深基坑工程降水技术浅析

第２６卷第４期　ｌ｜ｔ建慑　２６（４）：１０—１２，２７　２０Ｏ６年８月　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ａｕｇ．，２ＯＯ６　深基坑工程降水技术浅析　雷振华　（煤炭工业邯郸设计研究院中原建设监理咨询公司，河北邯郸０５６０３１）　摘要：降水是基坑工程施工中减小地下水危害所采取的一种最常见、最有效的方法之一，施工中需根据地质条件及工程实际确定　合理的参数和工艺，以达到较好的降水效果。结合工程实践介绍了地下水对深基坑工程的危害和降水参数计算方法以及环境控制　措施。　．　关键词：地下水；降水；环境控制　中图分类号：ＴＩ．￣５３．６６　文献标识码：Ｂ　、　Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｄｅ—ｗａｔｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　Ｄｅｅｐ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｐｉｔ　Ｗｏｒｋｓ　ＬＥＩ　Ｚｈｅｎ．ｈｕａ　（Ｚｈｏｎｇｙｕａｎ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｕｌｔａｔｏｉｎ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．ｏｆ　Ｈａｎｄａｎ　Ｄｅｓｉｇｎ＆Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｃｏａｌ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ，Ｈａｎｄａｎ　０５６０３１，Ｈｅｂｅｉ，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｅ—ｗａｔｅｒｉｎｇ　ｉｓ　ｏｎｅ　ｏｆ　ｔ｝ｌｅ　ｍｏｓｔ　ｃｏｍｍｏｎ　ａｎｄ　ｍｏｓｔ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔ｝ｌｄｏｓ　ｔｏ　ｍｉｎｉｍｉｚｅ　ｔ｝ｌｅ　ａｄｖｅｍｅ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｆ　ｔ｝ｌｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｗｏｒｋｓ．Ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｐｒｏｐｅｒ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｒｅ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ　ｏｎ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ａｃｔｕａｌ　ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｓ．ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ａ—　ｃｈｉｅｖｅ　ｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｙ　ｄｅ—ｗａｔｅｒｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ．Ｏｎ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｐｒａｃｔｉｃｅ，ｔｈｅ　ａｒｔｉｃｌｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ｈｔｅ　ａｄｖｅｒｓｅ　ｉｍｐａｃｔｓ　ｏｆ　ｈｔｅ　ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｅｐ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｐｉｔ　ｗｏｒｋｓ，ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ｏｆ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅ—ｗａｔｅｒｉｎｇ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｎ—　ｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｅａｓｕｒｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ；ｄｅ—ｗａｔｅｒｉｎｇ；ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ　ｃｏｎｔｒｏｌ　１　概述　颗粒细（尤其是粉质粘土、粉砂等土层）、饱和含水的　随着地下工程及深基坑工程数量的增多，降水技　地区。如上海和杭州地区部分地层，粉质粘土和薄层　术在全国范围得到应用和推广。北京、上海、深圳、杭　粉砂夹层或互层现象严重，且埋藏深度正是深基坑工　州等地的地下工程都在基坑施工中采用了降水措施并　程涉及的范围，在这些地区通过降低地下水位避免可　且达到了很好的效果。　能产生的工程危害已普遍引起重视。此外，地下水对　在基坑工程中，由于土质条件和地下水位的不同，　坑壁和坑底土的潜蚀、孔隙水压力的增长引起有效应　基坑开挖方法也不尽相同，在地下水较少或无水条件　力的减小及相应的抗剪强度的降低等多方面的影响也　下，开挖相对比较简单，但在地下水位较高，而土层又　不容忽视。　以砂土或粉土为主时，极有可能产生塌方等灾害性事　２　地下水的危害性成因　故。尤其是深基坑工程中，地下水的危害较大，应在施　２．１　流沙形成的条件　工中采取必要的措施加以处理。降水是深基坑地下水　①土中粒径在０．Ｏｌ　ｍｉｌｌ以下的颗粒含量在３０％　处理最直接有效的方法之一，在很多工程中得到了成　一３５％以上，并含有较多的片状、针状矿物（如云母、　功的应用。因此，地下水的控制也成了地下工程中一　绿泥石等）和附有亲水胶体矿物颗粒。这样的土吸水　项非常重要的技术，为保证工程质量及安全，需对基坑　膨胀性较高而相对密度较小，在不大的水流冲力下，细　工程降水技术进行深人研究，从而总结出一套行之有　小颗粒即会发生悬浮流动。　效的技术理论，用以反馈设计及指导施工。　②水力梯度较大，流速增大，动水压力超过了土颗　地下水在基坑工程实施过程中的危害主要表现为　粒的重量时，就能使土颗粒悬浮流动形成流沙。　流沙、管涌和基坑的底鼓或突涌，而且主要发生在土壤　③土的渗透系数较小时，排水条件不通畅，易形　收稿日期：２００６—０３—２０　作者简介：雷振华（１９６２一），男，高级工程师，１９８２年毕业于淮南矿业学院建井专业，现从事地下工程监理技术工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　雷振华深基坑工程降水技术浅析　成流沙。　重度，ｋＮ／ｍ　；ｒ为土的浮度，ｋＮ／ｍ　；　为承压水头高　④沙土中孔隙比愈大，愈容易形成流沙。　于含水层顶板的高度。ｍ。　２．２　管涌形成的条件　３降水目的及方式　管涌多发生在非粘性土中。其特征是：颗粒大小差　３．１　降水的目的　别较大。往往缺少某种粒径，孔隙直径大而且互相连　在基坑开挖施工中，为了避免产生流沙、管涌，防　通。颗粒多由比重较小的矿物组成，易随水流动，有较　止坑壁土体的坍塌，保证施工安全和工程质量。一般尽　大和良好的渗流出路。具体包括：　量避免在水下作业。当地下水位高于基坑面时，应进　①土中粗细颗粒粒径比Ｄ／ｄ＞１０；　行基坑降水，其主要目的有：　②土的不均匀系数ｄ　６ｏ／ｄ　ｂ＞１０；　①保持坑底干燥，改善施工环境，保证开挖；　③两种互相接触的土层渗透系数之比ｋ。／ｋ　＞２　②增加坑底稳定性；　—３；　③提高基坑内土体物理力学性能指标；　④渗流梯度大于土的临界梯度。　④提高土体固结程度，增加地基抗剪强度。　２．３　基底突涌形成的条件　３．２　降水的方式及选择　当基坑下有承压水存在，开挖基坑减小了含水层　降低地下水位的方法主要有集水明排和井点降水　上覆不透水层的厚度，当它减少到一定程度时，承压水　两大类，集水明排是指在基坑中开挖集水井和集水沟，　的水头压力能顶裂或冲毁基底，形成突涌。基坑突涌　用泵将水从集水井中抽出从而疏干基坑。井点降水则　产生的条件是：　是通过对地下水施加作用力，利用带有过滤器的井管　Ｈ＜ｙ　ｒ　（１）　埋人含水层中，从管中抽取地下水，从而达到降低地下　式中：　为基坑开挖后不透水层的厚度，ｍ；ｙ　为水的　水位的目的。降水方式及适用范围如表ｌ所示。　表１　降水方式及适用范围　Ｔａｂｌｅ　１　Ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｄｅ－ｗａｔｅｒｉｎｇ　ｍｅｔｈｏｄｓ　ａｎｄ　ｔｈｅｉｒ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｓｃｏｐｅｓ　４　降水的环境效应分析　间，固结时间Ｉ由下式决定：　４．１　降水作用下土体变形分析　ｔ＝ｒ，ｆ／ｃ，　（２）　在松散或半固结的海相或陆相的冲积、洪积层中，　式中：　为时间因素，年；Ｈ为含水层降水厚度（ｍ），　其地层结构一般由粗、中、细砂层组成含水层，由间隔　当含水层为双面排水时为Ｈ／２；Ｃ．为固结系数或水力　于其中的粘性土层组成不透水层或弱透水层，构成多　传导系数（ｃｍ　／ａ），据季・费・波兰德：　层承压含水层组。如在这类含水层组中大量的长期抽　Ｃ，＝　／Ｓ．　（３）　汲地下水。必将引起含水层承压水头下降，形成区域性　式中：ｋ　为饱和粘性土的渗透系数，ｍ／ｄ；Ｓ．为比储量　的地下水降落漏斗。承压水头下降的结果使含水层组　或单位贮水系数，表示单位体积饱和粘性土层中排出　（含水砂层本身及其上部和下部的饱水粘性土层）的　的水量。并由伍・克・瓦顿定义认为：　孔隙水压力以不同速率降低；而使颗粒骨架的粒间压　Ｓ．＝ｍ，ｙ，　（４）　力（即有效应力）增加；产生含水层组的压密，其结果　式中：ｍ，为土的体积压缩系数，ｋＰａ～；ｙ－为水的重　在地表反映为地面沉降。显然，不同地点的地层结构、　度，ｋＮ／ｍ　。　岩性特点以及承压水头下降的历时和大小，决定该地　并有Ｓ．＝ｍ，ｙ，＝　＝　（５）　点的沉降范围、幅度以及沉降速率，并且大多数的沉降　变形表现为非弹性的永久性变形。　式中：Ｅ　０．】＿０．　为土的体积压缩模量，ｋＰａ；口０．１＿０．　为土　根据太沙基一维固结理论，细颗粒土层完成压密　的压缩系数。ｋＰａ～；ｅ为土的孔隙比。　Ｉ　结过　韶透整到承压水头降落相适应需要一定时　Ｉｓ．相当于水的密度与土的体积压缩模量之比，由　维普资讯 http://www.cqvip.com

１２　．Ｉｔｔ建越　２ＯＯ６年８月第２６卷　式（３）可知Ｃ，与饱和粘性土的渗透系数成正比，当土　（１）当降水砂层上面有一层硬粘土层时，可作为　层渗透性愈低，Ｃ．也愈小。因此，在粉质粘土和粘土　边界封闭状态来计算沉降，即只考虑降水砂层的沉降。　层中其压密速率取决于孔隙水的排出速率。厚层的粘　工程实践表明，在这种情况下，深井井点降水对环境的　性土的孔隙水压力全部消散达到完全固结的时间常需　影响很小。　数百年之久，较薄的粘性土层也需数十年或更长些。　降水砂层的沉降可采用下式进行计算。由于这层　而砂土和粉砂含水层的主要压密过程则可在承压水头　土较深，其压缩模量常在１００　ＭＰａ以上，取降水层厚度　下降后数年或更短时间内完成。　ＡＨ＝２．Ｏ０　ｍ，水头降低２Ｏ．Ｏ０　ｍ，即△Ｐ＝２００　ｋＰａ，其　４．２深井降水引起地面沉降的计算方法　沉降量：　一般深井井点的降水深度大于１５．００　ｍ，滤水管布　Ｓ＝（２００×２．００）／（１００×１０　）＝４×１０一　ｍ＝４ｍｌｎ　置在渗透系数大于１０　ｃｍ／ｓ的砂层中。深井泵的吸　可见砂层本身的沉降量较小，对环境的影响也　口宜高于井底１．００　ｍ以上，低于井内动水位３．００　ｍ　不大。　左右。　天津地铁某车站基坑施工抽水试验中，其附近地　在软土地区采用深井井点降水的目的大都是降低　表测点沉降历时曲线如图１。在深井抽水试验开始　深层砂性土层的承压水头，对环境的影响在很大程度　后，地表沉降发展趋势较为缓和，当承压水头降低近　上取决于土层分布情况，可按下列基本原则估算对环　２０　ｍ时，地表沉降最大仅为３．８８　ｍｍ，对环境影响　境的影响：　较小。　图１　抽水试验中地表沉降历时曲线　Ｆｉｇ．１　Ｔｉｍｅ－ｄｅｐｅｎｄａｎｔ　ｃｕ／＇ｇｅｓ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｄｕｒｉｎｇ　ｗａｔｅｒ　ｐｕｍｐｉｎｇ　ｔｅｓｔ　（２）若降水砂层上部无硬粘土封闭层，而降水持　Ｒ＝１０ｓ　（７）　续时间又较长时，应计算上覆软粘土层在水头降压△Ｐ　式中：ｓ为原地下水位到井内动水位的距离，ｍ；Ｈ为　的作用下产生的固结沉降。具体计算方法可按实际土　含水层厚度，ｍ；ｋ为土层的渗透系数，ｍ／ｄ。　层的分布情况，参照上述地面沉降的计算方法进行计　算。在这种情况下，深井井点降水对环境的影响较大。　５　降水阶段地表沉降控制措施　４．３降水影响范围的确定　由于地下水位下降成漏斗状，地面沉降常常是不　降水影响范围的确定就是要确定影响半径尺值。　均匀的，将对基坑周围建筑物、道路和地下管线带来不　影响半径是指抽水中心至稳水位不受抽水影响处的距　良影响，严重的可导致道路破裂、建筑物和地下管道破　离，其数值反映了含水层补给能力的大小。　坏，影响使用。根据降水引起周围地面沉降的原因分　影响半径是公式推导中的假设条件，但在实际抽　析，可采取以下措施加以控制：　水条件下，水位影响会波及整个含水层，而且影响范围　（１）设置回灌井点　也是不对称的。确定尺值的最可靠的方法是抽水试验。　在基坑降水井点与被保护建筑物之间设置回灌井　在资料整理时，可根据抽水试验资料，绘制ｓ—ｌｇ　ｒ曲线　点，使建筑物下保持原有地下水位。回灌井点应设在　或（日　一ｈ　）一ｌｇ　ｒ曲线，而后将各个观测孔的水位　降水井点和需保护的建（构）筑物之间，降水的同时，　值用平滑曲线连接起来，并延长与原地下水位相交　通过回灌井点向土层内回灌一定数量的水，为远离降　（相切），即可得影响半径。也可以通过抽水试验测得　水井端地层进行水力补给，阻止或减少回灌井点外侧　Ｑ与ｓ值，带人单井排水量计算公式反求尺值。　建（构）筑物下的地下水流失，维持其原状土层的水力　影响半径也可按土层特征与经验公式计算结果对　平衡，从而控制回灌井外围地层因降水而使地基自重　照比较后确定。常用的公式有：　应力增加而产生地表沉降。　对于潜水井常用库萨金公式：　（２）采用砂沟、砂井回灌　Ｒ＝１．９５ｓ　（６）　在降水井点与被保护建（构）筑物之间设置砂井　吉哈尔特公式则适用于承压水井：　作为回灌井，沿砂井布置一道砂沟，将井点（下－转２７页）　维普资讯 http://www.cqvip.com

第４期　周亚宇等　对客运专线路基检测Ｅ，ｄ检测方法的探讨　级配碎石：Ｋ　３０＝３．４９　Ｅ，ｄ＋１４．４。　６结论　（１）借助于便于操作、方便施工的路基检测仪器　及时准确的了解施工过程的质量情况，控制施工进度，　促进施工单位改进施工工艺，对于客运专线建设中确　保路基施工质量具有重大意义。　（２）目前，由于国产的Ｅ，　测试仪功能并不完善，　大部分均需要从德国进口，因此在引进消化的基础上，　进一步提高Ｅ，　国产仪器的功能，以便在客运专线建　５．２高速客运专线铁路建设　依据《京沪高速铁路设计暂行规定》、《客运专线　铁路路基施工指南》、《客运专线铁路路基工程施工质　量验收暂行标准》等可将通过“　，　动态平板载荷试　验”取得的动态变形模量Ｅ，　值直接用于评判路基的　压实质量。《京沪高速铁路设计暂行规定（上、下）》中　Ｅ　的相关规定级配碎石基床表层的压实标准如表１　所示。　设中逐步推广。　表１　路基级配碎石基床表层的压实标准　参考文献：　Ｔａｂｌｅ　１　Ｃｏｍｐａｃｔｉｏｎ　ｓｔａｎｄａｒｄ　ｆｏｒ　ｓｕｒｆａｃｅ　Ｌａｙｅｒｓ　ｏｆ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｃｏｎｓｉｓ－　ｒｉｎｇ　ｏｆ　ｇｒａｄｅｄ　ｃｒｕｓｈｅｄ　ｓｔｏｎｅｓ　［１］　中华人民共和国铁道部．中长期铁路网规划［ｚ］．北京：　中国铁道出版社，２００４．　［２］　中华人民共和国铁道部．ＴＢ１０１０２—２００４，铁路工程土　工试验规程［ｓ］．北京：中国铁道出版社，２００４．　［３］李怒放．动态变形模量Ｅ　标准的应用与展望［Ｊ］．铁道　标准设计，２００３，（６）．　（上接１２贝）　由于基坑工程地质情况各异，上述措施有时需混　抽出的水，适时、适量地排入砂沟，再经砂井回灌到地　合使用，可更有效地控制降水引起的地面沉降，减少或　下，实践证明亦能收到良好效果。上海花园饭店工程　避免对邻近建（构）筑物的影响。　中，在挖深达８．５　ｍ的电梯井基坑施工中，采用此法回　６　结束语　灌，周围的建筑物亦未因降水影响而产生沉降和开裂。　深基坑工程降水是一个系统而又极为复杂的课　若建筑物离基坑稍远，且无隔水层或弱透水层时，　题，但又是不得不面对的问题。对于深基坑降水，应遵　也可以使用回灌沟。此法经济易行，但若土层中存有　循理论结合实践的原则，通过理论分析指导施工，并把　粘质粉土夹层时，则不利于回灌水渗透，不宜使用，而　握以下要点：　应采用设置回灌井点的方法。　①利用抽水试验求得半径（Ｒ。）是工程降水设计　（３）减缓降水速度　的主要依据。该值是通过现场试验所得到的重要的理　在砂质粉土中降水影响范围最远可达８０　ｍ以上，　论数据，作为有效的设计依据是比较可靠的。　由于降水曲线较为平缓，故可利用这一特点将井点管　②围绕基坑环状布置降水井，其井位布置是依据　加长，降水速度减缓，使邻近建筑物均匀沉降。亦可在　每个降水井的平、剖面对基坑降水的贡献来确定，而不　井点系统降水过程中，调小离心泵阀，减缓抽水速度，　是一味地采用均匀布井的原则。　同时还可在邻近被保护建（构）筑物一侧，将井点管间　③合理选用各种降水方式，如以预降为主、明排为　距加大，必要时停止抽水。　辅；深井与井点相结合；深井、稀浆槽、排水沟相结合等。　（４）减少地层土流失　④大力发展水平井降水技术是对深基坑工程降水　井管滤管和滤层是人工降水工作中一个十分重要　的一个有力的支持和补充。与垂直井降水技术相比，　的环节，良好的滤管和滤层既渗透性好，又能将土粒阻　它能有效地切断基坑内外地下水的水力联系，彻底消　挡于滤层之外。反之，地层土颗粒会在真空和动水压　除“疏不干”问题，降水的降落曲线坡度远小于垂直井　力的双重作用下，移动到滤层周围，在抽汲的反复作用　点降水，降水过程中所引起的差异地面沉降也较小，同　下通过滤管，从而使抽出的水含砂量增大，造成地层土　时可与土方开挖同步进行，大大缩短了工期。　流失，引起地面沉降。　为防止土粒随降水流失，降水施工除应严格按照　降水工艺要求进行外，还应结合水质、水量及水位等监　参考文献：　，测数据合理选择降水参数，确保滤管、滤网、滤料及滤　［１］侯学渊，刘建航．基坑工程手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业　层厚度符合降水要求。滤料粒径应根据土质条件确　出版社，１９９９．　定，不易太大，以免失去过滤作用。井点管上部１—５　［２］苏宏阳，鄙锁林．基础工程施工手册［Ｍ］．北京：中国计划　ｍ范围内用粘土封孔，亦可防止将土粒带出。　出版社，１９９７．