深基坑工程降水技術(shù)及現(xiàn)階段發(fā)展

李享

摘要：近年來，隨著地下空間開發(fā)力度的加大，基坑工程開挖的面積和深度正在不斷增加，處于有利地形條件的施工場地正在趨于飽和，不良水文地質(zhì)條件下的復雜深基坑工程數(shù)量正在增加。在復雜水文地質(zhì)條件下選擇正確合理的降水技術(shù)是實現(xiàn)基坑安全開挖的關(guān)鍵。針對不同施工情況下的基坑降水技術(shù)，國內(nèi)外相關(guān)的學者進行了一系列相關(guān)的研究與經(jīng)驗總結(jié)。在前人所做研究的基礎(chǔ)上，本文將深大基坑的降水方法及相應(yīng)適用條件進行詳細歸納，并展望了深大基坑降水技術(shù)的發(fā)展趨勢和有待優(yōu)化的地方。

Abstract： In recent years， with the rapid development of underground engineering， the area and depth of excavation are increasing， and the construction sites under the favorable terrain are becoming saturated. The correct and reasonable dewatering technology of the excavations under complex hydrogeological conditions is the key to guarantee the safe of the foundation pit and surroundings. The rational use of dewatering method has always been a hot topic in the design and construction of deep foundation pit. In view of the foundation pit engineering in different circumstances， a series of related research and experience are carried out by relevant scholars at home and abroad. On the basis of previous research， the dewatering method and their applicable conditions for deep foundation pit are summed up in detail in this paper， and the development trend of dewatering technology of deep foundation pit and the place to be optimized are prospected.

關(guān)鍵詞：深基坑;降水;適用條件;發(fā)展趨勢

Key words： deep foundation pit;dewatering;applicable conditions;trend of development

中圖分類號：TU753.66? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2018）34-0170-03

0? 引言

20世紀80年代之后，由于我國土地資源緊缺，對于空間的利用不再局限于地面，而把眼光向空中與地下看去，地面上的高層建筑物工程開始在我國興起[1]，相應(yīng)的深基坑工程也越來越多，不僅在建筑工程領(lǐng)域，深基坑的概念逐漸進入到隧道工程、巖土工程、煤礦工程等等領(lǐng)域。在深開挖的基坑工程施工過程中事故是時有發(fā)生的，而這些事故的發(fā)生在不考慮施工質(zhì)量是否過關(guān)的情況下，常常與地下水處理不當有關(guān)[2，3]，據(jù)唐業(yè)清教授對全國范圍內(nèi)160余起基坑事故的分析，由于設(shè)計和施工中對地下水處理不當而造成基坑事故的比例高達60%。地下水的不當處理對深基坑的影響主要表現(xiàn)在：①由于地下水的滲透引起的主體結(jié)構(gòu)開裂[4];②坑底發(fā)生突涌而導致坑底土體開裂出現(xiàn)管涌[5];③由于強降雨等氣候原因使基坑周圍土體淹沒于水中，有關(guān)物理力學指標降低;④降低地下水位的同時，引起地面沉降以及周圍其他建筑的不均勻沉降和開裂等[6]。因此，為治理地下水問題，正確的降水措施是必要的，也是保證基坑工程安全的前提。

1? 基坑降水的發(fā)展

國外基坑降水的發(fā)展較早，世界上第一個有記錄的基坑降水實例是在倫敦伯明翰鐵路的基爾斯比隧道工程中，通過對豎井的降水來保證隧道的順利施工。降水技術(shù)在德國發(fā)展開始的較早。1896年在柏林，修建地下鐵道時第一次使用了深井降水。1930年在不萊梅哈芬港的水閘工程中采用了58口減壓井來降低承壓水頭，承壓水頭的降低量以及總的抽水量均創(chuàng)造了當時工程界的紀錄。1939年在薩爾茨格鐵路項目中，電滲排水技術(shù)被首次運用以穩(wěn)定邊坡。除了德國之外，其他國家對于基坑降水技術(shù)的探尋也一直在進行著。在20世紀30年代，比利時人將深井降水技術(shù)運用在斯海爾德河的水底隧道工程中，有效的減小了盾構(gòu)推進時的壓縮空氣的壓力。美國人將井點系統(tǒng)進行優(yōu)化，首次把球閥和環(huán)閥應(yīng)用在基坑降水中，使得井點可以自動到達土體內(nèi)部區(qū)域，并且可根據(jù)工程需要對土體進行孔隙的增大，同時設(shè)置過濾材料。到了20世紀50年代，井點降水技術(shù)在以往工程經(jīng)驗與理論積累下有了新的發(fā)展，真空降水法得到發(fā)展應(yīng)用，常用來加固地基。工程技術(shù)的發(fā)展往往伴隨著理論的進步，關(guān)于真空條件下土的滲透性和毛細特性的研究相應(yīng)地也在這一時期得到快速發(fā)展。至今，世界各國對于基坑工程降水技術(shù)的探究已逾百年，并繼續(xù)走在對更復雜更大規(guī)模的工程進行降水技術(shù)的探究過程中。

我國基坑降水技術(shù)發(fā)展的起點是在20世紀50年代，噴射井點、輕型井點降水技術(shù)在東北重工業(yè)基地、包頭鋼鐵公司、太原鋼鐵公司、鞍山鋼鐵公司等重大工程項目建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，為我國的降水工程、乃至基坑工程的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。到了20世紀70年代，對于新型抽水裝置的研究成為熱點，由于射流泵和隔膜泵的發(fā)展，使得發(fā)展趨勢走向科學綠色降水、環(huán)保經(jīng)濟降水。20世紀90年代，由于我國新城市建設(shè)的加速，城市中的老舊區(qū)被更新代替，在這過程中基坑降水對周邊建筑物和地下管線等結(jié)構(gòu)設(shè)施的影響越來越多被考慮到。諸如基坑封閉施工法、地下水回灌技術(shù)等技術(shù)得到發(fā)展應(yīng)用，以應(yīng)對施工造成周邊環(huán)境不良影響的問題。降水技術(shù)在我國發(fā)展穩(wěn)固而迅速，相關(guān)專業(yè)人員已經(jīng)掌握較為完善成熟的一系列相關(guān)技術(shù)，并攻克了許多技術(shù)上的難關(guān)，我國降水工程對于工程規(guī)模的應(yīng)用與技術(shù)的發(fā)展均已達到了世界先進水平。

2? 基坑降水的作用

對于處在水文地質(zhì)條件復雜的基坑工程，施工的安全性與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性直接相關(guān)，但是在考慮支護結(jié)構(gòu)可靠性的同時，地下水的控制技術(shù)也是十分重要的[7，8]。土體的穩(wěn)定性與含水量直接相關(guān)，另外若基坑底有承壓含水層時，在基坑的開挖施工過程中將面臨坑底超量隆起、基底突涌等風險。

具體來講，在實際工程中基坑降水的作用有如下幾點：

①降低水位保證基坑穩(wěn)定和開挖工作的順利進行。

②保持坑底干燥，便于施工機械的運作

③減少邊坡的水流沖刷，穩(wěn)定邊坡。

④降低土體含水率，避免土體的強度等標的降低，改善受力特性。

⑤降低承壓水頭，防止坑底發(fā)生突涌。

3? 基坑降水方法

目前比較成熟的深基坑降水方法主要有以抽排水為核心的純井點降水法、以攔防基坑外水的截水法和結(jié)合二者特性的止水帷幕+排水法等[9]。方案設(shè)計時應(yīng)針對具體水文地質(zhì)情況、效果控制、經(jīng)濟要求、工期要求等因素，通過比較各方法的適用性，結(jié)合實際工況，選擇合適的降水方案[10]。表1所示為常見的深基坑工程降水方案及技術(shù)特點。

3.1 純井點降水法

純井點降水法是最便捷，也是最常用的降水方法[11]，井點降水法示意圖如圖1所示。井點降水法主要包括真空（輕型）井點降水法、管井井點降水法、噴射井點降水法、深井井點降水法、電滲井點降水法。

①真空（輕型）井點降水法。輕型井點是最直接的井點降水法，即是通過抽水設(shè)備（真空泵、離心泵、水氣分離器）將地下水通過降水設(shè)施由集水總管抽出，使得地下水位降低至待開挖面以下的降水措施。該方法一般適用于滲透系數(shù)較大（0.1～5.0m/d）的填土、粉土、黏性土、砂土。

②管井井點降水法。管井井點和輕型井點原理相似，均是用抽水設(shè)備將水直接抽出，均適用于滲透系數(shù)較大，含水豐富的土層。主要區(qū)別在于每一個管井均配備抽水設(shè)施，所有抽水設(shè)施能夠獨自運行，因此排水量更大，而輕型井點則是通過一個總的集水管同步進行所有井點的抽水。

③噴射井點降水法。對于較深的降水深度（8m～20m），采用輕型井點則需要將已排干的土層挖去，加以設(shè)置級數(shù)更多的井點，級數(shù)增加將導致設(shè)備增多，工期延長，工程整體經(jīng)濟性降低。采用噴射井點則能大幅度增大降水深度，噴射井點降水法的原理是通過離心泵產(chǎn)生高壓的工作水，隨后通過縮小水流截面積使得水流進行足以產(chǎn)生負壓的高速運動（30～60m/s），將地下水吸出。

④深井井點降水法。一般的潛水泵和離心泵的降水深度的極限約為13～17m，因此當降水深度超過13m左右后，普通的管井已不能滿足降水的控制要求。此時將管井的深度進行增加，可大幅度增加降水深度的限制（一般可降低水位達到35m左右）。

⑤電滲井點降水法。電滲井點降水法是特殊情況下考慮使用的方法。若土層的滲透系數(shù)非常小（小于0.1m/d），此時將土粒之間細小的孔隙所產(chǎn)生得毛細作用與電滲現(xiàn)象結(jié)合，即將井管作為陰極，陽極則在其內(nèi)側(cè)相距約1.2m處用金屬材料設(shè)置，土體里的水分子則會由于電流作用，迅速轉(zhuǎn)移到陰極（井管），這將有利于抽水設(shè)備將土中水的抽出。電滲法雖然能增強井點降水的效果，但是耗電較多，工程費用因此會增加不少。

3.2 截水法

當基坑所處土層水位較高，除了要對基坑內(nèi)的地下水進行控制與降低之外，為防止水向坑內(nèi)滲入還應(yīng)對基坑外的地下水進行處理。一般通過設(shè)置外圍滲透系數(shù)極小的截水帷幕來將基坑內(nèi)外的水力關(guān)系截斷，如圖2所示。截水帷幕的形式多樣，常見的止水帷幕有高壓旋噴樁、深層攪拌樁止水帷幕，旋噴樁止水帷幕，近年來出現(xiàn)了螺旋鉆機素混凝土或壓漿止水帷幕。地下連續(xù)墻、鉆孔咬合樁等是基坑工程中常見的圍護結(jié)構(gòu)，若它們自身防水效果較好，則它們自身也可在作為圍護結(jié)構(gòu)的同時發(fā)揮截水帷幕的作用。截水帷幕分為落底式豎向截水帷幕和懸掛式豎向截水帷幕。落底式止水帷幕是將帷幕插入不透水層中，完全切斷坑內(nèi)外水力連接，但有時含水層厚度很大，使得落底式帷幕的造價昂貴，這時則可以選擇只部分切斷水流，即選擇采用懸掛式豎向截水帷幕[12，13]，考慮到坑內(nèi)外仍有水力連接，若水的補給迅速，則可以結(jié)合坑底注漿封閉來輔助降水。設(shè)計時，應(yīng)綜合考慮施工難度、經(jīng)濟要求、工期要求等合理選擇落底式或懸掛式結(jié)合其他措施。

對于深厚透水性地層的基坑降水，往往是將井點降水與帷幕截水進行綜合使用，如蘭州地鐵1號線奧體中心站至世紀大道站的穿黃隧道區(qū)間的中間風井便是采用懸掛式截水帷幕+井點降水+基底注漿法的工法進行基坑降水處理的[14]。截水帷幕結(jié)合井點降水兼具有井點降水布孔靈活、經(jīng)濟性的優(yōu)點，又具有滲水量小、坑內(nèi)排水量較小、邊坡穩(wěn)定性好、對周圍環(huán)境影響較小（降水漏斗小而深）等優(yōu)點?；鬃{能有效增強基坑防突涌穩(wěn)定性。但是該綜合降水措施造價高，施工周期長，且若在大粒徑砂卵石地層中修建，截水帷幕造孔、護壁、灌漿施工難度較大。

4? 基坑降水的不足與展望

基坑降水技術(shù)在世界上發(fā)展至今，已經(jīng)過了百年的歷練，不少研究者和專業(yè)相關(guān)人士都對于基坑的降水理論與實踐數(shù)據(jù)進行了分析和總結(jié)，但百年歷史并不足以將這一復雜的工程技術(shù)發(fā)展到完美，安全性事故仍有，超額預(yù)算，工期延后現(xiàn)象仍有，將這些經(jīng)驗教訓進行歸納總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)基坑降水技術(shù)尚有著長遠的發(fā)展空間。目前基坑降水仍存在以下問題：

①基坑降水設(shè)計所直接依賴的水文地質(zhì)參數(shù)的獲取不準確[15]。參數(shù)的獲取需要進行一系列的水文試驗，對于復雜地區(qū)則需要結(jié)合數(shù)值模擬反復擬合得到，而不應(yīng)僅通過簡單的地質(zhì)勘察得到。

②設(shè)計計算中使用的參數(shù)選取往往是通過類似工程經(jīng)驗選取，是不精確的，如影響半徑R、壓力傳導系數(shù)a等。

③降水井的布設(shè)和運營方案一般是通過與類似基坑比較，具體形式則是較為盲目隨設(shè)計者主觀意愿的。為避免與實際降水效果相差較遠，降水井的布設(shè)與運營方案應(yīng)通過數(shù)值計算、模型試驗等方法確認后設(shè)計的。由于作為降水實施的直接階段，井點的布置、開啟方案等的確定與降水效果、工程經(jīng)費等直接相關(guān)。因此，降水方案的優(yōu)化設(shè)計一直以來是沒有得到設(shè)計人員足夠重視的方面。

優(yōu)化設(shè)計一般是通過建立某個函數(shù)，將考慮的因素與優(yōu)化的目標建立起聯(lián)系，從而求出最佳解[16]。目前的優(yōu)化函數(shù)的變量均較為單一，還沒有某個考慮全面因素建立的目標函數(shù)，因此，這是未來基坑降水技術(shù)一個重要的發(fā)展方向。

④城市地下空間發(fā)展迅速，隨著基坑工程規(guī)模的加深加大，降水對環(huán)境的影響也逐漸增大，同時由于良好條件下的施工場地逐漸飽和，基坑處于復雜地層條件的情況越來越多[17，18]?？紤]復雜條件下的降水處理，相比于經(jīng)濟性或工期長短，基坑自身的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與對周邊臨近建筑物的作用更將成為降水設(shè)計的主要關(guān)注點[19]。

綜上所述，基坑降水技術(shù)的發(fā)展一定要更加加強理論與實際的結(jié)合[20]，方案的選擇要角度更多，考慮的因素要更綜合，只有這樣才能保證在處于任何復雜情況下基坑降水的有效性和安全性。

5? 總結(jié)

從基坑降水技術(shù)發(fā)展歷史的敘述出發(fā)，將基坑降水的重要性和作用進行了詳細介紹，并總結(jié)了目前為止常用的純井點降水法和截水法這兩種降水處理措施，其中截水法可以結(jié)合井點降水進行綜合降水處理，這對于深厚透水性土層是十分有效的方法。通過全文對基坑降水的發(fā)展情況的回顧，對目前實際工程中降水仍存在的不足之處進行總結(jié)，并且以這些缺陷作為契機，同時結(jié)合目前地下工程的發(fā)展趨勢，總結(jié)出基坑降水的重點發(fā)展方向。

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