基坑開挖過程中降水方案最優化設計研究

蔡忠強

摘要：基坑項目的開挖環節里，如果承壓的含水層，其上覆壓的應力比水頭的壓力低，那么承壓水的水頭就會破壞基坑的底部，引發突涌的隱患。為了基坑施工安全，必須通過降水措施來降低水頭壓力。但在降水的同時，不可避免地會對周邊土層造成影響，尤其是基坑的四周，有著關鍵的建筑物體，對變形的要求會非常嚴格。因此，基坑降水是一項復雜的系統工程，必須合理設計降水量，既能保證基坑底板的安全，又可以確保四周的建筑結構降低變形的概率。本文采用了最優化法對基坑降水方案進行設計研究。

關鍵詞：突涌降水最優化約束

由于基坑支護工程為臨時性工程，往往基礎資料匱乏，在勘察階段，對水文地質的勘探比較簡陋或粗略。因此，在降水設計時，設計者無法對地下水進行正確的定量分析，或者采用簡化的計算方法，甚至對某些參數依據個人經驗取值。鑒于基礎資料的缺失與降水問題的復雜性，應尋找一種既科學又經濟的新方法。

1 工程概況

北京市副行政辦公區，地熱“兩能”供熱、供冷的熱泵項目，地點是通州區運河東大街，基礎埋深為-21.05～23.70m，實際挖深17.45m，工程內容主要是護坡、降水。

1.1 基坑圍護體系的特點

本項目的圍護部分，其設計的方式需要按照作業安全、實施可靠、合理投資、作業可行性高、并且快速的原則，在確保邊坡的穩定程度及安全的條件下，選取相對經濟、并且可行性高的基坑項目圍護部分的設計方式。依據作業實施場地的具體狀況，本工程有如下特點。

（1）本工程施工工序多，包括降干井、護坡的樁、預應力的錨桿、土體開挖項目，作業的任務多，工期很趕，每個工序間需要配合合理，才可以確保作業實施的順利。

（2）基坑作業實施結束，主體的結構應該要過段時間，才可以作業到地面工程，基坑項目的作業實施周期長，其支護難以參考臨時的作業實施設計，必須保持基坑的支護安全性高、并且穩定性合理。

2 地下水處理設計

2.1 地下水影響分析

根據勘察資料，場區內第一層孔隙潛水水位標高按10.97m考慮，擬建項目基坑槽底位于潛水水位以下，為保證基坑開挖的安全，需要把潛水的水位，減少到基坑槽的底部，不能小于1m的范圍[1]。

2.2 降水方案確定

結合場地條件及開挖工況，使用封閉式的管井降水措施。降水井設置于支護部分的外面，井中心軸線距坡頂外緣2～3m。為確保封閉降水效果，在基坑東側內部間隔15m布置降水井，輔助降水。

2.3 計算基坑涌水量

使用潛水非完整的井模式，測算基坑的涌水數據，測算結果詳見表1。

2.4 降水設計參數

根據上述計算結果，確定基坑降水設計參數，詳見表2。

2.5 基坑降水輔助措施

2.5.1 基坑壁余水處理

基坑底部周圍應留有明溝和集水井，以保證基坑內干槽的安全運行。井（尺）深1.0～1.2m，井徑0.70～0.80m，集水井可裝鋼包尼龍網過濾器和排水溝，防止積聚淤泥，便于集水。

2.5.1 防止基坑地面滲漏的措施

基坑頂部5m范圍內不得設置渡槽，現場所有水道必須排干，使水進入下水管道。堵住基坑周圍的防空通道、上下管道和加熱溝，并排干積水，防止流入基坑[2]。

3 降水井施工方案

3.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

3.2 施工技術

3.2.1 挖泥漿池

結合作業區域內的條件，在基坑中，距離降水井大概3m的位置，開挖泥漿池，每1～3口井使用同樣的泥漿池。

3.2.2 挖探坑

需要清理井周圍中的雜物，需要在井的位置開挖探坑，坑的直徑控制在800mm，深度在1.0～1.5m，如果井口的土體不緊實，需要布設護筒裝置，防止泥漿的浸泡，把孔口沖刷，出現坍塌的問題。

3.2.3 鑿井

脫水井采用反循環鉆機鉆孔，地層為自產泥漿保護井壁。在施工過程中，如果地泥不符合護墻要求，應選用護墻性能好的赭石或人工泥漿。井徑至少為600mm，井眼必須筆直垂直，孔深與設計井深的誤差小于300mm。

3.2.4 吊放井管

大口徑排水井的井管采用鋼管制成，將井管置于混凝土預制支架上，在地板中央安裝中間導軌，四周用螺栓固定8號線，并連接管頭與井口相差200mm時的接縫。井管和接縫被壓入沙子中，并用玻璃布粘合，以防止井管中的沉積物，并用24根30mm寬的竹條垂直固定井管。為防止上下錯位，應在下管前的方向架設井管。起吊井管必須垂直保持在井眼中心，讓防水水泥砂或異物進入井內，井管必須覆蓋井口離地面200mm的高度[3]。

3.2.5 填濾料

井管進入后立即填充濾料。濾料均勻地填充在井眼周圍，必須保持連續才能將泥漿擠出井眼。加注過濾介質時，應與加注一起測量過濾介質的高度，如果加注量與理論計算量不符，應及時查明原因。不要用裝載機直接裝料和使用。鏟墻切割材料，以防止不平整或沖擊井。

3.2.6 洗井

井制成之后，需要使用污水泵設備，實施反復的恢復性清洗作業，直到清洗的水干凈，沒有雜質才行。

3.2.7 水泵安裝

潛水泵設備使用尼龍繩，探入井中，布設好電纜與電閘箱設備，安置好漏電的保護程序。

3.2.8 鋪設排水管網

排水管網以鋼管為主要排水管，管徑為150mm。排水管置于井外，托盤間距5～8m，排水管置于中心。井被提供并覆蓋有保護襯里。在排水管道拐角處設置沉淀池，連接排水管網和城市管道。沉淀池可以用鐵桶制作，如果使用砌磚池，則必須防水。

3.2.9 抽降

實施聯網抽水降水之后，需要隨時觀察水位的情況，有無變化，控制好水泵設備的啟動。

3.2.10 水位觀測

實施抽水之前，需要觀察好靜止的水位數據，開始抽水的時期，每天的早晚7點進行2次觀測的作業，水位在穩定之后，實施每天1次的觀測作業。

3.3槽中井封井方案

由于槽中井疏干井必須穿透底板，因此在地下結構工程進行一定高度時要采取封井措施，以保證地下主體結構的完整性。

3.3.1 封井前提條件

結構的底板需要實施混凝土的澆筑作業，并且混凝土的強度已滿足設計強度的70%以上;主體的荷重已達到相應水位的抗浮要求，封井后不致影響后澆帶的正常施工。

3.3.2 封井程序及方法

隨著土石方下挖，逐段截斷余下的鋼制井管，井管標高保持在底板標高;檢查井管止水圈是否滿足設計要求;已綁完底板鋼筋并澆筑完混凝土;底板混凝土養護并達到封井條件。準備好封井材料，為干拌混凝土，標號達到底板設計強度及抗滲標號或提高一個標號，并適當添加早強劑，使初凝時間控制在45min;從某一側開始封井，隔一個封一個;迅速拔出水泵，并倒入干拌混凝土，然后振搗密實，最后，井口用同強度標號砂漿抹平[4]。

4 地基加固和基坑支護及降水設計的建議

4.1 做好精細化管理

“質量安全大于天”，這是建筑業永恒不變的根基和真理。工程質量不過關是間接殺人的行徑。而在精細化管理面前，建筑質量應該做到意識、制度、監管、行為4個方面的完全確立。

（1）在意識方面，要向每一位施工者、檢查者和管理者都闡明質量的重要性。通過大量的國內外因建筑質量不過關而導致重大安全事故的案例來警醒他們質量第一的重要性。同時，對于建筑質量中的一些灰色地帶如水泥質量問題、欺瞞和收買質檢人員等細節性問題進行闡明，同樣，通過案例說明這些行為的危害極大，以警示相關人員。（2）在制度方面，管理者應通過發現實際施工和檢查過程中出現的易被忽視問題來完善制度。制度的監管要嚴格執行，發現新的問題無法被制度所解釋和約束時應該及時報告，絕不能利用漏洞投機取巧。（3）對于監管人員的思想教育也要到位，應銘記“制度是用來遵守的，而不是用來尋找漏洞后進行利用的?！保?）行為上應加強引導，盡可能地讓相關人員達到一種“無意識”（最低要求為“下意識”）遵守規則的行為，而為鞏固這一“無意識”或“下意識”地遵守規章制度的行為，必須加強前上述其他3個方面的影響力[5]。

4.2 設立配套管理機構

在精細化管理部門的設立過程中，需要將有關的項目經理作為主負責者，將其下屬的質量監督者作為相關項目工程師來進行新的精細化部門的組建。明確部門職責范圍，將工程技術試驗、物資調配、施工計劃設計、建筑質量檢查及施工技術發展等部分作為下屬分支機構。項目經理對這些下屬機構的工作質量和進度進行負責，而工程師應該配合新的質量監督者領導人——施工隊長來對現場的施工工作進行負責，這樣將原有的職務進行重新劃分，并通過下屬辦公室進行職責細化，達到精細化管理的目的，保證總體質量的優異。

4.3 運用深地基基礎施工技術

該技術由于通過其進行側向支撐的樁墻與內部支撐所組合而成的樁撐體系來進行地基施工，因而其應用范圍不斷擴大，且在施工范圍擴大的同時還對地基施工質量提供保障。在地基施工技術方面的設計應遵循下列基本原則。

（1）負荷原則。該原則指的是道路工程中的地基建設必須要對其所能夠承受各類力的最大范圍給出相應準確數值，同時在建設地基時應對地基所承受的力量值進行檢測，如果可能出現或者已經出現超過地基可承受力量數值范圍的情況，應立刻將注意力放置在降低地基所受力量的方面上。等到地基可承受力量恢復到正常值之后，再進行施工。由于地基在超出力量負荷之后往往會發生地基土剪切與地質穩定和平衡性上的破壞，因此必須對負荷原則進行首要堅持。

（2）遏制原則。該原則讓由于建設地基而引發的部分地質結構損壞的問題能夠得到遏制，為達到這一目的，施工人員必須對地面開采的次數和掘土量進行有效把握，通過對地面和地下形變程度進行人為控制，保證地基的承受能力不會下降，做好地基加固和基坑支護的降水設計工作。

（3）監測原則。該原則是指通過對地基的基礎不間斷進行有關地基耐久度、地基強度等方面的數據監測，從而使建設在該地基上面的建筑或路段能夠在結構上得到契合。負荷、遏制和監測是目前地基加固和基坑支護的降水設計工程中應遵循的基本原則。

5 基坑降水設計所需要考慮的兩個關鍵因素

（1）需考慮場地周圍既有建筑物的高度、分布和結構，以及這些建筑物與基坑工程的距離。當基坑周圍的地下設施，包括電纜和管道設計用于降水時，也應考慮其排水通道和供電。對于基坑降水，設計方案起到較強的抑制作用，有效考慮這些因素可以更具體地保證周圍建筑物和地下設施的安全。（2）考慮基坑的土體結構和地下水分布，包括土體的形成條件、顆粒含量和土體結構、不同基坑、不同區域不同土層、不同深度和滲透系數等。如果滲透系數的計算結果不準確，很可能導致基坑降水方案的設計誤差。如果水壓估算錯誤或對基坑周圍的地質水文資料了解不充分，基坑降水方案設計將發揮不了實際作用[6]。

6 結語

總而言之，應充分發揮信息化施工技術的優勢，根據工程水果現場的實際情況，進行基坑降水設計的優化，不僅確保了基坑降水設計方案的切實可行，同時也促進了基坑降水施工安全性的有效提升。所以，必須設計合理的基坑降水方法，才能確?；娱_挖施工的順利進行。

參考文獻

[1] 曾誼輝.基坑開挖對周邊道路的沉降影響研究[J].四川建材，2020，45（8）：69.

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[3] 陸文亮.高架橋基礎承臺與路面差異沉降分析[J].交通科技，2019（2）：52-55.

[4] 王衛東，徐中華，宗露丹，等.上海國際金融中心超深大基坑工程變形性狀實測分析[J].建筑結構，2020，50（18）：126-135.

[5] 鄧超.高架橋基礎承臺開挖引起的路面差異沉降控制方法研究[J].中外公路，2020，40（2）：15-19.

[6] 奚家米，丁衛鋒，吳迪.基于復雜環境下軟土基坑開挖階段的變形監測與分析[J].科學技術與工程，2019，19（29）：254-259.