于包气带中局部弱透水层之上的重力水，补给来源于大气降水及地表水，水位及水量随季节变化。潜水是地下水中第一个具有自由表面的重力水；潜水的补给来源于大气降水和地表水，排泄以泉、泄流、蒸发等；潜水水位受季节影响大。承压水赋存于2 个隔水层之间，补给来源于大气降水，也有越流补给；排泄是以泉和其他径流方式向地表水体或地表排出，也可以通过上下部的含水层进行越流排泄；承压水水位比较稳定，受季节影响相对较小。地下水类型划分对深基坑地下水控制的意义在于不同类型的地下水的控制方法和环境影响不相同。上层滞水因埋藏浅、透水性弱一般可采用集水明排的处理方式，水量丰富时可设置截水帷幕；潜水一般与深层联系较少，一般只需侧向隔水帷幕或简单降水即可；深层承压水由于其水量大、补给丰富常需要复杂细致的设计，如坑内采用深井降水，坑外设置回灌井，侧壁含有粉土砂土或淤泥质土时，尚需设置悬挂式或落底式截水帷幕。

2 常用基坑降排水方法

武汉地区一级阶地的水文地质条件较为复杂，常分布有多层地下水。浅部有上层滞水或潜水，上层滞水主要赋存于填土、淤泥和淤泥质土等孔隙率相对较大的黏性土中，潜水主要赋存于临江一带的砂土中，渗透系数大、水量丰富。下部有承压水，主要赋存于深部砂卵砾石层中，渗透系数大、水量丰富；该含水层紧邻江河，与江河水有直接的水力联系，具有较高的承压水头[2]。由于武汉区域水文地质条件的影响，武汉地区常采用的基坑降水方式有集水明排、管井井点降水和深井井点降水。

2.1 集水明排

该方法是在基坑外边线和内边线周围建立一条敞开的排水沟，使从基坑地面或侧壁泄水孔渗入的地下水通过排水沟流入集水井，然后用水泵抽出排至市政管网，以达到降水的目的。其主要由排水沟、集水井、泄水孔组成，适用填土、粉土、黏性土或淤泥质黏土等，降水深度一般小于5 m。集水明排具有操作简单，施工方便，费用低廉等特点，在施工现场被广泛应用。但在高水位和地下水位丰富场地基坑支护工程中，这种方法难以单独奏效，往往作为其他地下水控制方法的辅助措施使用。

2.2 管井井点

管井井点系沿基坑每隔20～50 m 设置一个管井，地下水在重力作用下流入井中，每个管井单独用一台潜水泵或离心泵不断抽水以降低地下水位。管井井点由滤水井管、水泵和抽水机械等组成，适用于渗透系数在0.1～200 m/d 之间、地下水丰富的砂层以及轻型井点不易解决的场合，降水深度不限[3]。本法使用机具设备简单，排水量较大，水泵设在地面，易于维护，可代替多组轻型井点使用[4]。

2.3 深井井点

深井井点降水是在基坑开挖范围内设置深达含水层一定深度的井管，使地下水通过设置在井管内的潜水泵抽出以降低地下水位。深井井点由井管和潜水泵、排水管等组成[4]，适用于渗透系数在10～250 m/d之间、地下水丰富的砂砾卵石土，降水深度可达15～50 m。本法具有排水量大，降水深度大，排水效果好；井位布置灵活，对基坑挖土的干扰小；地层适应性强、施工速度快；管井制作简单、降水操作简单、后期维护简单等特点。

3 某复杂周边环境条件下基坑降排水设计

3.1 工程概况

基坑周长约725 m，面积24 600 m2，场地土0.00相当于绝对标高22.0 m，二层地下室底板垫层底标高为-9.5～-10.0 m，场地较为平坦，整平标高21.2～21.7 m，基坑开挖深度约8.7～9.7m。设计采用的支护形式：放坡+双排桩、放坡+悬臂桩支护，局部采用角撑。

3.2 周边环境及排水条件

根据业主提供的地下管线图和现场踏勘，该基坑开挖范围内无建（构）筑物及地下管线，周边建筑物和管线情况如下。

北侧地下室开挖底边线距红线约19.5 m，红线外为冶金大道。冶金大道上有电线光纤、排水、给水和天然气管道。

东侧墙线距红线约5.6～12.7 m，红线外为一小区内道路，距江南御景小区约20 m。

南侧墙线距红线约12.5～18.0 m，红线外为鄂州街，距客运集团小区约31.7～37.8 m。鄂州街上有电线光纤、排水、给水、共用管道和电视管线。

西侧墙线距红线约15.0 m，红线外为工业路。工业路上有电力、给水、电信、天然气、共用管道和排水管道。

西北侧墙线距红线约11.4～13.2 m，红线外为2～7 F建筑。

本项目市政雨污水排水管道走向为：北侧本项目红线附近设置一个排水口，通过一根DN300 砼排水管汇入马路对面DN1350 砼市政主排水管；南侧红线附近设置一个排水口，通过DN400 砼管道汇入临近东侧DN700 砼市政主排水管道；西侧红线附近设置一个排水口，通过一根DN300 砼管道汇入临近DN700 砼市政主排水管道。

3.3 工程地质条件

根据勘察报告，场地岩土自上而下地层为：

（1）层杂填土，层厚0.9～4.0 m，平均层厚2.3 m；杂色，松散状态，土质不均匀，以黏性土为主，包含砖渣、碎砾石，最大粒径为11～30 cm，含量约40%。

（2-1）层粉质黏土夹粉砂，层厚4.10～14.60 m，平均层厚9.12 m；黄褐色、褐色，稍湿，软塑，含铁锰氧化物，干强度高，刀切面较光滑，稍有韧性，土质不均匀。

（2-1-1）层粉质黏土，层厚1.90～2.70 m，平均层厚9.62 m；黄褐色、褐色，稍湿，可塑，含铁锰氧化物，干强度高，刀切面较光滑，稍有韧性，土质不均匀。

（2-2）层粉砂夹粉土，松散～稍密，层厚2.80～15.20 m，平均层厚9.62 m。粉砂：青灰色，松散～稍密，主要成分是长石、石英颗粒和云母片，偶见螺壳。局部夹薄层粉质黏土、粉土，具微层理，土质不均匀。粉质黏土：青灰色，软塑，干强度中等，刀切面较光滑，韧性较好，土质不均匀。

（3-1）层粉细砂，层厚2.20～13.30 m，平均层厚8.56 m；青灰色，主要由石英和长石颗粒、云母片组成，砂质均匀，分选性一般。呈饱和、中密状态。局部夹少量薄层粉土和粉质黏土。

（3-2）层粉细砂，层厚22.40～33.60 m，平均层厚26.67 m。青灰色，主要由石英和长石颗粒、云母片组成，砂质均匀，分选性一般。呈饱和、密实状态。局部夹少量薄层中粗砂，薄层粉土和粉质黏土。

（3-3）中粗砂混砾卵石，层厚0.4～0.7 m，平均层厚0.47m；杂色，主要成分为石英岩、石英砂岩等，卵石含量约为50%～65%，粒径一般40～70 mm，最大粒径110～30 mm，磨圆度较好，多呈亚圆～扁圆形，隙间充填中粗砂，呈饱和、偏密实状态。

（4）强风化泥质粉砂岩，层厚0.4～0.7 m，平均层厚0.47 m；青灰色，泥质胶结，岩芯较破碎，多呈土状和碎块状，徒手可捏碎、折断，采取率约80%。原岩结构大部分破坏，岩石风化不均匀，局部夹有约10%～20%的中风化岩块，分布不均匀。属极软岩，岩石基本质量等级为Ⅴ类。

3.4 水文地质条件

根据勘察报告，主要有2 层地下水，分别为上层滞水和孔隙承压水。

上层滞水：主要赋存于（1）层杂填土中，该层渗透性差，补给来源主要为大气降水和地表水的渗透补给，水量有限。勘探期间测得水位埋深为1.2～2.1 m，对应标高为18.73～20.28 m，局部填土中有一定的水量。

孔隙承压水：赋存于（3-1）层粉细砂及（3-2）层粉细砂中，水量大，与长江有密切的水力联系。2018 年11月测得承压水水位埋深5.6～6.1 m，对应标高为15.24～15.97 m。根据区域资料，本场区附近承压水水位变幅为3～4 m。根据场地抽水试验结果，承压含水层渗透系数为18 m/d，影响半径230 m。

3.5 基坑特点分析

1）本基坑工程，支护周长725m，开挖面积约24600 m2，基坑面积较大。

2）地下室基坑开挖深度为8.7～9.7 m，基坑开挖深度较大。

3）本场区基坑开挖深度范围内地层为：（1）松散杂填土；（2-1）粉质黏土；（2-1-1）可塑粉质黏土；坑底大部分进入（2-1）粉质黏土夹粉砂，局部进入（2-2）粉砂夹粉土。坑底下为（3-1）层粉细砂及（3-2）层粉细砂，渗透系数为18 m/d，含水层厚度超40 m，水量大，与长江有密切的水力联系。上部土层较软，压缩模量低，大规模降水易产生地面沉降。

4）基坑周边环境复杂，地下管网密布，应控制好地面沉降以免对周边管线造成影响。

3.6 降排水方案选择

3.6.1 上层滞水的治理

上层滞水可采用在基坑开挖顶边线和底边线周围设置排水沟、集水井的方式处理[5]。

1）为防止坡顶土体被地表水渗透软化，坡顶外应设置不小于2.0 m 的反坡。

2）在基坑边坡坡面渗水处设置泄水孔以利排水，按横、竖向间距2.0 m×2.0 m 梅花形布置，根据开挖后实际情况布置。材料采用长为0.5 m 的Φ50PVC 管，管底部用过滤网包裹，入土部分不少于0.35 m，泄水管下倾15°。

3）在距基坑开挖顶边线外侧2 m 处设置截排水沟，坡顶每隔30 m 设置集水井，集水经沉淀后排入市政排水系统。

4）在基坑开挖过程中，应在坑内边坡坡脚0.5 m以外设置排水沟、集水坑，对坑内积水进行抽排，保证坡脚不得有积水。沟底至少比挖土面低0.3～0.4 m，集水坑比排水沟底低0.5 m[6]。

5）基坑开挖后，坡顶、坡面、坡脚均应及时进行混凝土封闭，坡顶和坡脚积水应及时抽排，严禁积水，避免土层泡水被软化或崩解。

6）基坑开挖期间，基坑内可采用沿基坑坡脚设明（盲）沟和集水坑，积水及时用潜水泵明排至坑外。

3.6.2 孔隙承压水的治理

根据基坑开挖深度、场地渗透系数大、水量丰富及周边市政管网排水较多排水能力强等特点，对粉细砂砾卵石层中孔隙水，主要采用中深管井降水。根据本基坑工程的基坑深度、集水井和电梯井的布置，经估算，并结合天汉降水软件计算结果，考虑到丰水期水量较大和土方开挖可能在施工阶段损坏降水井，本工程共设置46 口降水井（包括6 口观测井兼备用井），降水井材料采用钢管，坑内降水井井径为550 mm，钢管钢材采取Q235B，壁厚不小于3 mm。基坑外布置15 口回灌井兼观测井。为减少基坑降水对周边环境的影响，支护桩外侧采用水泥土三轴搅拌桩处理，深度完全封隔（2-2）粉砂夹粉土交互层。具体设计参数如下：

1）降水井深度35.0 m（从自然地面起算），过滤管设置于粉细砂层中，深度15.0 m，长度18.0 m，沉淀管长2.0 m。

2）降水井成孔直径550 mm，滤水井管直径250 mm，滤料规格为1～3 cm 连续级配石英砂，孔口0.8 m 井壁投黏土球捣实。

3）滤水段开孔12～18 mm，开孔率不小于30%，沿井管焊Φ10 mm，竖向间距100 mm 的钢筋，外包2 层60～80 目滤网。

4）降水井配备60 m3/h 的深水潜水泵，基坑井点群应有2 台备用泵。

5）设置于基坑内的降水井，应避开承台和基础梁的位置，穿越基础底板处基础施工时应设止水环。

6）降水井按信息法运行，降水期间应对设备、排水管及供电系统周密布置，确保降水不间断进行。

7）必须先将地下水位降至开挖面下0.5 m 方可进行土方开挖，开挖过程中应持续降水维持水头标高在开挖面下不小于0.5 m。

8）开挖原则为先挖深坑再挖浅坑。

9）针对基坑降水，建议适当加大监测范围，重点加强周边道路管线的监测。

10）当地下室后浇带施工完毕且基坑肥槽回填后，方可结束降水工程维持阶段，并按有关规定对井孔进行回填，将抽水井割除到地下室底板以下，对抽水井进行封堵和防渗处理，避免地下室底板产生渗漏。

经降水验算，地面沉降预测值为12～30 mm，差异沉降和倾斜均较小，基坑降水引起的地面沉降和倾斜在可控范围内。最终监测结果地面沉降也在30 mm 以内，基坑降水未对周边环境造成影响[7]。

4 结束语

不同的基坑降排水方法有其适用的条件及优缺点，降排水方式应根据场地条件、周边环境及排水条件、场地工程地质条件和水文地质条件合理选择。降水实施过程中加强信息监测与管理，采用信息化施工，保证基坑工程和周围建筑物（结构）的使用安全。