深基坑粉质黏土隔水层降水施工

贺利锋

（西安市地下铁道有限责任公司陕西 西安 710016）

深基坑粉质黏土隔水层降水施工

贺利锋

（西安市地下铁道有限责任公司陕西 西安 710016）

以西安地铁四号线出入场线盾构始发井端深基坑为例，简要介绍了基坑支护、降水设计及基坑开挖过程中降水运行过程。基坑底部存在粉质黏土隔水层，降水运行过程中仅用坑外管井降水无法将隔水层上层滞水排出，采用增加坑内疏干井、基底排水沟及坑壁插板，土工布、沙袋阻挡流砂等疏堵结合处治措施，解决了基坑降水难题。通过本案例，对基底含有隔水层特殊地质情况的降水工程设计及施工积累了宝贵经验。

降水工程；粉质黏土隔水层；层间滞水；止水

1 引言

随着城市、地铁建设的大规模发展，如何快速、有效控制地下水成为深基坑工程中首要环节。针对复杂的地质水文条件和城市环境，采取合理有效的降水方案及止水方法，才能保证基坑工程安全开挖、主体结构干燥施工、围护结构稳定及周边环境安全。本基坑工程因基底下存在粉质黏土相对隔水层，采用常规的坑外深井降水施工无法将隔水层上层滞水疏干，本文结合工程实例，施工过程中不断试验优化和探讨总结此特殊地质情况下的降水设计及止水方法，以供类似工程参考。

2 工程概况

2.1 工程简介及特点

西安地铁四号线出入场线盾构始发井端明挖区间位于西安市明光路道路西侧，基坑长约467.6m，宽21.2m，最大深度14.5m（图1）。基坑支护结构采用A1000@1300（盾构始发井）/A800@1100（结构标准段）钻孔灌注桩，加三道钢管内支撑。主体为矩形框架结构，采用明挖法施工。

图1 结构平面布置图

工程特点为基坑工程规模大，环境条件要求高。开挖面积9900m2，挖土方量约10万m3；基坑位于明光路道路西侧，双向四车道，拟建场地内地下管线复杂，主要有沿尚稷路东西方向的DN3000雨水管、DN1000污水管、DN400热力管、DN400给水管等，沿明光路南北方向的DN200燃气管、DN300污水管等；本基坑桩+内支撑支护结构安全等级为一级，监测等级为一级，基坑周围地表沉降最大限值为22mm，桩顶水平、竖向位移为29mm、22mm，对基坑围护结构安全度和变形要求极高。

2.2 工程地质概况

场地地貌单元属渭河高漫滩。根据工程地质调查及钻探揭露，拟建场地地层自上而下地层岩性为：

1-1人工杂填土层：地表起伏变化较大，厚度不均，成分以工程弃土、建筑垃圾等，结构松散，厚度约1.1m。

2-4-1粉细砂层：位于水位以上，稍湿，稍密，砂质均匀，厚度约2.1m。

2-5-1中砂层：位于水位以上，稍湿，中密，分布稳定、连续，厚度约2.85m。

2-5-2中砂层：位于水位以下，饱和，土质较均匀，分不稳定、连续，厚度约7.4m。

2-2-2粉质黏土层：位于水位以下，饱和，可塑，土质较均匀，分布不连续，厚度约2.2m。

2.3 水文地质概况

地面高程为370.5～371.6m，地下水位高程362.54～364.14m，埋深约为现状场平地面下8m左右。渭河漫滩区地下水位年内变幅为0.62～2.3m，平均变幅为1.35m。地下水主要赋存于砂类土中，属孔隙性潜水，含水层厚度＞50m，无明显承压性，地下水补给主要来自大气降水、侧向径流及农田灌溉等，以及渭河季节性补给。

3 降水方案设计

3.1 方案设计

针对基坑开挖范围内土层上部为1-1杂填土层、2-4粉细砂层，下部为2-5-2中砂层，场地内地下水属孔隙性潜水，结合地铁施工及周边地区的降水经验，该出入场线停车场端降水计算时采用的综合渗透系数取25m/d，降水设计采用坑外管井降水+观测井（见图2）的综合措施进行，设计采用完整井抽取砂层中潜水，使地下水位降至基底下1m。

图2 坑外管井降水示意图

3.2 降水计算

本基坑需要降水范围长274mm，宽18m，为不规则条状基坑，降水基本参数如表1。

表1 出入场线明挖段降水范围基坑基本参数

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）潜水完整井，基坑远离边界时，涌水量按公式E.0.1计算需要降水井的数量=27。

3.3 管井位置布置

根据本区间的地质情况，周边水文地质情况及地下水位埋深，结合水位降深要求，布置井径A800mm降水井27口，降水井深度25～30m，平均井间距约15～30m；设置观测井6口，结构同降水井，深度25～30m；水井中心距结构外边缘不小于3.0m。具体布井详见布井详图3。

图3 出入场线停车场端明挖段降水井井位平面布置图

4 降水方案运行与降水效果

4.1 降水施工方法及防涌砂措施

4.1.1 降水施工方法

依据本工程特点及西安地区富水砂层降水工程施工经验，采用清水反循环钻进成井，大口径井管降水施工方案，降水效果好且工程成本低，为比较经济可行的方案。

清水反循环钻孔成井结束后，下入井径A800mm井管、填料，用排污泵及时洗井，洗井结束后含砂量不得大于1/万，采用功率为3.5kW QJ30-35潜水泵抽取地下水，并将抽出的地下水排放至基坑上附近市政雨、污水管网中排出。

4.1.2 防涌砂措施

本基坑开挖范围内为粉细砂及中砂，若发生涌砂，产生的次生灾害将极为严重，可能会引起大规模地面沉降、塌陷等。为保证基坑稳定及周边环境环境安全，研究采取了以下防涌砂措施：

（1）采取合适的成井工艺。采取无泥浆清水反循环钻进成井工艺、滤料厚度10cm、滤料采用磨圆度好的粒径3～5mm天然圆砾；

（2）加强包封处理。滤水管外采用2层60目的纱网进行包封，铁丝绑扎固定防止脱落，管间接头0.2m范围采用土工布包扎；

（3）加强封井措施。成井后井底填入1m厚磨圆度好的3～5mm砾石封底（如图4）。

4.2 基坑开挖及降水运行

为减少降水对周围环境的影响，保证地下管线及邻近建构筑物的位移、变形可控，根据基坑分段、分层开挖工况，实施按需降水。

基坑开挖提前15d进行降水，并对围护结构位移、周边环境沉降、变形及抽水含砂率进行监测。1～3层土方开挖，均能保证干燥作业；当开挖至第4层基底土时，地下水位降至距基底标高上1.5m无法继续下降，桩间开始出现渗水现象，基坑内滞水无法排出。

初步认定原因为降水井单井出水量不够，采取了集水坑明排及更换大功率泵措施。

在基坑东西两侧开挖两个2×2×1m（深）集水坑，用功率两台3.5kW水泵抽排。由于基底砂层松散，集水坑附近砂砾随水流被大量带入坑内，多次造成堵泵，抽水中断。

增大单井出水量，启用4口观测井进行降水，并将盾构始发井段全部更换为7.5kW大功率泵。当测量降水井内动水位降至基底下4～5m时，基坑内水位下降仅约0.2m，持续4d降水，坑内水位仍无明显下降迹象。

图4 降水井构造图

5 原因分析

按原设计降水方案，基坑内基底上仍有1.5m深潜水无法排出，即“软槽底”现象，不能满足基坑开挖及主体结构施工要求。盾构始发节点工期迫在眉睫，为有效解决水患，邀请专家召开降水专题会议，从地质原因、降水设计和非完整性降落漏斗进行了分析。

5.1 地质原因分析

仔细核对地质详勘报告，盾构始发井开挖范围内土层上部为2-4粉细砂和2-5中砂，开挖基底下1～2m存在厚度约2～2.5m粉质黏土相对隔水层，其成因为原始渭河河漫滩冲积层。其各项特性参数如表2所示。

表2 土层特性一览表

从表2中看出基底粉质黏土层渗透系数为0.5m/d，此相对隔水层阻碍了基坑内潜水垂直渗流，坑外上层滞水通过桩间间隙水平渗流补给到基坑内，形成“软槽底”现象。基底下存粉质黏土相对隔水层这一特殊地质情况，是造成坑内水位无法下降的主要原因。

5.2 降水设计分析

降水模型的选择应为潜水非完整井降水。原降水设计根据区间开挖深度范围内为富水砂层，涌水量计算采用模型为潜水完整井。设计降水井需穿过基底2～2.5m厚相对隔水层，其渗透系数为0.5m/d，远小于富水砂层，其降水影响半径也远小于富水层。粉质黏土相对隔水层几乎无水平及垂直渗流，在滤管附近为三维空间流，考虑含水层各向异性，采用潜水非完整井公式，非稳定流理论进行计算，并进行抽水试验获取水文地质参数。

5.3 非完整性降落漏斗分析

在均匀粉细砂、中砂富水砂层中，水流连续想通，呈二维流态，为无界基坑平面渗流，基坑内1～3土方开挖降水过程中，不受基底下隔水层影响，降水井为完整井，形成完整降落漏斗，坑内上层潜水通过桩间间隙绕流进入坑外降水井内，因此取得较好降水效果。

基底第4层土方降水，由于基底下2～3m处粉质黏土相对隔水层对垂直渗流的阻滞作用，滤管附近为三维空间流，造成原降水设计约1/3井损，同时改变地下水降落漏斗的曲线形式，形成非完整降落漏斗，因而降水运行过程中会出现井内动水位与基坑地面静水位相差较大的现象（见图5）。

6 应对措施及实施效果

6.1 疏、止、排结合措施

坑外降水井内动水位均已降至隔水层以下，基坑开挖范围内基底上存在1.2m深上层滞水层，为确保对上层滞水层中砂层的疏干效果，采取了增加坑内疏干井、坑壁插板喷混凝土止水坑底盲沟排水等疏、止、排措施（图6）。

图5 相对隔水层影响下非完整井抽水

图6 疏干井及基底排水沟平面图

（1）坑内疏干井疏干坑内上层滞水。在基坑内增加2口直径800mm，深12m疏干井，其构造同降水井。基坑内采用冲击钻锅锥打井过程中井深打至3～6m时，成井进尺异常缓慢，并且桩泥中含有大块黄褐色黏土快，与地质勘查报告所揭示地层一致。

（2）坑壁插板喷混凝土止水。基底地层为粉细砂及中砂，桩间渗流层涌水量大，防止桩间涌砂是保证基坑安全的重、难点。基坑开挖中部拉槽，坑壁两侧堆土反压；桩间空隙用沙袋堵实，背后埋设包网引水管，并垂直基底打入C20钢筋固定；坑壁两侧土体分约30～40cm两层插入18mm厚胶合板，边开挖边挂网喷锚，钢筋网片背后绑扎土工布，网片同桩体挂网钢筋焊接，胶合板壁后埋设直径A50mm包网引水管。

（3）基底设置排水沟。在基底坑壁四周，及基坑中央设置100mm×100mm纵横排水沟，将坑壁引水管引出水流，及坑底渗水集中汇入坑内疏干井中排出。

图7 坑壁止水剖面图

6.2 实施效果

基坑内增设疏干井，有效的疏干了基坑内粉质黏土相对隔水层上砂层中滞水，为基底无水开挖创造了条件（见图8）。

基坑侧壁约1m高渗流层通过桩间插板、填码砂袋、土工布挂网喷射混凝土封闭坑壁，及壁后埋设引水管等排水、止水结合措施，解决了桩间渗水量大的难题，并有效防止了涌砂。

坑壁四周及基坑底设置排水盲沟，用以将桩间引水管排出水流、喷射混凝土接缝、基底未封闭处等局部渗水，引入疏干井内集中排出。盲沟布置为纵横向贯通、环形排水，有效防止了其中一条沟道堵塞后，水流仍可从另一方向排出。

基底顶浇筑150mmC15混凝土垫层，后续防水卷材铺设、主体结构钢筋绑扎完全实现了干燥作业。6.3降水对环境的影响

图8 疏干井及坑壁止水剖面图

围护结构变形、地表沉降、周边建筑物及管线沉降位移、地下水位和抽水含砂量是本工程监测重点。在基坑降水前完成各监测点布置，并采取初始值。基坑降水运行过程中，各项监测频率均为1次/d，桩顶水平、竖向位移累计最大值分别为14mm、8mm，基坑周边26m范围内地表沉降累计最大值为15mm，抽水含沙量未超过1/20000，管线窖井沉降累计最大值为DN400给水管8mm，所有管线均未发生不均匀沉降。

7 结语

本基坑降水工程因基底下存在粉质黏土相对隔水层，采用坑外深井降水无法将坑内隔水层上层滞水排出，桩间坑壁渗流层涌水量大，在施工过程中不断试验及探讨，采取增设坑内疏干井，坑壁插板喷锚止水及坑底排水盲沟，“疏、止、排”综合处理方案，及时解决了降水难题。通过此深基坑降水、开挖过程中实践，有效的疏干了坑内滞水，防止了坑壁渗流层涌水、涌砂，并保证了基坑围护结构稳定安全，将降水对周边环境影响降低到最小，证明此基坑降水施工及运行是成功的，为类似类似降水工程设计及施工积累了宝贵经验。

[1]龚晓南，郭红仙.基坑工程实例2.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]吴林高.工程降水设计施工与基坑渗流理论.北京：人民交通出版社，2003，6.

[3]姚天强，石振华.《基坑降水手册》.北京：中国建筑工业出版社，2006.

[4]吴林高.基坑工程降水案例.北京：人民交通出版社，2009，2.

TU753.8

A

1004-7344（2016）16-0115-03

2016-5-25

贺利锋（1972-），女，工程师，本科，主要从事地铁工程建设及施工管理工作。