深基坑地下水控制方案的对比分析

辽宁省有色地质一〇五队有限责任公司 辽宁 葫芦岛 125000

1 引言

随着我国的经济高速发展,城镇化速度加快,城市人口密度增加,导致城市建设用地日趋紧张,因此,人们为了获得更大的生活空间,向地下和“天空”索求空间越来越成为一种趋势,而伴随着城市中一座座高层建筑以及超高层建筑的拔地而起以及轨道交通等地下设施的兴起,城市中的基坑数量和基坑开挖的深度也在与日俱增[1]。深基坑作为一项临时性工程,人们的重视程度往往不足,资料显示,2000年至2015年的深基坑事故案例中,其中土体整体失稳的最大诱因为设计不当、水及地质条件差,占比重分别为14.5%,土体变形大的最大诱因为设计不当、水及地质条件差,占比重分别为23.1%,坑底隆起的最大诱因为勘察失误和水及地质条件差,占比重分别为21.4%,坑内滑坡的最大诱因为降排水不利,占比重分别为50%[2],因此结合水文及地质条件,充分考虑周边环境,采取适当的深基坑地下水控制方案,是保证基坑使用功能和安全的关键之一。

2 深基坑地下水控制方式

深基坑地下水控制就是为保证支护结构、基坑开挖、地下结构的正常施工,防止地下水变化对基坑周边环境产生影响所采用的截水、降水、排水、回灌等措施[3]。按其控制方式分为截水控制方式、降水控制方式、明排控制方式等单独或组合使用。

2.1 截水控制方式 截水控制方式是采用连续搅拌桩、旋喷桩、混凝土连锁桩或地下连续墙等工艺形成止水帷幕,阻断或减少基坑内外的水力联系,达到基坑内无水作业的目的,截水帷幕分为落底式帷幕和悬挂式帷幕。落底式帷幕是环整个施工基坑的外围布设一道环形封闭的截水帷幕,与基坑底部隔水层形成一个封闭的、有帮有底的“桶状结构”,切断基坑内外的水力联系;悬挂式帷幕是指帷幕的底端未穿透含水层的截水帷幕。

1)截水控制方式的优点

①基坑开挖和使用过程中,使基坑外的地下水体免受到破坏,有利于周边建筑物和路面不均匀沉降的控制,可有效确保已有建(构)筑物的安全。

②截水帷幕形成后,对基坑周围的土体稳定性有增强作用,相对于排桩基坑支护不需要桩间锚喷处理,提高了施工进度。

③大幅减少基坑地下水疏干排放量,有利于保护区域的地下水资源。

2)截水控制方式的缺点

基坑外测的地下水位不变,增加了基坑支护结构体系抵抗主动土压力和水压力的强度,经济投入相对大。

2.2 降水水控制方式 降水控制方式是用降水井或渗水井的方式,降低基坑内外地下水的水力坡度,以达到防止地下水通过基坑内壁或坑底流入基坑。

1)降水控制方式的优点

①设备相对简单、排水量较大、易于维护、经济实用。

②地下水位降至基坑底部,基坑侧壁土体中的静水压力减小,减轻基坑支护体系抵抗压力,降低支护成本,支护结构也相对简单。

2)降水控制方式的缺点

①随着水土平衡的破坏和部分颗粒的流失,加速了土体固结,容易引起周围构筑物的不均匀沉降,严重者会影响构筑物的使用安全。

②为克服不均匀沉降,需要辅以回灌方式进行控制,需要场地较大,辅助设备较多,容易造成地下水污染。

③大量抽取地下水,会造成地下水资源的浪费,同时会给市政排水体系造成压力。

④施工用电量较大,基坑边缘降水管线密布,对整体施工布局不利。

2.3 明排控制方式 通过集水沟、集水井汇集地表水或基坑渗水,再排泄到外排系统,通常作为辅助方法配合截水控制方式或降水控制方式使用。

3 深基坑地下水控制方式选取原则

深基坑地下水控制方式的选取,是与基坑整体的安全性、经济性、适用性综合考虑的,比选的前提是可靠的地质资料和参数、详实的周边环境资料、交通条件等等。

3.1 安全性原则 深基坑安全性包括基坑支护体系安全性和周边环境安全性两个方面,因此选择地下水控制方案时,应综合这两个方面进行考虑,首先保证工程本身的安全性,确保地下结构施工空间干作业的需要和安全使用的需要;再则基坑周边构筑物和环境的安全,比如周边构筑物、管线等对沉降比较敏感或附近由地表水源需要保护等,则需要优先考虑截水控制。因截水控制方式基坑外侧的地下水位不变,需满足基坑安全性的支护体系相对增大,对设计者和施工者都提出了较高的要求。

3.2 经济性原则 截水控制方式原则上保持了基坑周边水土结构,在支护结构体系投入增大,比如支护桩和内撑截面增大、配筋率增加、混凝土级别提高等,又增加截水帷幕,投入较大;降水控制方式设备相对简单、排水量较大、易于维护、经济实用,但需考虑行政部门收取水资源费和污水排放费。作者在对某基坑桩锚支护+降水控制方式方案(第一种方案)和桩锚支护+截水控制方式方案(第二种方案)进行经济对比。从设计工作量和主要材料使用量上对比分析,第二种方案所需要的钢材、砼、锚索及水泥用量要高于第一种方案,但降水井和降水台班及施工用电量均少于第一种方案,若第一种方案考虑施工中需要长期备用一台大功率发电机组(设备停滞费)和抽排水行政缴费等,在控水周期8个月时,两种方案总体费用应该基本持平。若随着时间的地下水控制周期延长,则截水帷幕方案的优势将更加明显。

经济性对比是基于同等条件下不同方案全寿命周期进行的,总体讲降水控制方式前期投入优于截水控制方式,若地下水控制周期长过经济“平衡点”,两种方式的经济性优势则发生了转换。

3.3 社会效益方面 随着城市过程与发展,城市范围扩大,大规模硬化覆盖,这就造成不透水层增加,使下渗量和蒸发量减少,地表径流和径流总量增加,使得雨水流很快排入市政管网[4]。采用降水控制方式时,局部长时间大量抽取地下水,土体颗粒间的孔隙水排出,土体压缩变形,即产生沉降。现在主要结合回灌措施,来改变基坑外侧的水力坡度,达到减少地层变形量的目的。回灌水渗透是一个复杂的过程,与地层渗透性和给水压力有关,若地层渗透性差或者复杂,则回灌效果会很难实现。在自然降水补给面很小、人为补给不确定性较多的情况下,一旦打破局部水资源平衡,恢复周期会很漫长。因此截水控制方式更有利于保护区域的地下水资源。

4 结语

很多城市地下水采取量超过其补给量,引起区域地下水位持续下降,可引起地面下沉、地裂及地面塌陷、海水倒灌等严重环境地质问题,因此地下水的保护越来越引起重视。

通过对截水控制方式和降水控制方式优缺点和深基坑地下水控制方式选取原则的分析,建议如下:

1)加强地方行政方面的指导、规范,引导投资方提高地下水资源保护意识。

2)基坑设计者在考虑安全性、经济性的同时,也应注重社会效益方面。