南水北調含水地層深基坑開挖降水與邊坡安全防護技術

1、南水北調含水地層深基坑開挖降水與邊坡安全防護技術陳敦剛吳昊摘要城市深基坑開挖過程中安全降水是影響周邊建筑物沉降穩(wěn)定和基坑邊坡安全的 關鍵，通過南水北調焦作段土質含水層倒虹吸基坑開挖降水和邊坡支護方法的實踐，對含 水地層深基坑井點降水及邊坡安全防護設計效果進行分析，優(yōu)化降排水和邊坡防護設計， 為同類工程施工提供指導性參考建議。關鍵詞 含水地層開挖降水邊坡安全1 概述南水北調焦作1段總干渠橫穿焦作老城區(qū)解放區(qū)、山陽區(qū)等居民密集區(qū)，渠道倒虹 吸基坑開挖受空間限制的影響，不能按照設計邊坡開挖， 需要將原設計邊坡1 : 1.251 :2的設計參數(shù)調整為1: 0.751: 1.5的陡邊坡，以滿足基坑施工條

2、件。深基坑邊坡調 整變陡后邊坡安全穩(wěn)定問題突出；基坑降水后基坑外地下水位變幅過大，將影響基坑外 建筑物基礎沉降變形過大，因此，需要在降水過程中，控制倒虹吸深基坑內外水壓力差 值在適易范圍內，即：保持基坑內地下水位低于基坑底部1.0m以下，以便倒虹吸基坑內旱地作業(yè)要求；邊坡范圍內水位盡可能降低，以保證邊坡變陡后邊坡的側向穩(wěn)定；尤 其要求基坑外地下水位降低值受控，不至因地下水位降幅過大， 引起建筑物基礎沉降大，對臨近基坑的樓房或道路產生破壞。為此，施工過程中進行了如下控制：(1)對土層不同含水層顆粒間結構水、自由水進行分析研究，提出井點降水設計 優(yōu)化方案，并對降水影響范圍進行水力坡降觀測、地表沉降

3、觀測，驗證理論計算，提出 相應處理措施，以確保深基坑周邊建筑物及城市道路等公共設施運行安全。(2)在滿足深基坑開挖邊坡穩(wěn)定和基坑內構筑物旱地作業(yè)要求的前提下，采取措 施，確保深基坑周邊建筑物安全。2基坑降水方法普濟河倒虹吸工程基坑開挖深度達22m,基坑底板低于地下水位線 10mo因此，開挖前需要把地下水位降低到邊坡面和坑底以下，以防止邊坡的坍塌和涌流，并保證施工 過程中基坑底部處于疏干和堅硬的工作條件下。與此同時，基坑周邊為密集的城市建筑 群，要求在降低基坑內地下水位的同時，控制地面沉降、建筑物沉降及建筑物基礎最大 沉降差異，保證建筑物安全。其三，閆河倒虹吸工程深基坑下遇有承壓含水層，存在發(fā)

4、生坑底隆脹和坑底地下水突涌的危險。因此，合理選擇降水方案， 達到既保證坑底干燥、增加邊坡和坡底的穩(wěn)定，又使基坑外地下水位降深得到控制，達到防止地表和建筑物基礎沉降過大的目的。現(xiàn)場降水以井點為主，并輔以表面排水法進行。閆河倒虹吸基坑第層卵石承壓水 承壓水頭達到16.73m,擬采取不揭露的方式， 在深井降水施工時， 對承壓含水層頂板預 以保護，防止承壓含水層頂板擊穿。降水井深確定后，視基坑建基面降水情況，擬采取 表面排水法或在基坑內布置減壓井的方式予以補充，在基坑開挖過程中，始終保持基坑 處于旱地作業(yè)條件。3基坑降水施工3.1 普濟河倒虹吸降水施工概況普濟河倒虹吸先開挖地下水位線以上部分土方，出露

5、地下水后，在 94.2m高程的馬 道外側布置一周BI水井，井深20m,井間距20m共20 口井，每口井安裝內徑 300mmB勺無砂混凝土管，周圍填10mmB的豆石，井管內安裝潛水泵，型號為QJ32-42/7 ,各泵的排水管75mn色塑料管，有一定的柔性，可以從井內直接連接到地面的排水總管上， 因基坑外側緊鄰普濟河，為減少管道維修量，排水支管都直接排入河道內。在第一排降水井運行一周后，開始進行基坑開挖，同步進行邊坡支護，在開挖到距 離基坑設af底面 2m處，基坑內又出現(xiàn)了地下水。為保證基坑開挖正常進行，在基坑下 部四周又布置一排降水井，與馬道上的降水井位置錯開，間距為 20m深度為15m,共 1

6、5 口降水井，井做法仍為無砂混凝土管外側填豆石，井內安裝潛水泵，型號為QJ32-42/7 ,各泵的排水管 75mm白色塑料管，排水管直接排水到普濟河，此降水井運行一周后，基坑水位降到基坑設計底面以下，基坑順利開挖完成。在以后的倒虹吸混凝土施工過程中，降水井一直連續(xù)運行，保持基坑水位在坑底面 以下，在一期基坑內的混凝土澆筑完成后，因二期基坑還要繼續(xù)施工，已完成倒虹吸又 不能讓地下水淹沒，所以，一期基坑內的降水井仍要繼續(xù)運行，直到二期基坑內的倒虹 吸完成混凝土澆筑，水位以下的基坑回填完畢，才能停止水泵的運行、拆除降水井。因 此，一期基坑降水井運行時間貫穿倒蟲X吸一二期施工，歷時大約為12個月。3.

7、2 閆河倒虹吸降水施工概況閆河倒虹吸先開挖地下水位以上的土方，出露地下水后，在 94.6994.79m高程的 馬道的外側布置一周降水井，井深20m24m,井間距20m,共30 口井，每口井安裝內徑300mm勺無砂混凝土管，周圍填10mnB的豆石，井管內安裝潛水泵，型號為QJ32-42/7 , 各泵排水管采用 75mm白色塑料管，具一定的柔性，可以從井內直接連接到地面的排水 總管上，排水總管為D300mniW管，基坑南北兩側各明鋪一根，兩端焊接封堵，間隔10m,在鋼管上焊接D60mm支管，安裝閘閥和止回閥，各個排水泵的管道連接到總管上后， 依靠水泵的壓力把水送到閆河內，當單個水泵出現(xiàn)故障時，止回

8、閥自動關閉此管路，可 以取出井內水泵進行維修。在第一排降水井運行一周后，開始進行基坑開挖，同步進行邊坡支護，在開挖到距離基坑設at底面 2m處，基坑中部又出現(xiàn)了地下水。為保證基坑開挖正常進行，在基坑下部四周又布置一排降水井，與馬道上的第一排降水井位置錯開，間距為20m,深度為17m,共24 口降水井，井做法仍為無砂混凝土管外側填豆石，井內安裝潛水泵，型號為 QJ32-42/7 ,各泵的排水管75mm白色塑料管，排水管順邊坡向上明敷，在馬道處埋入 地下，保證道路暢通，在地面高程連接到排水總管，由總管排入閆河，此降水井運行3d后，基坑水位降到基坑設計底面以下，基坑順利開挖完成。倒虹吸混凝土施工過程

9、中，降水井一直連續(xù)運行，保持基坑水位在坑底面以下，在 一期基坑內的混凝土澆筑完成后，因二期基坑還要繼續(xù)施工，已完成倒虹吸又不能讓地 下水淹沒，端部邊坡需要維持穩(wěn)定，所以，一期基坑內的降水井仍要繼續(xù)運行，直到二 期基坑內的倒虹吸完成混凝土澆筑，水位以下的基坑回填完畢，才能停止水泵的運行、 拆除降水井。因此，一期基坑的降水井運行時間貫穿一期、二期基坑施工，歷時大約14個月。4含水地層深基坑邊坡支護沿兩側開挖開口線以外結合施工降水排水溝布置截水溝，將邊坡頂部來水排入截水溝，避免沖刷開挖邊坡；在需要支護的施工段，隨著開挖深度的下降，每層開挖形成的坡面采用?25花管土釘墻噴錨封閉保護， 并在一級馬道坡腳

10、處布置一排鋼管樁(159電焊鋼管)，并且在開挖馬道內側坡腳處布設一條截水溝，截水溝將邊坡滲水及天然降水等及時排出并全部集中于基坑底部截水溝的集水井內集中抽排，確保邊坡穩(wěn)定和基坑的安全。因倒虹吸混凝土施工基本處于春雨季施工，為了防止馬道上積水，造成土體液化，邊坡失穩(wěn)，在兩側馬道上外側各修筑一條排水溝，斷面為0.3m x 0.5m,在端部修筑積水坑，用潛水泵抽排到基坑頂部的排水總管內。4.1 支護施工4.1.1 鋼管樁施工工藝流程：平整場地-布孔放樣-鉆孔-鋼管壓樁-連樁。施工方法：(1)平整場地：為確保邊坡形成后穩(wěn)定性，開挖至樁頂高程時，先進行場地平整， 然后進行樁孔放樣，以保證樁孔放樣的準確性

11、。(2)布孔放樣：場地平整后按設計要求進行樁位放線，樁位誤差小于100mm(3)鉆孔：鋼管樁鉆孔采用 MG50S1錨桿鉆機，鉆孔連續(xù)進行。(4)鋼管壓樁：鋼管直徑為 159mm(壁厚8mm每米重29.79 kg),成孔后采用16t 汽車吊及液壓破碎錘配合進行壓樁，施工時采用梅花形錯開壓樁。(5)連樁：壓孔成樁后，采用12.6槽鋼與鋼管樁進行焊接，形成群樁，起到抗滑 抗剪作用。4.1.2 土釘墻噴錨施工土釘墻施工工藝流程：邊坡開挖一修坡一放線定孔一成孔一插管入孔一注漿一綁扎、固定鋼筋網一噴射混凝土面層一混凝土面層養(yǎng)護一循環(huán)下層土釘施工。具體支護參數(shù)見圖1。施工方法：(1)邊坡開挖與修整：采用液壓

12、反鏟分層開挖，嚴格按照開挖高程及坡度控制， 坡面平整。修坡時采用挖掘機配合人工修整，隨時檢查坡面的坡度。(2) 土釘成孔：采用錨桿鉆機成孔。因為土質無法成孔，則采用 。25國標無縫鋼 管直接打入土內，管內壓密注漿。(3) 土釘制作安裝：采用 。25熱軋無縫鋼管制作，土釘長度方向間距1.4m,焊接對中支架。(4)注漿：采用 PO. 42.5普通硅酸鹽水泥配置凈漿，配合比為水泥：水=1:0.40.6 ,注漿泵注漿；根據(jù)情況需要加適量早強劑，注漿順序由里向外，采用止?jié){袋封口。(5)編制綁扎鋼筋網：。6.5 250網格，交叉節(jié)點用。0.5低碳鋼絲綁扎，編前 用卷揚機張拉?？v向各段鋼筋之間采用搭接焊。(

13、6)焊接加強鋼板：規(guī)格 。12的螺紋鋼筋與土釘頭焊接。(7)噴射碎：采用碎噴射機完成。配合比：水泥：砂：石=1: 2: 2,根據(jù)情況加3% (水泥重量比)速凝劑。碎標號C20。噴射機水、風壓差0.1MP,噴頭供水壓力0.25MPa, 水灰比0.380.45,厚度10cm。4.2.3 施工平臺以上支護施工平臺，主要采用單排腳手架，貼靠于坡面上，外側使用斜撐加固。腳 手架上面鋪設馬道板的形式進行支護施工。4.3 基坑變形監(jiān)測根據(jù)基坑土釘支護技術規(guī)程，為安全起見，在土釘墻坡頂和樁頂帽梁同時設置觀測點，這樣的預警值能夠較早的采取預防措施。在坡頂和樁頂帽梁邊緣按照不大于30m的間距布設位移觀測點，以便對

14、其基坑變形進行觀測，在施工期間每天進行一次觀測， 直至基坑完工。以后可 710天觀測一次，至變形穩(wěn)定為止。觀測其間可根據(jù)施工進度 和變形發(fā)展隨時加密觀測次數(shù)，如發(fā)現(xiàn)變形異常，應及時停止基坑內作業(yè)，分析原因， 采取還土、坡頂卸載等加固措施，確保邊坡安全。5 降水和支護效果5.1 降水效果通過打降水井的方法，閆河和普濟河基坑地下水位都能降到開挖面以下再進行開 挖，施工環(huán)境變好，施工效率tWj,保證了基底的驗收和后續(xù)混凝土工程的施工。兩個基 坑都經歷2010年汛期的考驗，普濟河倒虹吸出現(xiàn)基坑被淹沒事故。通過對兩側相鄰 50m范圍內的建筑物和地面的沉降觀測，各個建筑物的沉降量不超過3mm沒有發(fā)現(xiàn)建筑物有裂縫現(xiàn)象，一期基坑的降水成功證明了深井降水適合本區(qū)域的地質條件。在二期基坑施工時，對一期的降水方法進行局部改進，降水井盡量靠近基坑的中間，即第一排的降水井就布置到馬道的內側，降水井深度加大到25m,在開挖面以下保證有10m的超深，降水井的間距縮小到10m,盡量讓第一排降水井運行后就能把水位降低到基坑底面以下，這樣可以縮短施工周期，避免打井隊伍反復進場。5.2 邊坡支護效果在基坑周圍拆遷范圍不足的條件下，基坑邊坡變陡的不利狀況下，為保證基坑邊坡 安全和周圍建筑物的安全，用邊坡土釘錨桿加邊坡掛網噴混凝土防護，是經濟合理、安 全可行的。通過倒虹吸工程一二期施工，期間還經歷了2010、