悬挂式止水帷幕基坑降水控制措施研究

肖龙 回海磊 田文武 刘良晨 刘亚文 郭丰东

中国建筑第八工程局有限公司华北公司 天津 300402

摘要：在我国快速发展过程中，经济在快速发展，社会在不断进步，为了优化深基坑降水控制技术，以天津某地铁换乘站基坑降水为背景，利用有限差分软件VisualModflow，对基坑开挖降水引起的基坑内外地下水水位变化进行数值模拟计算，模拟计算结果与监测数据基本吻合。同时，在此模拟计算基础上对止水帷幕插入深度、降水井的抽水速率、滤水管插入承压含水层深度及降水时间等几种控制措施在降水控制中所发挥的作用进行深入研究。结果表明，降水过程中止水帷幕深度插入比宜达到1∶0．9～1∶1之间，滤水管插入承压含水层深度宜控制在0．5～0．7倍含水层厚度区间范围内，降水井抽水速率的大小需根据以上两种措施确定后再进行优化。此研究结果不但能有效减少基坑降水对周围环境的影响，还能保护地下水资源，节约工程造价。

关键词：悬挂式止水帷幕;承压含水层;水位降深;抽水速率;滤水管深度

引言

伴随全球经济的发展和城市化进程的加快，对城市用地规模和空间容量提出了更高的要求。城市建设呈现“上天、入地”的趋势，即高层建筑的竞和地下空间的深层次开发。地下空间是潜力巨大的城市后备空间资源，有序合理的开发利用城市地下空间，是科学有效的拓展城市空间、维持和改善地面人居环境的有效途径。我国高层建筑、市政管线、道路桥梁、地铁等工程蓬勃发展，基坑开挖向大而深的方向发展。到2002年，我国已建成100m以上的高层建筑约320幢，且有几十幢超高层建筑正在规划设计或施工中。随着更多深大基坑的设计与施工，我国的深基坑技术正随着工程实践不断成熟起来。随基坑的深大化，地下水对基坑的影响日益增加，地下水对基坑的危害主要表现为流砂、管涌和基坑的突涌，而且主要发生在土壤颗粒细(尤其是粉质粘土、粉砂等土层)、饱和含水的地区。此外，地下水对坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应力的减小及相应的抗剪强度的降低等多方面的影响均不容忽视。

1水文地质概念模型

本次研究降水的目的层是中部的承压含水层，其上部为渗透性很低的黏土，下部为相对隔水的基岩，故计算模型中主要为承压含水层，并按照承压含水层中各层的岩性、渗透性等不同将其概化为三维空间上的4个水文地质层。地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律;含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律;考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流;地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题;地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。综上所述，模拟区可概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。为了克服由于边界的不确定性带来的计算误差，本着定水头边界应远离源和汇的原则，确定平面计算区域为1230m×1100m，四周按定水头边界处理。地下水减压疏干过程中，基坑外的地下水在止水帷幕的作用下基坑影响范围内地下水呈三维非稳定流动状态。基坑内的降水井是位移的源汇项。

2悬挂式止水帷幕基坑降水控制措施研究

2.1降水井过滤器、滤网选择

目前降水工程中主要用的降水井过滤器类型，常见有桥式过滤器、圆孔过滤器以及无砂混凝土管井。桥式过滤器钢管上凸出小桥，桥高1mm左右，孔隙率约为15%，优点是强度较高，抽水过程中，地下水由桥孔侧向进入井管，对于水压力大、长时间抽水的基坑工程是较好的选择。圆孔过滤器圆孔直径一般1cm～2cm，孔隙较大，远大于一般基坑工程面临的地层砂直径，此类过滤器需要在外侧包较厚较多层的滤网，以阻挡抽水过程中地层砂进入抽水井，但本工程基坑降水工程面临长时间、大幅度的抽降地下水，1cm～2cm大小的包网为降水过程的薄弱环节，滤网容易破坏，进而导致长时间抽水后，地层砂被抽吸进井管，一来破坏降水井正常功能，第二地层砂流失后，对周边环境沉降变形极为不利。无砂混凝土管适用于浅层无压地下水的处理，过水性良好，此类过滤器强度极低，在开挖过程中，容易被挖机等破坏，破坏率达30%以上。滤网的主要目的是挡砂过水，60目滤网的筛孔尺寸0．425mm;60目滤网筛孔尺寸为0．250mm;80目滤网筛孔尺寸为0．180mm。滤网需要与使用的过滤器相匹配，网太密，则挡水，网太稀，则造成抽水过程中地层砂涌入降水井，死井的同时造成不利的环境影响。根据土层性质、过滤器及滤网特性并结合我公司降水经验，本项目降水深井采用桥式过滤器、60目滤网。

2.2悬挂式帷幕设计

止水帷幕(外文名ChecktheWaterCurtain)指的是一个概念，是工程主体外围止水系列的总称。用于阻止或减少基坑侧壁及基坑底地下水流入基坑而采取的连续止水体。第二部分是止水帷幕部分，其作用是使挡土墙后的土体固结，阻断基坑内外的水层交流，形式可能是水泥土搅拌桩或者压密注浆。止水帷幕有其本身特有的作用:①止水帷幕作为基坑的截水工程，可以减缓或避免工程降水引起的不良环境效应，如降水引起的地面沉降。②在基坑开挖中可以减缓或避免地下水的渗透变形和渗透破坏，如流土、管涌、基坑突涌等。③止水帷幕可以作为一下工程或基础工程的一部分，如地下连续墙等。帷幕体的施工技术有:高压喷射注浆、深层搅拌、压力灌浆、射水成墙、咬合桩、地下连续墙、TＲD工法等。止水帷幕的类型有:水平止水帷幕、竖向止水帷幕和竖向水平组合止水帷幕。其中竖向止水帷幕又分为落底式竖向止水帷幕和悬挂式竖向止水帷幕。

2.3不同降水井抽水速率对基坑内水位变化产生的影响

在保证止水帷幕插入含水层深度不变的情况下(即－42．9m)，基坑内水位随着降水井抽水速率的增加不断增大，但曲线变化的斜率逐渐减小。当单井抽水速率控制在40～80m3/d区间时，基坑内水位变化趋势接近于直线方程，坑内水位下降明显，降水效果较为理想;当单井抽水速率大于110m3/d时，坑内水位变化趋于稳定，即在此帷幕深度工况下，当单井抽水速率超过110m3/d时，即使再增大抽水速率，基坑内水位变化也不是很明显，此时坑内外地下水渗流趋于平衡。因此，对于本工程来说，单井最佳抽水速率介于70～80m3/d之间。本工程最终降水设计和现场降水施工时大部分降水井单井抽水速率也为80m3/d左右，局部降水井由于打井效果差或者其他原因导致失效达不到此速率。实际工程中，降水井的抽水速率大小是受多方面因素影响的，例如地质条件、成井工艺、施工误差等。综合以上研究分析，在做地铁基坑降水方案设计时，抽水速率的大小主要需根据地铁基坑范围、止水帷幕深度、滤水管长度及实际工程现场抽水试验提供的数据进行综合考虑。

结语

(1)根据基坑止水帷幕不同深度对坑内外水位产生的影响与帷幕自身造价成本综合研究，得出止水帷幕深度插入比达到1∶0．9～1∶1之间情况下，不仅能保护周围环境、保护地下水资源，而且又能节约止水帷幕造价成本。(2)基坑降水井滤水管插入承压含水层深度不宜太小也不宜过大。深度太小，导致进水断面过小影响降水效果;深度太大，对基坑外地下水位影响较大，影响基坑周围环境。故深度宜控制在0．5～0．7倍含水层厚度区间范围内，并且至少控制在止水帷幕墙底以上2～3m左右。

参考文献

［1］王东，沈凡，赵玮．深搅止水帷幕在超大基坑开挖中的应用［J］．昆明大学学报，2002，13(2):64-65．

［2］冯晓腊，李栋广．落底式止水帷幕条件下基坑涌漏量计算［J］．水文地质工程地质，2013，40(5):16-21．