施工区域深基坑降水智能控制系统设计

施工区域深基坑降水智能控制系统设计

马清洁 ,杨守成 ,刘晨 ,陈成鹏

山东汇通建设集团有限公司 山东济南 250100

摘要：在社会进步的前提下，我国各城市的建设项目随之增多，地面空间的有限性使建筑行业不得不探究地下空间。为了满足高层建筑和地下空间的建设需求，基坑工程不仅需要更大的面积，而且对深度有着更高的要求，给施工尤其是基坑降水带来难度。本文结合某工程施工现场实际，设计一种智能降水控制系统，简化施工过程的管理。

关键词：施工区域；深基坑降水；减压降水控制；智能控制

引言

地下水分布是基坑工程的重要问题之一，而基地下水分布故的发生往往与基坑降水息息相关。在保证正常运行的前提下，这对基坑降水提出了很大的要求。对承压水基坑，当基坑开挖深度过深或承压水头过高，基坑的抗突涌稳定性得不到满足时，则需采用重力平衡法验算抗突涌稳定性。为保证基坑安全，须进行基坑风险控制，包括坑内突涌和坑外沉降。在基坑降水设计及施工时，采用基坑抗突涌稳定性验算对坑内突涌进行预测，考虑降水引起的地面沉降对坑外沉降进行预测与控制。

1工程地质及水文地质条件

某工程根据地下水分布特征，可分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙水赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性地层中，水量丰富，富水性好，砂土层、花岗岩全风化层透水性强。砂土层中地下水大部具有承压性。主要受大气降水竖向入渗补给，同时与地表水体互为补给。地下水受潮汐影响较大，勘测期水位埋深0.60～7.10m，基岩裂隙水主要靠上层的孔隙水沿基岩裂隙下渗补给，水量贫乏。

2基坑降水设计

2.1基坑底板抗突涌稳定性验算

基坑在逐层开挖后，由于承压含水层上覆土层厚度变薄，其上覆隔水层淤泥质粉质粘土层的压力降低。当上覆土的压力不大于承压含水层的顶托力时，承压水将可能使基坑底面隆起，严重时可使基坑底部土体被顶裂产生渗水通道，从而发生基坑突涌，基坑抗承压水突涌稳定性验算原理如图1所示。

图1 基坑降水智能控制系统设计原理

通常采用式（1）判别基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌（以下简称“抗突涌”）稳定（安全）的状态。

式中：Ps为承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力（kPa）；Pw为初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力（kPa）；hi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度（m）；γsi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度（kN/m3）；H为高于承压含水层顶面的承压水头高度（m）；γw为水的重度（kN/m3）；FS为安全系数。根据详细勘察报告，承压水层顶最浅处绝对标高–40.590m，相当于相对标高–47.74m，基坑最深处相对标高为–19.850m。勘察报告未提供承压水位，承压水位保守考虑取绝对标高4.650m，相对标高–2.500m（潜水位）。

2.2智能化减压降水深井设计

智能化减压井设计中，将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。本次减压降水三维渗流模型建立假设条件：承压含水层的初始水头埋深1.5m；减压降水深井运行时，考虑围护结构隔水效果及群井效应因素，随着降水井运行时间加长，单井涌水量平均0.5~2m3/h。

通过开挖底板抗突涌稳定性验算，基坑内布置17口减压井，井深度为29~35m。减压降水时间按照90d计算，通过数值模拟计算，水位降幅最大27.5m（挖穿区域）。

2.3地下水治理分析及措施

（1）本工程基坑面积大，开挖范围以（1）层淤泥质粉质粘土为主，具有含水量高、强度低、渗透性差的特点，基坑开挖时极易产生流变、蠕变现象。若不采取措施降低土层含水量，将造成开挖面软弱，开挖面积积水等不良现象，影响后续施工。采用真空疏干对潜水处理，并尽可能增加预抽水时间，将水位降至坑底下1m。（2）基坑止水帷幕理论上将潜水、承压水层均隔断，采用混合疏干降水，疏干井深度在底板面以下5~6m，井深度不超过地下连续墙。（3）开挖中密切注意坑外水位变化，防止由于隔水帷幕缺陷等问题，导致坑外水位有较大变化，从而引发坑外地面和管线产生沉降，在布置坑外观测井观测水位变化，通过坑外水位变化及时分析并采取相应的措施。（4）基坑开挖前进行生产性抽水试验，根据抽水试验报告，指导后期的降水运行，细化每个阶段降水运行情况，严格按照“按需降水、分层降水、分段降水”的原则，有效减小减压降水对周边环境的影响。

3基坑降水运行

本项目坑内布置116口疏干井，井深25~28m不等，根据地质条件，本次采用水泵与超级压吸联合抽水的方式进行，见图2。每4口井组合成一套超级压吸联合抽水系统，潜水泵穿插着安装。疏干井在开挖前20d开启运行，基本保持24h连续抽水，根据观测井水位情况，进行动态调整。超级压吸联合抽水系统一种集送气系统真空抽水系统为一体的不间断式抽水方式，预抽水期间真空管路的真空度大于-0.06MPa。

图2 智能化降水系统示意图

根据开挖深度及进度，控制各区域降水深度及水位，做好流量计量和水位变化分析。基坑开挖期间，坑内疏干井水位控制在基坑开挖面以下1m，不受开挖及交叉作业的疏干井，保证24h连续运行，通过开挖区域的观测井水位指导抽水井开启数量以及抽水量。大里程段基坑降水自2021年7月26日至2022年11月30日结束，总历时455d（中间间歇120d），累计流量约5450m3，小里程段基坑自2022年2月28日至10月30日结束，总历时243d，累计流量约4980m3。

4结束语

在淤泥质土、粉质黏土地层，利用文中研发的基坑降水超级压吸联合抽水控制系统也可满足疏干需求，将水位控制在开挖面以下1m。在合理设计与精细化管理下，超级压吸联合抽水系统与传统水泵相结合的抽水方式，深大基坑开挖过程中，减压降水必须按照“按需降水、分区域降水、分层降水”的原则进行，既要满足基坑开挖中的安全水位，又要考虑基坑降水对周边环境的保护。

参考文献

[1]姚天强．基坑降水手册[M]．北京：中国建筑工业出版社，2006.

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

[3]韩传梅，陈喜，武永霞．深基坑降水工程试验及降水方案设计[J]．地下水，2017（6）：40-42.