卵石层高承压水深基坑围护结构比选分析

摘要:根据现场抽水试验的结果和相关结论，通过对卵石层高承压水深基坑的水文地质计算及风险分析，经安全、风险、经济、工期等因素的综合比选，认为全降水设计方案可靠性差、安全隐患多，方案实施不可行;通过比选采用TＲD工法即等厚度水泥土地下连续墙作为止水帷幕以有效阻隔内外承压含水层的水力联系，同时内插型钢作为挡土结构进行有效挡土，从而控制设计与施工风险，确保基坑施工安全。本研究可供同类型深基坑的围护设计之借鉴。

关键词:承压水;深基坑;围护结构;比选

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德清县人民医院新建大楼工程位于德清县武康镇贵和街南侧、兴康北路东侧、英溪南路西侧，体育场路北侧。本工程由1幢16层住院楼及3层裙房、1幢5层综合楼及1幢2层辅助用房和1幢2层辅助用房和1幢3层高压氧舱组成，基础形式为钻孔灌注桩。设整体2层地下室。基坑面积约17 835 m2，周边延长约573 m。本工程±0．00 m相对于绝对标高+5．70 m，基坑北侧地坪相对标高为－0．30 m，基坑南侧地坪相对标高为－1．10 m，基础底板面相对标高为－9．40 m，承台厚1 300 mm，基底垫层厚100 mm，基坑开挖深度9．70～10．50 m，局部电梯井开挖深度约11．70 m。基坑平面图见图1。

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1) 基坑北侧为医院门诊楼(4F)、医技楼(3F)和住院楼(17F)，距离本工程地下室外墙分别为7 m、11 m和2 m，其中住院楼西北角与本工程地下室区域紧贴。北侧医院已建楼房均为一层地下室，钻孔灌注桩基础。

2)基坑东侧为小区道路及多层建筑(3～6F)，多层建筑距离本工程地下室外墙为15～18 m。基坑边距红线约12 m。

3)基坑南侧为体育场路，基坑边线距红线3～4 m，距道路边约9 m。道路下主要埋有污水管和雨水管。

4)基坑西侧为学校操场及校内沥青道路。基坑边距红线约8 m，距道路边约11 m。

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3．1 工程地质条件

根据岩土工程勘察，场地整体地势平坦，局部略有起伏。场地地貌单元属浙北杭嘉湖冲湖积平原地貌。基坑深度及影响范围内土层分布见表1。

根据基坑实际开挖深度以及地层剖面(图2)，基坑开挖面基本位于⑥3层卵石层中。

3．2 水文地质条件

本场地地下水主要为孔隙潜水、孔隙承压水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于①01层杂填土、①1粉质黏土和②1中砂中，潜水地下水位埋深0．25～1．80 m(相应的1985国家高程2．75～4．15 m)。承压水主要赋存于⑥3卵石层中，水量丰富，透水性强，承压水头埋深2．28～2．75 m(相应的1985国家高程为2．39～2．63 m)。基岩裂隙水主要赋存于岩石风化裂隙中，水量较小，受上部承压水的竖向入渗补给和风化层侧向径流补给，径流缓慢。

根据基坑实际开挖深度，基坑开挖直接揭露⑥3卵石层承压含水层，必须采用相应的止水和降水措施。为此，针对⑥3卵石层承压含水层进行了专项的抽水试验。

抽水试验进行了两组。一组为单孔抽水试验采用非完整井稳定流，进行3次降深。另一组为多孔抽水试验设两个观测孔，采用非完整井稳定流，进行3次降深。相关计算参数如下。

3．2．1单孔抽水试验计算

单孔抽水试验采用承压水非完整井稳定流抽水试验，渗透系数k和影响半径Ｒ的计算公式如下式所示:

式(1)中:

k为渗透系数，m/d;

Q为涌水量，m3/d;

l为过滤器长度，m;

S为水位降深，m;

a为计算系数，按吉林斯基公式计算取1．6;

r为抽水孔半径，m。

影响半径Ｒ如下式所示:

式(2)中:

Ｒ为影响半径，m;

S为水位降深，m;

k为渗透系数，m/d。

计算参数见表2。

3．2．2多孔抽水试验计算

多孔抽水试验采用带观测孔(2个观测孔)承压水非完整井稳定流抽水试验，渗透系数k和影响半径Ｒ的计算公式见式(3):

式(3)中:k为渗透系数，m/d;

Q为涌水量，m3/d;

l为过滤器长度，m;

S1为第一个观测孔的水位降深，m;

S2为第二个观测孔的水位降深，m;

R1为第一个观测孔至主孔的距离，m;

R2为第二个观测孔至主孔的距离，m。

计算参数见表3。

综上所述，根据单孔抽水试验结果，⑥3层卵石层的渗透系数为0．032～0．033 cm/s;根据多孔抽水试验结果，⑥3层卵石层的渗透系数为0．027～0．030 cm/s;平均渗透系数为0．031 cm/s，即26．78 m/d。

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综合分析基坑形状、面积、开挖深度、地质条件及周围环境，基坑工程特点如下:

1) 场地土质情况复杂，浅层有土质较差的杂填土和淤泥质土层，其下为深厚的卵石层，虽其土质较好，但属承压含水层，水量丰富，透水性强。基坑开挖直接揭露该层，基坑开挖不仅要控制好位移及稳定性，对基坑防渗止水、降水措施也提出了较高要求，并充分考虑降水带来的周边设施和建筑物的沉降问题。

2)基坑周边环境复杂，特别是基坑东侧有建造时间较早的民居距离基坑较近，北侧的医院楼房还需要正常使用，因此基坑开挖须确保周边环境安全。

3)基坑开挖深度较深，面积较大，施工时间较长，因此对基坑变形和稳定性须有充分估计。

4)基坑西北角有局部地下一层与已建住院楼连接，施工空间非常有限，须考虑好该范围施工顺序。

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5．1基坑涌水量估算

根据《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—2012)》附录E．0．5，群井按大井简化时，基坑降水总涌水量可按下式计算:

式(4)中:Q为基坑总涌水量，m3/d;

K为渗透系数，取0．033 cm/s，即28．51 m/d;

H0为承压水含水层的初始水头，取20．5 m;

M为承压含水层厚度，取15 m;

H为降水后，坑底水位至承压含水层底板的距离;假定降水后坑内水位距离坑底0．5 m，故h取13．5 m;

据基坑面积，A=17 835 m2，故r0取75．4 m;

Ｒ为影响半径，Ｒ=10S k槡，降深S小于10 m时取10m，故Ｒ取517．5 m。

计算可得基坑总涌水量Q=9 018．5 m3/d。由于本基坑地处城镇中心地带，周边环境条件十分复杂，若基坑开挖采用全降水方案，有以下几点不利条件:

1)坑内外承压水位高差大，围护结构发生侧漏风险较大;

2)停电后回水速度极快，坑内涌水风险极大;

3)周边建筑及管线密布，沉降难以控制，破坏后果严重。

因此，不宜采用全降水方案，须采用止水结合降排水方式控制本场地地下水。

5．2围护方案比选确定

根据周边环境条件、地质条件和水文条件，本基坑围护方法可采用:地下连续墙结合水平内支撑的结构形式，钻孔咬合桩结合水平内支撑的结构形式，TＲD工法等厚度水泥土墙内插型钢结合水平内支撑的结构形式［5－6］。以上三种围护方案的比选见表4。

根据“安全可靠、技术先进、经济合理、方便施工”的原则，经过综合分析比较，确定采用TＲD工法等厚度水泥土墙作为止水帷幕，其内插型钢作为挡土结构。止水帷幕底进入⑩3层中等风化泥岩一定深度，以确保隔断卵石层基坑内外的水力联系。

TRD工法内插型钢示意图

5．3 TＲD工法特点

TＲD工法也叫等厚度水泥土地下连续墙工法，是能在各类土层、砂砾石层、岩层中连续成墙的成套设备和施工方法。其基本原理是利用链锯式刀具箱竖直插入地层中，然后作水平横向运动，同时由链条带动刀具作上下的回转运动，搅拌混合原土并灌入水泥浆，形成一定厚度的墙。其主要特点是稳定性高、适应性强、表面平整、厚度一致、成墙连续、墙体均匀性好。

1)稳定性高。TＲD工法与传统工法比较，机械的高度和施工深度没有关联，稳定性高、通过性好。不会发生倾倒和侧翻事故。

2)适应性强。与传统工法比较，适应地层范围更广。可在黏土、粉土、砂土、砾石、卵石等一般土层及硬质岩层中施工。

3)成墙质量好。与传统工法比较，搅拌更均匀，连续性施工，不存在咬合不良，可确保墙体高连续性和高止水性。还可在任意间隔插入H型钢等芯材，可节省施工材料，提高施工效率。

4)成墙品质均一。连续性刀锯向垂直方向一次性的挖掘，混合搅拌及横向推进，在复杂地层也可以保证均一质量的地下连续墙。

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1)本基坑开挖深度大，坑底位于⑥3层卵石层中。⑥3层卵石层为承压含水层，承压水头埋深2．28～2．75 m(相应的1985国家高程为2．39～2．63 m)，渗透系数0．027～0．033 cm/s，属强透水性土层，且水量丰富，估算基坑涌水量为9 018．5 m3/d。

2)若基坑开挖采用全降水方案，则坑内外承压水位高差大，围护结构发生侧漏风险较大;停电后回水速度极快，坑内涌水风险极大;周边环境条件复杂，沉降难以控制，破坏后果严重。因此，不宜采用全降水方案，须采用止水结合降排水方式控制本场地地下水。

3)经过综合分析比较，确定采用TＲD工法等厚度水泥土墙作为止水帷幕，其内插型钢作为挡土结构。止水帷幕底进入⑩3层中等风化泥岩一定深度，以确保隔断卵石层基坑内外的水力联系。

4)TＲD工法其主要特点是稳定性高、适应性强、表面平整、厚度一致、成墙连续、墙体均匀性好，可为同类型基坑围护设计提供借鉴和参考。