基坑降水設計階段地面沉降控制

在降水設計階段可從前期環境調查、充分考慮基坑維護結構與降水的關系、合理安排井點降水施工、設置擋土帷幕和布設回灌水系統幾個方面進行。首先，開展前期環境調查，主要圍繞以下四方面展開工作：（1）查清工程地質及水文地質情況，即對該地段應有完整的地質勘探資料，包括地層分布，透水層和透晶體情況，以及其與水體的聯系和水體水位變化情況，各層土體的滲透系數，土體的孔隙比和壓縮系數等。（2）查清地下貯水體，如周圍的地下古河道，古水池之類的分布情況，防止出現井點和地下貯水體穿通的現象。（3）查清上、下水管線，煤氣管道、電話、電訊電纜，輸電線等各種管線的分布和類型，埋設的年代和對差異沉降的承受能力，考慮是否需要預先采取加固措施等等。（4）查清周圍地面和地下建筑物的情況，包括這些建筑物的基礎型式，上部結構型式，在降水區中的位置和對差異沉降的承受能力，降水前要查清這些建筑物的歷年沉降情況和目前損傷的程度，是否需要預先采取加固措施等等。第二步工作是在前期環境調查基礎上，確定圍護結構，圍護結構的選擇要充分考慮基坑圍護結構與降水的關系，常見圍護結構類型如下：（1）圍護結構插入隔水層中的坑內降水。如圖5.1，這類圍護結構本身是隔水的，并深入隔水層即潛水含水層底板之中。其滲流特征為：基坑內外無水力聯系，降水時基坑外的地下水不受影響。因此，這類井點降水不會影響到坑外，但對圍護結構的隔水性能要求較高。一般基坑深度小于10～15m。圖5.1 第1類地下水滲流特征圖（2）圍護結構插入潛水含水層中的坑內降水。此時的坑內降水可以采取井點降水，也可以采取坑內集水井（坑）排水，如圖5.2。此時地下水的滲流特征為：基坑內外水力相通，相互影響，在圍護結構的外側，形成類似于井點降水的降水曲線。這種圍護結構的降水方案多用在基坑不是太深，小于10m的工程，圍護結構還沒有達到潛水含水層底板。圖5.2 第2類地下水滲流特征圖（3）各種圍護結構的坑外降水。如圖5.3，這種圍護結構本身可以不隔水，只按圍護結構所受的土壓力、支撐力和本身的抗彎剛度以及整體穩定來設計。降水井在圍護結構的外側，其降水深度滿足基坑內無水即可。此時地下水的滲流特征為：基坑內外地下水完全相通，井點管周圍形成明顯的降水漏斗曲線。這種降水方式對坑外地面沉降影響范圍最大。圖5.3 第3類地下水滲流特征圖降水必然會形成降水漏斗，從而造成周圍地面的機降，但只要合理使用井點，可以把這類影響控制在周圍環境可以承受的范圍之內，故此，在設計階段除前期環境調查。選定合理圍護結構外，還需選取適當的控制地面沉降的措施，目前常見的具體措施有以下幾種：（1）防范抽水帶走土層中的細顆粒。在降水時要隨時注意抽出的地下水是否有混濁現象。抽出的水中帶走細顆粒不但會增加周圍地面的沉降，而且還會使井管堵塞、井點失效。為此首先應根據周圍土層的情況選用合適的濾網，同時應重視埋設井管時的成孔和回填砂濾料的質量。如上海地區，粉砂層大都呈水平向分布，成孔時應盡量減少攪動，把濾管設在砂性土層中。必要時可采用套管法成孔，回填砂濾料應認真按級配配制。（2）適當放緩降水漏斗線的坡度。在同樣的降水深度前提下，降水漏斗線的坡度越平緩，影響范圍越大，而所產生的不均勻沉降就越小，因而降水影響區內的地下管線和建筑物受損傷的程度也愈小。根據地質勘探報告，把濾管布置在水平向連續分布的砂性土中可獲得較平緩的降水漏斗曲線，從而減少對周圍環境的影響。（3）井點應連續運轉，盡量避免間歇和反復抽水。輕型井點和噴射井點在原則上應埋在砂性土層內。對砂性土層，除松砂以外，降水所引起的沉降量是很小的，然而倘若降水間歇和反復進行，現場和室內試驗均表明每次降水都會產生沉降。每次降水的沉降量隨著反復次數的增加而減少，逐漸趨向于零，但是總的沉降量可以累積到一個相當可觀的程度。因此，應盡可能避免反復抽水。（4）防范開挖基坑時產生基底以下承壓水而造成流砂，致使坑周產生大量地面沉陷。如圖5.4所示，在開挖基坑底面下有一薄黏性土不透水層，其下又有相當厚度的粉砂層時，若降水時井點僅設在基底以下，面未穿入含水砂層，那么這層薄黏土層會承受上、下兩面的水壓力差ΔP=（H-h）γw，作用于黏土層下側，產生向上的壓力，若此壓力大于該土層重量，便會造成坑底涌砂現象。對于該種情況，需將降水井管穿入黏土層下而的含水砂層中，釋放下伏粉砂層中的承壓水，降低承壓水頭，保證坑底穩定。（5）如果降水現象周圍有湖、河、浜導貯水體時，應考慮在井點與貯水體間設置擋土帷幕，以防范井點與貯水體穿通，抽出大量地下水而水位不下降，反而帶出許多土顆粒，甚至產生流砂現象，妨礙深基坑工程的開挖施工。圖5.4 坑底承壓水層與坑底涌砂（6）在建筑物和地下管線密集等對地面沉降控制有嚴格要求的地區開挖深基坑，可采用坑內降水的方法，即在圍護結構內部設置井點，疏干坑內地下水，以利開挖施工。同時，需利用支護墻體本身或另設擋土帷幕切斷坑外地下水的涌入。要求擋水墻需有足夠的入土深度，一般需較井點濾管下端深2m左右。這樣即不妨礙開挖施工，又可大大減輕對周圍環境的影響，收到良好效果。（7）對不適宜采用井點降水的上層，不要盲目使用井點降水。特別是無夾砂層的粘性土層，其滲透系數很小，為10-4m/d數量級，這種土層基本是不透水的，在此類土層中采用輕型井點和噴射井點往往是無效的，反而可能會造成土顆粒的流失，效果適得其反。由于無夾砂層，故而不會產生流砂現象，如果為保證開挖穩定性，可采用放緩邊坡坡度或加深支護墻體入上深度的方法予以解決。當工程或環境對地面沉降要求較高時，在降水場地外側有條件的情況下可設置一圈擋水帷幕，切斷降水漏斗曲線的外側延伸部分，減小降水影響范圍，從而把降水對周圍的影響減小到最低程度，一般擋水帷幕底標高應高于降落后的水位2m以上，如圖5.5所示。常用的擋土帷幕有下列幾種：（1）深層水泥攪拌樁。深層水泥攪拌樁采用相互搭接施工方法，由于攪拌樁體的滲透系數不大于10-4m/d，因而可以形成連續的擋水墻。即可以在坑內降水時布置在板樁、灌注樁等支護墻體后面作為擋土帷幕，又可以直接作為側向擋水帷幕。當采用深層水泥攪拌樁格柵型壩體作為重力式支護時，還可起到既擋上又擋水的作用。（2）砂漿防滲板樁。將一排設有注漿管的工字形鋼樁打入所需隔水帷幕的位置，然后邊拔樁邊注入水泥砂漿，形成一圈水泥砂漿隔水帷幕，施工可采用20-30號工字鋼，工程質量的關鍵是確保工字形鋼樁的垂直度和注漿的密實度。圖5.5 設置擋水帷幕減少不利影響1—井點管；2—擋水帷幕；3—坑外建筑物淺基礎；4—坑外地下管線（3）樹根樁隔水帷幕。采用樁徑ϕ200～ϕ300mm的樹根樁、不用鋼筋籠，在樁孔投入碎石后，再壓入純水泥漿成樁，樁與樁之間互相搭接，一般搭接50～100mm，由此形成一道隔水帷幕。施工可采用一般的工程地質鉆機，采用跳打的工藝流程，以防穿孔。工程質量的關鍵是確保樁體有良好的垂直度及樁間搭接，不能有塌孔和縮頸等現象，必要時可在跳打先成樁的施工中采用鋼套管成孔，而后邊拔套管邊注漿。（4）直接利用可以擋水的擋土結構作為擋土帷幕，如鋼板樁、地下連續墻等。降水對周圍環境的不利影響主要是由于漏斗形降水曲線引起周圍建筑物和地下管線基礎的不均勻沉降造成的，因此，在降水場地外緣設置回灌水系統保持需保護部位的地下水位，可消除所產生的危害。回灌水系統包括回灌井點和砂溝、砂井回灌兩種型式：（1）回灌井點技術。回灌井點就是在降水井點和要保護的地區之間打一排回灌井點，在利用降水井點降水的同時利用回灌井點向土層內灌入一定數量的水，形成一道水幕，從而減少降水以外區域的地下水流失，使其地下水位基本不變，達到保護環境的目的。回灌井點的布置和管路設備等與抽水井點相似，僅增加回灌水箱、閘閥和水表等少量設備。抽水井點抽出的水通到貯水箱，從用低壓送到注水總管，多余的水用溝管排出。另外回灌井點的濾管長度應大于抽水井點的濾管，通常為2～2.5m，井管與井壁間回填中粗砂作為過濾層。由于回灌水時會有Fe（OH）2沉淀物、活動性的銹蝕及不溶解的物質積聚在注水管內，在注水期內需不斷增加注水壓力才能保持穩定的注水量。對注水期較長的大型工程可以采用涂料加陰極防護的方法，井在貯水箱進出口處設置濾網，以減輕注水管被堵塞的對象。注水的過程中應保持回灌水的清潔。回灌保護區內應設地下水位觀測井，連續記錄地下水位的變化。通過凋節注水系統的壓力使地下水盡可能保持原始的天然地下水位位置。（2）砂溝、砂井回灌水。即在降水井點與被保護區域之間設置砂井作為回灌井，沿砂井布置一道砂溝，然后將井點抽出來的水適時適量地排入砂溝，再經砂井回灌到地下，從而保證被保護區域地下水位的基本穩定，達到保護環境的目的。實踐證明其效果是良好的。需要說明的是，采用回灌技術時，要防止降水和回灌兩井相通，即回灌井點、回灌砂井或回灌砂溝與降水井點的距離一般不宜小于6m，以防降水井點僅抽吸回灌井點的水，而使基坑內水位無法下降，失去降水的作用。砂井或回灌井點的深度應按降水水位曲線和土層滲透性來確定，一般應控制在降水曲線以下1m。回灌砂溝應設在透水性較好的土層內。除以上基坑降水地面沉降的控制方法外，有許多地區經驗根據場地土的顆粒級配、滲透系數、基坑開挖深度等進行選擇，此類方法可為降水方案的選取提供依據，上海地區這方面的經驗較多（表5.1，表5.2）。表5.1 上海地區土的近似滲透系數和降水方法的關系注：噴射井點應根據滲透系數確定管徑。表5.2 挖土深度和降水方法的關系
備注：數據僅供參考，不作為投資依據。