深基坑工程承压水的控制设计与施工技术.pdf

甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2023 年（第 52 卷）第 3 期建筑设计doi:10.3969/j.issn.1672-6375.2023.03.013收稿日期：2022-11-23作者简介：邓建伟（1988-），男，硕士，工程师，主要从事岩土工程勘察、岩土工程设计工作。随着深基坑深度的增加，降水问题越来越受到承压水的影响。在解决承压水含水层中开挖大面积深基坑问题时，通常采用地下连续墙止水方法。然而，这种方法造价较高且具有特定的地质条件，不太适用于一般情况。相比之下，井管降水是一种成本较低的方法，但可能会导致周边构筑物沉降变形。为了在控制地下水位的同时保持周边建筑物的安全性，承压水管井降水设计是关键1。本论述针对某深基坑的管井降水方式，提出相关施工措施，以及通过地下水位和周边沉降监测来检验该设计的可行性。1工程概况该深基坑的开挖工作涵盖了地下空间和管廊两个部分。总开挖面积达14.9万 m2，其中地下空间的开挖深度达 27.2 m。相对地，管廊部分的开挖深度范围在15.4 18.9 m。基坑的平面示意图如图1所示。待建场地地层：自上而下依次为人工堆积房渣土和碎石填土；粘质粉土和砂质粉土；粉质粘土和粘质粉土；圆砾和卵石；粉质粘土和粘质粉土；卵石和圆砾；粘土和重粉质粘土；卵石和圆砾，含中砂和细砂夹层；粉质粘土和粘质粉土；中砂和细砂，含砂质粉土和粘质粉土夹层2。除此之外，还有地下水情况需要考虑。管廊部位的基底位于层间水水位以下，而地下空间的基底则位于第砂卵石层中，该层是地下第一层承压水的含水层，见表1所列。图1基坑现场平面布置图表1地下水类型及水位标高一览表序号123地下水类型潜水承压水承压水钻探中实测地下水稳定水位水位埋深16.5017.6020.8022.5024.0026.10水位标高20.7021.4215.2417.5011.8713.92含水层第4大层卵石层第6大层卵石层第8大层卵石层深基坑工程承压水的控制设计与施工技术邓建伟（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃兰州730030）摘要：本论述旨在解决某深基坑承压水降水工程的问题，以管井降水方式为主要控制措施，通过优化井距（8 m）和井深（36 m）等设计方案以及在施工中采用分区封闭、临时封闭等创新措施，成功解决了对降水施工中一系列难题。本论述运用地下水位及周边沉降分析等监测手段，对该工程的施工方案进行了验证，其合理性得到了实践检验；同时，还提出了井水的二次利用方案，以提高地下水的利用效率，且符合现代绿色施工理念。关键词：深基坑；承压水；降水；地下水控制中图分类号：TU753文献标志码：A542023 年（第 52 卷）第 3 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2 降水方案设计2.1降水设计思路地下空间基底以下5 m范围内缺乏适当的隔水层，因此必须采用降水措施来控制基坑地下水位，以确保施工过程中干槽作业能够顺利进行。在施工前期需要排干地下水，保证基坑以下2 m的承压水位得以降低。承压水含水层为第8层（砂卵石层），但在考虑基底稳定性时不得考虑其影响。为此，需要按照图2所示的计算模型，来进行降水井的设计与计算。2.2 降水设计思路2.2.1地下空间部分降水设计在地下空间中，涌水量可以分为潜水和承压水两个部分。不同的涌水类型需要采用不同的计算方法进行处理。其中，潜水涌水量采用均质含水层潜水完整井模式进行计算3。该模型考虑地下水流的均质性和连通性，能够较为准确地计算潜水涌水量。与之不同的是，承压水涌水量需要采用其他计算方法进行处理。由于承压水压力较高，计算过程需要同时考虑压力和渗透性等因素对涌水量的影响。通过合理的计算方法，能够准确地进行承压水涌水量的估算，为地下空间的工程设计提供科学依据。潜水涌水量采用均质含水层潜水完整井模式计算：。（1）计算得潜水涌水量Q1=3 418 m3/d。承压水涌水量按照均质含水层承压水完整井模式计算：Q2=2.73kMSlg(1+Rr0)；（2）r0=u(a+b)4=1.16(236.97+508.06)4=216 m，k=80 m/d,M=11.275 m,S=7.075 m，R=10.2S k=10.27.07580=645.46 m，计算得承压水涌水量：Q2=28 999 m3/d。总涌水量：Q=Q1+Q2=3 418+28 999=32 416 m3/d。单井出水能力根据现场抽水试验q=192 m3/d确定井点数量n=1.1Qq=185眼，按降水周长为1 485 m计算，设井平均间距8 m。2.2.2管廊降水设计管廊长720 m、宽30 m，基底高程为15.4 m（中心为-18.9 m），以减小地下承压水的压力，在管廊与地下空间交汇处50 m范围内设置了承压水降水井。这个降水井的作用是将承压水引入污水系统或排放到地表水中。通过这种方式，可以降低地下空间承压水的压力，保护地下结构的完整性和安全。此外，该降水井也可以增加管廊的排水性能，确保地下空间的正常使用4。管廊基坑涌水量采用线性基坑公式计算，潜水涌水量为Q1=kLH2R=3 600 m3，承压水涌水量为Q2=2kLMSR=14 237 m3，计算出井间距为8 m、深度为25 m。2.2.3基坑降水对地面的影响分析基础标高位于-27.0 m，在第6层砂卵石地层中。图2降水井计算简化模型建筑设计55甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2023 年（第 52 卷）第 3 期随着水位下降，当水位降至-29.00 m时，第4层、第5层和第6层土层就会产生额外的应力。第4层和第6层都是低压缩性的砂砾石，而第5层则是高压缩性的粘土层。根据采用的分层总和法计算，预测会产生11.5 mm的附加沉降量。此沉降量在允许范围内，不会对基础造成不良影响。S=i=1nihEsi；（3）i=rwh（偏安全近似方法），S=rw(h21Esd+h22Est2)=20(22+3.8260103+6218103)=11.5 mmh1层层含水层厚度，h2层含水层厚度，Esi压缩模量。2.3降水井设计结果地下空间和管廊部位是建筑工程中非常重要的设施之一。在地下空间的设计中，降水井是非常必要的设施，它们的深度一般都在36 m左右，而井间距离通常为8 m。此外，为了确保基坑内的排水效果，需要在基坑内部设置疏干井，这些井的深度也为36 m，井间距为20 m。为确保这些井的牢固性和稳定性，一般采用无砂混凝土管。在管廊部分的设计中，同样需要考虑降水井的设置问题。这些降水井的深度一般为25 m，井间距离也为8 m。同样采用无砂混凝土管，以确保井的稳定性和排水效果。这些设施在建筑工程中扮演着重要角色，可帮助我们顺利完成工程，确保建筑安全和稳定。降水井平面布置如图3所示。图3降水井平面布置图3降水施工技术经过理论计算，采用大量降水井可有效降低大面积的承压水。但在实际施工中，由于拆迁不到位或其他原因，基坑无法整体开挖，只能进行分段分区开挖。因此，需要结合现场施工情况，在理论计算的基础上采取其他施工措施来解决承压水问题5。这些措施包括改变开挖方向、增加排水管道数量或改变排水管道位置等。同时，在施工过程中需要密切关注降水系统的运行情况，及时调整降水井的数量和位置，防止承压水对施工造成不利影响，具体有以下施工措施。（1）分段封闭是一种施工方法，主要用于在局部拆迁到位的区域内进行施工。该方法的基本思路是在开挖范围四周建造降水井，以形成小区块的封闭区域。实施分段封闭时，首先需要对拆迁区域进行局部封闭，以防施工材料、设备、人员等在封闭区域外流动。然后，在封闭区域内进行施工，并在施工完成后再进行分段封闭。这种方法可有效避免施工期间造成交通拥堵和环境污染，提高施工效率，保证施工质量。（2）对于无法连成整体的拆迁区域，可采用临时封闭的方法进行施工。在临时封闭区域内，利用施工的临时降水井来形成一个隔离的降水区域。当拆迁范围逐步扩大时，可根据实际情况随时使用降水井，扩大隔离范围，以保证施工顺利进行。这种方法的优点是可有效避免施工期间造成交通拥堵和环境污染，同时可提高施工效率，保证施工质量。通过采取上述措施，地下空间的降水被分成了北区和南区两部分。在拆迁完成之前，北区的降水面积达到15 500 m2，而南区的降水面积则为8 000 m2。随着拆迁的完成，降水面积得到扩大，此时总面积已增加到56 900 m2。由于前期降水工程时间较长，因此地下水位已形成了稳定的漏斗，实现了地下水的平衡供应和抽取。这一情况让抽水量较最初计算时大大降低，降水施工难度也得到了大幅降低。4地下水二次利用4.1地下水二次利用的好处地下水二次利用是指将排放的污水经过处理后再次利用于生产和生活中的一种水资源管理方法。其原理是将污水送入处理系统进行处理，去除其中的污染建筑设计562023 年（第 52 卷）第 3 期甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横物和杂质，使水质达到国家相关标准后，再用于生产和生活用水。这种方法不仅可以提高水资源的利用率，还可以降低水资源的消耗量和污水排放量，同时也可以减轻对自然水体的压力和环境污染6。地下水二次利用的好处主要包括：（1）增加水资源利用率，地下水二次利用可以将排放的污水转化为可用水资源，增加了水资源的利用率；（2）降低水资源消耗量，地下水二次利用可以减少生产和生活中对自然水体的依赖和消耗，从而降低了水资源的消耗量；（3）减少污水排放，地下水二次利用可以将排放的污水转化为可用水资源，从而减少了对环境的污染；（4）促进经济发展，地下水二次利用可以提高水资源利用效率，降低生产和生活成本，同时也可以促进水资源的可持续利用和经济发展。4.2 地下水二次利用的结果为了贯彻绿色施工理念，同时节约水资源，现在许多施工现场都设置了储水箱和加压罐，用于储存和提升地下水。这些设施可以有效减少地下水流失，同时将抽取的地下水用于以下几个方面。（1）结构施工养护是地下水资源利用的一个重要方面。通过将地下水用于混凝土养护，可减少水泥的蒸发和流失，从而延长建筑物的使用寿命。（2）现场洒水降尘也是地下水资源利用的一个重要环节。通过在施工现场喷洒水雾，可有效增加空气湿度、降低空气中的尘埃含量，从而减少环境污染和疾病传播。（3）车辆清洗和工地周边道路清洗也是地下水资源利用的重要方面。使用地下水清洗车辆和道路，可以减少清洁剂的使用和排放，从而减少对环境的污染。（4）消防用水和市政绿化也是地下水资源利用的重要领域。通过将地下水用于消防和市政绿化，可以减少对自来水的需求，同时保护环境和水资源。通过以上措施，平均每日可节约自来水 350 t，这不仅可以减少浪费，同时也可以实现保护地下水资源的目的。绿色施工理念地贯彻，不仅可以提高施工现场的环保水平，同时也可以为人类的水资源保护做出积极贡献。5地下水水位监控5.1地下水水位监控的重要性在深基坑工程中，地下水是一个非常重要的因素，因为地下水的压力和流动方向可能会对基坑的安全和稳定性产生影响。因此，控制地下水的水位和流量非常重要。而地下水水位监控则是控制地下水的关键技术之一。地下水水位监控可以帮助工程师实时了解地下水水位的变化情况，及时发现和解决地下水问题，保证深基坑工程的稳定性和安全性。通过水位监测，工程师可以监测地下水水位的变化，判断降水方案的有效性，并及时采取必要措施。此外，地下水水位监控还可以帮助工程师分析地下水的流动规律和地下水的水质状况，为深基坑工程提供更加准确的设计和施工方案。因此，地下水水位监控在深基坑工程中具有重要作用。在进行深基坑工程施工前，需要对工程周围的地下水环境进行充分调查和分析，并采取相应的地下水控制措施。同时，地下水水位监控也需要在整个工程周期内持续监测和分析，以确保工程的安全和稳定性。5.2 水位监控的结论基底位于地下，其是建筑和土木工程施工中极为重要的一环，它承载着整个工程的重量和荷载。第6层砂卵石层作为这个基底的承载层，在承受重力、荷载和力的作用下，具有较高的强度和稳定性。基底距离承压水静止水位标高-20.8 m，该水位标高是指在某个特定点上，当水流在不受物理干扰时，其水位处于不变化状态的高度。基底标高比水位标高高出5.4 m，这意味着即使水位超过了承压水静止水位，依然能够确保基底的安全性。由于施工中需要保持基坑的安全性，必须在进行分区封闭和抽水的基础上，采取措施监测水位变化情况。因此，设置了S1 S5共5个水位监测井用于监测水位变化。经过三个月的封闭降水，监测数据表明，水位逐渐降低至基底标高位置，降水效果明显。在后期，地下水水位变化幅度较小，符合基础底板施工的要求。水位随时间变化曲线如图4所示。图4地下水位S-T曲线图建筑设计57甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横甘肃科技纵横2023 年（第 52 卷）第 3 期6降水对周边环境的影响6.1降水对周边环境的影响和风险工程实践表明，承压含水层的水位降低后，由于承压水层和上部土层有一定的水力联系，导致上覆土层和下部深层含水层产生了越流补给。上覆土层的水位和孔隙水压力发生降低，土体的有效应力增加,土体产生固结沉降,导致地表沉降，国内外文献提出了各种预估基坑降水对周边环境影响的方法5。深基坑工程承压水的控制设计与施工技术是一个复杂而重要的问题。在工程施工过程中，为了控制地下水位和避免地基液化等不利影响，常常需要对周边地下水进行降水处理。然而，降水对周边环境的影响和风险也不能被忽视6。首先，降水处理过程中的大量排水会对周边土层和地下水系统造成一定影响。排水可能会导致周边土层变形、沉降或地面塌陷等，从而对周边建筑物和交通设施等造成损害。此外，排水还可能对周边地下水系统造成一定干扰，使地下水位下降或水质变化，进而对周边生态环境和农业生产等造成不利影响。其次，降水处理过程中的排水需要妥善处理和排放，否则会对周边水环境造成污染。特别是在城市中，降水排放还可能导致城市内涝等，进一步加剧城市环境恶化。因此，在深基坑工程中，对于降水对周边环境的影响和风险需要进行充分评估和控制。可采取一系列措施，如在降水处理前对周边土层和地下水系统进行详细调查和分析，设计合理的降水方案和排水系统，采用适当的处理技术和设备对排水进行处理，以及在施工过程中加强监测和管理等措施。这些措施将有助于减轻降水对周边环境的影响和风险，确保深基坑工程的安全和可持续发展。6.2 监测和分析在这个工程项目中，第三方监测单位对基坑周边的各项设施进行了监测。具体来说，这些设施包括道路、管线、重要建筑物、主路桥梁等。经过监测，我们收集到了大量数据，并在这些数据中选取了每种类型中的最大值，具体见表2所列。考虑到数据的综合结果，认为该项目的基坑支护监测数据、周边环境监测数据和现场监测巡视结果都显示出基坑降水和土方开挖对周边影响较小，尽管部分设施可能受到了一定程度影响，但影响都在规定范围内、可以接受。特别地，该基坑对主路桥梁的影响微乎其微，不会对其稳定性产生不良影响。表2基坑周边环境监测数据序号12345监测项目周边道路沉降管线沉降桥梁沉降桥梁横向差异沉降桥梁纵向差异沉降测点部位测点1测点2测点3测点4测点5最大累计值/mm-7.5-9.8-5.7-0.70.60.4速率/（mm/d）-0.010.01-0.01-0.010.08-0.03预警值/mm10.57.01.81.83.5控制值/mm15102.52.55.0备注正常正常正常正常正常正常7结论根据水量计算，确定了降水方案，并选择了管井降水方式。在设计方面，井距为 8 m、井深为 36 m，并提出了分区封闭和临时封闭等施工措施，以降低降水施工难度。在实施过程中，通过封闭抽水三个月，水位标高降至-27.2 m，满足土方开挖和基础底板施工需要。同时，监测结果表明，周围构筑物沉降处于正常范围，验证了采用井点降水方案的合理性。此外，通过地下水的二次利用，提高了利用效率、节约了资源，响应了国家绿色施工理念。参考文献：1 周守强.承压含水层降水引起地表沉降及其影响分析 D.合肥：合肥工业大学，2021.2 程星.多隧道平行侧穿邻近建筑物变形影响研究 D.北京：中国地质大学，2021.3 苗彬.煤矿含水构造地巷核磁共振三维正演与反演方法研究 D.徐州：中国矿业大学，2022.4 侯泽明.补连塔矿区上覆含水层水化学特征及流场模拟研究 D.呼和浩特：内蒙古农业大学，2022.5 余国锋.基于微震和神经网络的煤层底板突水预警技术研究 D.淮南：安徽理工大学，2022.6 张瑶.中国水资源利用与经济发展的匹配性研究：基于农业虚拟水量与水质足迹的测算 D.咸阳：西北农林科技大学，2022.建筑设计58