深厚软基深基坑开挖降水减压方案设计与应用

【摘要】广东省潮州供水枢纽工程在深厚软基深基坑开挖中采用“减压井+局部封底”的降水减压方案，并在开挖过程中，针对出现的险情，采取扩大封底范围和施打钢板桩等工程措施，确保基坑开挖的安全，保证工期，同时节省投资，效果显著，对类似软基工程项目深基坑开挖有一定的借鉴作用。

【关键词】 软基；深基坑；减压；设计；施工

1. 工程概况

1.1潮州供水枢纽工程是合理调配水资源，为城镇及工农业用水创造条件、结合发电、兼顾航运、水环境保护等综合利用的枢纽工程。枢纽主要建筑物有拦河闸、发电厂房、船闸、土坝等。其中西溪厂房置于淤泥、淤泥质土上，地面高程为2.0m，建基面为-16.35m，基坑开挖最大深度达18.5 m。厂房地质结构（见图1）从上往下为：

图1地质结构柱状图

①人工填土层（SQ）：主要分布于厂房左侧上游副厂房，主要由素填土组成，以粉土、粉质粘土为主，可塑～硬塑状。厚3.00～5.00m，不均。

②alQ43河流相冲积土层：近代河流冲积而成，主要分布于厂房河床表层及副厂房。成分以中细砂组成，呈松散状，厚0.60～2.00m。

③m+alQ42海陆交互相沉积土层，成分主要为灰黑色淤泥或淤泥质粘土夹淤质粉细砂，总厚约20.00m，层顶面高程为0.50～1.00m。该层总体上土质不均匀，淤泥中夹有较多淤泥质粉细砂和有机质，淤泥呈流塑状，淤泥质粉细砂一般呈松散状。该层地基承载力较低，压缩性高，易产生较大沉降或不均匀沉陷。

④alQ41河流相冲积土层，由粗砂、砾砂、砾石和含卵砾石组成，沉积物从上至下具明显的由细至粗的沉积规律，一般呈中密～密实状，地基承载力较高，变形较小。

1.2厂房基坑长161.75m，宽38.00m，采用内撑式地下连续墙支护，连续墙厚800mm，内支撑为钢筋混凝土支撑。基坑底部以下3.00～5.00m下卧砂卵石层为承压含水层，与江水有水力联系，基坑底与承压水层水头差达23.00m（基坑布置见图2）。如不采取适当降水减压措施，在如此高的水头作用下，必将发生渗漏、管涌、基底浮托等安全问题。同时，由于厂房外闸坝基础水泥搅拌桩已施工完毕，所采取的抗基底浮托措施必须确保不会引起搅拌桩复合地基产生过大的沉降及不均匀沉降。

2. 降水减压方案的设计

2.1方案设计。

2.1.1基于上述的地质条件，基础开挖过程中，地基将面临地下水的渗流而产生渗透变形（流土或管涌）。特别是开挖至基坑底时，承压水水头差达23.00m，可能发生厂房基坑在高水头作用下基底浮托、拦河闸搅拌桩复合地基过大的沉降和不均匀沉降等安全问题，这是设计的焦点。因此，实施的降水减压方案必须满足如下两个基本条件。

（1）条件1：减压井的涌水量控制在施工允许范围内；

（2）条件2：由于设置减压井降低水头引起的相邻已建闸坝搅拌桩复合地基沉降控制在允许的范围内。

2.1.2经过周密的设计比较，初步形成以下3种方案：

（1）方案1：全封底方案。此方案在左右两道连续墙内根据各部分的开挖深度，用旋喷桩封2.00～4.00m厚的基础。

（2）方案2：强排水方案。此方案在基坑内布置20～30个20～30m深的井，用潜水泵根据所开挖高程强行排水，保证地下水位底于开挖面高程。

（3）方案3：减压井+局部封底方案。此方案即在基坑开挖最深段封底宽31.93m，厚4.00m。并在基坑两侧布置30个减压井。

2.2方案选择。经比较，各方案的优缺点如下：

（1）方案1：基坑开挖最安全，但费用过高，总投资概算约6000万元，不宜采用。

（2）方案2：费用最低，投资概算约200万元，但强排可能引起相邻已建的闸坝地基产生较大整体沉降和不均匀沉降，也不宜采用。

（3）方案3：在基坑最深处封底，并通过减压井自流释放降低基坑下面承压含水层的水压力，共同解决承压水压力对开挖层的浮托破坏的问题。总费用约为1200万元。此方案费用适中，可操作性强，兼顾了安全、费用与工期的要求。

（4）经广东省水利厅先后多次组织水利专家和有关单位技术人员对设计方案从技术、经济及安全性等多方面进行方案比选、论证，基本同意方案3，即减压井+局部封底方案，并要求设计单位进一步对方案进行校核和完善。

2.3设计方案的校核。设计单位按照单向开挖和双向开挖两种施工方案，通过抗浮托验算、渗流计算，沉降分析计算，对“减压井+局部封底”方案进行校核。

2.3.1抗浮验算。根据透水层的有效重度与渗透力之比计算抗浮安全性，各开挖阶段抗浮验算结果， 均能满足抗浮安全要求。计算公式及详细结果见式1及表1。：

2.3.2渗流计算。渗流计算主要是分析基坑内设减压井后，基坑内部和周围地层水头变化、分布情况以及相应的井出水量，成果包括各开挖时期基坑横、纵向剖面区域等水头线、井口高程与典型坝纵位置承压水头关系曲线、井口高程与井出水量关系曲线等，成果图（略）。根据计算，减压井群发挥作用时，总出水量主要随井口高程降低面增加，单井出水量同时还随井数减少而增加。各阶段计算中，总出水量最大不超过0.35m3/s，单井出水量最大不超过20L/s，渗流计算结果满足要求。在渗流计算中，同时对单、双向开挖施工期累计出水量进行计算，分别为3.67×106m3和3.17×106m3，很明显，双向开挖方案优于单向开挖方案，设计推荐采用。

2.3.3沉降分析计算。（1）拦河水闸闸板底的标高为-1.10m，搅拌桩底的标高-21.0m左右，由于水闸下的搅拌桩底已达到砂卵石层，相对于搅拌桩复合地基，砂卵石层的压缩模量较大，变形较小，因此，沉降计算仅考虑搅拌桩复合地基的压缩变形。由于基坑减压时部分水闸已施工完毕，故沉降由两部分组成：第一部分为水闸自身荷载引起的沉降，第二部分为水头降低引起的沉降。

（2）经计算，单向开挖减压结束时水闸近端及远端的沉降分别为176mm及171mm，其中减压引起的沉降分别为29mm及23mm；双向开挖减压结束时水闸近端及远端的沉降分别为172mm及168mm，其中减压引起的沉降分别为25mm及20mm，两种开挖方案减压引起的沉降均在总沉降中所占比例较小，且在减压结束后发生回弹，相当于一个预压的过程，不会加大水闸的永久沉降；单向开挖方案水闸的永久沉降及最大不均匀沉降为148mm及10mm，双向开挖方案水闸的永久沉降及最大不均匀沉降为148mm及8mm，可以满足工程需要（平板钢闸门运行时所允许的最大不均匀沉降为10～20mm）。

2.4安全监测及应急措施。为了保证施工期间的安全，在坝纵0-020.85～0-022.85、0+025.55～0+038.55、0+069.15～0+071.15三个区域设置侧压管对水头进行监测，在基坑内每侧的地下连续墙边各布置一个，共6个，测压管底部进入强透水层。根据水头的监测结果，通过调整孔口高程控制水头及减压井涌水量。施工过程中，如果发现某处有渗水涌砂现象，可采取堵排结合方法进行处理，即及时对该处实施砂包回填，同时降低该处附近的减压井井口高程。

3. 应用效果

3.1施工经过。

3.1.1封底施工。封底施工于2003年8月23日开工，10月15日完工。在坝纵0+016.65m～0+048.53m范围内的基坑底以下打设4.00m厚旋喷桩，桩顶高程为-16.20m，集水井处桩顶标高为-18.80m。施工设备采用PP120高压注浆泵、GP-1500、5型高喷台车、ZY100型单管旋喷桩机等，旋喷桩间距按照试验结果按行、列均800mm，呈梅花型布置。

3.1.2减压井施工。减压井施工于2004年9月5日开工，10月4日完工。减压井基本个数为30口，纵向3排，横向10排，布置在坝纵0-029. 5m～0+071m范围，间距8.0m，考虑减压井备用再增加10口井，总井数40口， 备用井大部分位置靠上游，间插于原井位。

3.2存在问题及处理

3.2.1局部封底范围外涌水冒沙处理。在进行开挖过程中，原局部封底范围外的上游侧基坑左6#减压井（桩号：0+13.89，高程：-5.00m）附近出现多处涌水冒沙现象。鉴于西溪基坑水文地质情况复杂，稍有不慎会危及施工人员设备和周边建筑物安全，广东省水利厅组织有关专家在工程建设现场召开专题技术会议和发包人多次组织召开“四方”会议研究分析，这些冒砂涌水可能是由于钻孔灌注桩施工过程中的空桩与下卧的强透水层发生水力联系造成的局部破坏造成。决定除进一步降低减压井出水口高程外，封底范围位置向上游延伸40.0m，在桩号0+16.65～0-23.35m范围打设厚2.00m的旋喷桩，桩顶高程为-14.50m。

3.2.2进口斜坡段流砂处理。进口斜坡段的施工高程从-6.80m～-14.35m，坡比为1：5.4，在几乎是流砂的地质条件下，形成1：5.4的坡比是不可能的。为此，经过谨慎的考虑，在34.47m的斜坡段内施打两道钢板桩拦截水平向水流及粉细砂，单桩厚10.0mm，宽400.0mm，桩长9.0m，桩底高程-16.0m。桩之间改为水平段开挖，再回填混凝土垫层及粗砂细石反滤层。即通过反滤层集中后，再用两台3KW的抽水机24小时抽水，当底板浇注完毕后，再封管灌浆。

3.2.3连续墙接缝涌水的处理。在开挖中，桩号0+13.37m处的左侧连续墙高程-10.0m处，突然从接缝处大量涌水。经分析，连续墙后面的淤砂层为强透水层，可能与江水连通。当时，围堰外的江面水位为3.80m，水头差为13.80m左右。基坑内立刻用75KW的抽水机抽水，避免基坑开挖面被浸没。同时，先在涌水处用砂包堆至-4.00m高程，并在连续墙后面灌浆，但效果不明显。最后在连续墙后贴墙面打入三块厚10.0mm，宽400.0mm的钢板桩，打至-15.0m，完全解决了涌水。

3.3应用效果。潮州供水枢纽工程在深厚软基深基坑开挖中采用“减压井+局部封底”的降水减压方案，虽然在开挖过程中，由于土质原因出现了一些变化，但通过采取扩大封底范围和施打钢板桩等工程措施，确保基坑开挖的安全，截至开挖结束， 施工安全监测成果表明拦河水闸累积沉降量最小值为19mm，最大值为65mm，实际沉降量小于设计允许沉降量，同时保证工期、节省投资，效果显著。

4. 结语

4.1深软基深基坑开挖中，采用“局部封底+减压井”的降水减压措施，费用节约明显。本基坑开挖降水减压总费用约1300万元，比全封底估算费用6000万元，节约了约4700万元。

4.2深基坑、深软基、高承压含水层基坑开挖的设计处理方案，除了考虑基坑支撑体系的稳定外，还应考虑基坑底的抗浮稳定，即建基面的安全是否满足要求，以及排（降）水对相邻建筑物的安全影响。

4.3在基础稳定的前提下，渗水量大小并不是决定封底的主要因素。采用自流减压结合旋喷桩封底的方法，计算出减压井自流降压允许的基坑开挖高程，是有效解决基坑稳定（抗浮）和排水可能引起相邻建筑物的过量沉降的措施。

4.4基坑的水位下降对相邻已建成闸坝的沉降影响量不大。通过计算，减压引起的沉降量远小于荷载引起的沉降量。

4.5采取降水减压措施后，相邻建筑物总沉降量的大小与建筑物稳定情况关系密切。开挖结束拦河水闸累积沉降量最小值为19mm，最大值为65mm，实际沉降量小于设计允许沉降量，且该部分在开挖前累积沉降最大值已达50mm，开挖影响的沉降量小于15mm，主要因为闸坝于2003年6月已浇注完毕，经过三个多月的自然沉降，已基本稳定。在其它工程中应用，必须充分考虑周围建筑物的稳定情况。

4.6基坑开挖的工期尽可能缩短，这对基坑开挖安全十分重要。因为在基坑的开挖过程中，面临的不利因素甚多，如地质条件变化、涌水、冒砂、地下水位上升、洪水等。开挖面暴露的时间越长，产生渗透变形（流土或管涌）可能越大。因此，基坑的支撑体系设计，宜利于大型机械作业，以缩短施工工期。

4.7加强施工期监测和落实预案，有利于掌握基坑及相邻建筑物变化情况，及时采取应对措施。

参考文献

[1]广东省水利电力勘测设计研究院《广东省潮州供水枢纽工程西溪厂房深基础开挖及减压方案研究补充报告》2003年7月