天津地区深基坑工程降水作业对周边环境影响分析

天津地区深基坑工程降水作业对周边环境影响分析

陈默

中天建设集团有限公司 天津 300110

[摘要]：本文介绍了天津熙汇广场工程（二期）深基坑工程的降水作业对周边建筑环境的影响，基于现场水位、周边建筑物、构筑物等监测数据，对深基坑施工过程中基坑内外水位变化和周边建筑沉降作了深入分析，证明了深基坑过分降水严重影响基坑及周边建筑物的安全。采用封堵、疏导、回灌等措施能够有效控制基坑外部土体因失水固结造成沉降，从而有效地保护基坑整体安全及坑边建筑物的稳定。

[关键词]：软土地区；深基坑；降水；沉降监测；基坑稳定

1 工程概况

1.1 工程降水概况

熙汇广场工程（二期）位于天津市南开区密云路与黄河道交口西南侧，本工程为一栋32层办公楼+商业裙房建筑，占地面积11643㎡，建筑面积88200㎡。其中地下三层，基坑深度11.5m，局部坑深15.45-17.55m，整体基坑平面为不规则矩形，止水帷幕采用三轴搅拌桩+高压旋喷桩形式，其中三轴搅拌桩规格为φ850@1200，桩长18m，高压旋喷桩规格为φ600@400，桩长8m、18m。坑内布置43口降水井，管径800mm，其中普通井34口，井深17m，深井9口，井深21m，坑外观察井6口，井深14m。

图1 基坑支护及降水井位平面图

1.2 周围环境情况

基坑北侧挖至商业一期地下外墙，南侧距支护桩边缘2m左右为10m宽的内部道路，道路以南紧邻五金城商圈，西侧约50m为熙悦华府公寓，东侧为快速路段，其中东侧地下多为市政管线但距基坑距离较远均在60m以外，其余三侧与二期项目为整体规划关系，仅在基坑周围存在少量管线。

1.3 工程水文条件

工程场地地处华北平原，初见水位埋深2m，静止水位埋深1~1.7m，表层地下水属于潜水类型，地下各土层含水量较丰富且水位较浅，各层土体渗透系数较小。

表1 浅层地基土渗透性表

2 建模分析基坑降水对周边环境影响

2.1 基坑降水作业模型假设

根据工程实际情况，考虑止水帷幕施工质量受多种因素影响，将假设条件设定为基坑远离边界，考虑基坑周边地下水受基坑内部降水影响，考虑基坑周边土层沉降以及建筑物基础沉降进行建模计算。利用干扰井群稳定流公式计算基坑内部任一点的水位下降值，利用分层总和法计算任一点的沉降^[1]。

①地表沉降的计算：

；

式中：s为降水引起地面沉降； 为沉降计算经验系数； 为水位下降引起各地层有效应力增量；

为各地层厚度； 为各地层压缩模量。

基坑外土中各点降水引起的附加有效应力宜按地下水稳定渗流分析方法计算；当符合非稳定渗流条件时，可按地下水非稳定渗流计算。附加有效应力：

第i层土层位于初始地下水位时： =0；第i土层位于降水后水位与初始地下水位之间时： = ；第i土层位于降水后水位以下时： = ；

式中：z为第i层土中点至初始地下水位的垂直距离； 为水重度； 为计算系数； 为计算剖面对应的地下水位降深。

②任意点水位下降s₀计算

式中：s₀基坑地下水位降深；H潜水含水层厚度；q降水井单井流量；k渗透系数；R影响半径；L降水井间距；s_w水位设计降深；r_w降水井半径；j为第j口降水井。

按上述模型及地勘参数利用理正岩土软件对基坑降水沉降进行分析。

图3 降水影响计算假设模型

2.2 降水模型计算结果

沉降计算按照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011，考虑应力随深度衰减，且考虑相互影响半径。沉降计算影响半径为20.000m。沉降计算经验系数为1.000。

①基坑涌水量计算:

降水影响半径R=19.558(m)

基坑等效半径r₀=49.436(m)

基坑涌水量=91.293(m³/d)

②各点降深与地表沉降计算：

降深考虑井数(43)、井位、各井抽水量：

在指定范围内：最小降深=0.0(m)；最大降深=17.0(m)；最小沉降=0.0(cm)；最大沉降=30.6(cm)。

③北侧建筑各角点降深与沉降经计算：

建筑物各角点：最小降深=0.000(m)最大降深=17.000(m)

建筑物各角点：最小沉降=0.0(cm)最大沉降=2.1(cm)

建筑各角点之间最大倾斜率=0.513‰

④观察剖面上各点沉降计算：

观察剖面上地表：最小沉降=0.0(cm)；最大沉降=30.6(cm)。

观察剖面上建筑物埋深平面：最小沉降=-0.2(cm)；最大沉降=13.4(cm)。

基坑内部及周边环境的地下水位下降值、地表及周边各点沉降情况，如下图。

图4 基坑各点地下水位下降情况

（红色：不变；蓝色：下降最深m）

图5 基坑及周边各点沉降情况

（红色：不变；蓝色：沉降最大cm）

由计算模型可以看出，当深基坑内部不间断抽水时，过分降水会引起基坑周边较大的地表沉降和建筑物角点沉降，对基坑整体稳定极为不利。基坑内外水头差变化较大位置为基坑边界的端点或中点处。在深基坑过分降水的过程中，基坑内外水头高差较大，水压差可能产生坑外地下水涌向坑内的趋势，随着坑内土方挖除，基坑底部土体卸荷，若土体压力无法抵抗地下跃流水头压力时会出现坑底中心土体隆起，造成基坑坍塌。

3 实际降水作业对周边环境影响

3.1 降水监测情况

项目部从2018年雨季末期开始基坑降水工作，监测单位从9月27日开始对基坑外水位进行监测。在降水初期各观察井水位均有不同程度下降，长期不间断的抽水造成基坑边界中部及基坑角点位置水位下降严重。随着逐步进入枯水期，且基坑土方开挖作业与降水作业的持续进行，基坑外侧地下水位下降情况逐步趋于稳定，水位波动幅度逐步减小^[2]。

图8 基坑周边地下水位变化监测分析

在监测数据显示下降幅度较大的2号观察井附近区域，基坑向下开挖的过程中找到了相应的渗漏点位，对渗漏点及时采取引流、封堵措施，控制其周围降水井的抽排降水作业。

3.2 深基坑降水对周边环境产生影响

随着基坑土方开挖深度的加大，止水帷幕出现渗漏情况会越来越严重，主要是因为在施工过程中由于基坑内部降水过快降水深度超过控制标高，基坑止水帷幕外侧水位与坑内水位高差悬殊，水头压力较大导致部分薄弱处出现支护桩间渗漏的情况，此时渗漏部位会出现止水帷幕外侧地下水位骤降的情况，再加上基坑周边存在堆载，使得基坑围护桩深层水平位移向预警值发展趋势，基坑外地表沉降趋近预警值，基坑支撑结构内部应力不断加大，外侧地表沉降累计变形值加大。为保证基坑安全，防止局部失稳，应改变一次性降水至基底标高的工况，对整个基坑按作业区域，分区分层间断式汇流抽水，并对漏水点处进行快速的封堵，防止突涌水流变大并防止地下水将基坑外侧泥土带进坑内。对封堵后还出现渗水严重的突涌点必须进行及时抽水回灌^[3]，并对其基坑外侧周边进行及时卸载。封堵时应优先考虑采用注入水泥、水玻璃双液浆的施工方法对基坑壁封堵加固。

4 基坑止水帷幕渗漏封堵措施

4.1 根据不同渗漏情况确定封堵方案

基坑在降水作业过程中如发现基坑支护出现渗漏水情况时，应立即停止该区域的地下水抽排工作，减少继续降水带来的水压差，防止渗漏点位发生突涌，并及时寻找基坑护臂的渗漏位置，采取有效措施进行及时疏导、封堵、回灌，防止基坑支护结构发生失稳、坍塌、沉降变形

^[4]。

第一种情况：围护墙轻微漏水。先在局部渗漏位置喷锚封闭，再采用插管引流的方法止水。

第二种情况：一般的渗漏水。渗漏水成线状或流淌时，采用在基坑竖向支护上锚挂钢筋网片并喷射C20细石混凝土进行锚固封堵。

第三种情况：严重的深层漏水。除喷射细石混凝土外，整个渗漏范围采用1:5的水玻璃、水泥双液浆进行压密注浆。

4.2 防止坑外土体失水固结措施

根据国内软土地区的基坑工程施工经验，采用水泥搅拌土桩挡墙的支护结构在施工过程中地基土层中的潜水、承压水的流动会稀释或冲走水泥浆造成桩体质量较差，搅拌桩可能出现吊脚或桩身断裂的情况，加之支护桩强度未达到要求、帷幕两侧水压差等，都会影响止水帷幕成品质量。

采用回灌坑外地下水的方式，通过水力联通使控制井水位回升至初始水位后，动态的回灌补充坑外土体地下水，从而保证了土体不会因失水发生固结沉降，确保基坑施工过程的安全稳定。

5 结语

对于天津软土地区深基坑降水工程应采取分区、分层降水作为最佳降水措施，在基坑围护结构施工时应重点做好该区域的质量管控，并在降水过程中实时观察排水量与排水性状，减少基坑护臂中点和边角点渗漏隐患。及时采取降水回灌技术使基坑外土体不发生固结沉降，坑外地下水位维持稳定状态，确保止水帷幕发挥作用。在回灌失效的情况下及时采取注浆封堵技术措施，有效地减缓基坑周边地表及建筑物沉降与水平位移，具有可操作性强，经济合理的特点。

参考文献：

1. 于怀吕,刘汉东,丁仁伟. 深基坑降水过程中周围建筑物沉降的系统预测[J]. 岩土力学与工程学报,2004,23(22):3905-3909.

2. 刘嘉玮. 基坑降水沉降监测及实施[J]. 水科学与工程技术,2016(3):94-96

3. 艾杰,陈浩,牟岚,李慧. 超大面积深基坑降水及土方开挖技术[J]. 施工技术,2013,42(22):102-105

4. 张柳. 止水帷幕在深基坑支护及降水中的作用效果研究[D]. 山东：山东大学,2015