南水北调含水地层深基坑开挖降水与边坡安全防护技术

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1、南水北调含水地层深基坑开挖降水与边坡安全防护技术陈敦刚吴昊摘要城市深基坑开挖过程中安全降水是影响周边建筑物沉降稳定和基坑边坡安全的关键，通过南水北调焦作段土质含水层倒虹吸基坑开挖降水和边坡支护方法的实践，对含水地层深基坑井点降水及边坡安全防护设计效果进行分析，优化降排水和边坡防护设计，为同类工程施工提供指导性参考建议。关键词含水地层开挖降水边坡安全1概述南水北调焦作1段总干渠横穿焦作老城区解放区、山阳区等居民密集区，渠道倒虹吸基坑开挖受空间限制的影响，不能按照设计边坡开挖，需要将原设计边坡1：1.251：2的设计参数调整为1：0.751：1.5的陡边坡，以满足基坑施工条件。深基坑边坡调整变陡后

2、边坡安全稳定问题突出；基坑降水后基坑外地下水位变幅过大，将影响基坑外建筑物基础沉降变形过大，因此，需要在降水过程中，控制倒虹吸深基坑内外水压力差值在适易范围内，即：保持基坑内地下水位低于基坑底部1.0m以下，以便倒虹吸基坑内旱地作业要求；边坡范围内水位尽可能降低，以保证边坡变陡后边坡的侧向稳定；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过大，引起建筑物基础沉降大，对临近基坑的楼房或道路产生破坏。为此，施工过程中进行了如下控制：（1）对土层不同含水层颗粒间结构水、自由水进行分析研究，提出井点降水设计优化方案，并对降水影响范围进行水力坡降观测、地表沉降观测，验证理论计算，提出相应处理措施

3、，以确保深基坑周边建筑物及城市道路等公共设施运行安全。（2）在满足深基坑开挖边坡稳定和基坑内构筑物旱地作业要求的前提下，采取措施，确保深基坑周边建筑物安全。2基坑降水方法普济河倒虹吸工程基坑开挖深度达22m,基坑底板低于地下水位线10m。因此，开挖前需要把地下水位降低到边坡面和坑底以下，以防止边坡的坍塌和涌流，并保证施工过程中基坑底部处于疏干和坚硬的工作条件下。与此同时，基坑周边为密集的城市建筑群，要求在降低基坑内地下水位的同时，控制地面沉降、建筑物沉降及建筑物基础最大沉降差异，保证建筑物安全。其三，闫河倒虹吸工程深基坑下遇有承压含水层，存在发生坑底隆胀和坑底地下水突涌的危险。因此，合理选择降

4、水方案，达到既保证坑底干燥、增加边坡和坡底的稳定，又使基坑外地下水位降深得到控制，达到防止地表和建筑物基础沉降过大的目的。现场降水以井点为主，并辅以表面排水法进行。闫河倒虹吸基坑第层卵石承压水承压水头达到16.73m,拟采取不揭露的方式，在深井降水施工时，对承压含水层顶板预以保护，防止承压含水层顶板击穿。降水井深确定后，视基坑建基面降水情况，拟采取表面排水法或在基坑内布置减压井的方式予以补充，在基坑开挖过程中，始终保持基坑处于旱地作业条件。3.1 3基坑降水施工普济河倒虹吸降水施工概况普济河倒虹吸先开挖地下水位线以上部分土方，出露地下水后，在94.2m高程的马道外侧布置一周降水井，井深20m，

5、井间距20m，共20口井，每口井安装内径300mm的无砂混凝土管，周围填10mm厚的豆石，井管内安装潜水泵，型号为QJ32-42/7,各泵的排水管75mm白色塑料管，有一定的柔性，可以从井内直接连接到地面的排水总管上，因基坑外侧紧邻普济河，为减少管道维修量，排水支管都直接排入河道内。在第一排降水井运行一周后，开始进行基坑开挖，同步进行边坡支护，在开挖到距离基坑设计底面2m处，基坑内又出现了地下水。为保证基坑开挖正常进行，在基坑下部四周又布置一排降水井，与马道上的降水井位置错开，间距为20m，深度为15m，共15口降水井，井做法仍为无砂混凝土管外侧填豆石，井内安装潜水泵,型号为QJ32-42/7

6、,各泵的排水管75mm白色塑料管，排水管直接排水到普济河，此降水井运行一周后，基坑水位降到基坑设计底面以下，基坑顺利开挖完成。在以后的倒虹吸混凝土施工过程中，降水井一直连续运行，保持基坑水位在坑底面以下，在一期基坑内的混凝土浇筑完成后，因二期基坑还要继续施工，已完成倒虹吸又不能让地下水淹没，所以，一期基坑内的降水井仍要继续运行，直到二期基坑内的倒虹吸完成混凝土浇筑，水位以下的基坑回填完毕，才能停止水泵的运行、拆除降水井。因此，一期基坑降水井运行时间贯穿倒虹吸一二期施工，历时大约为12个月。3.2 闫河倒虹吸降水施工概况闫河倒虹吸先开挖地下水位以上的土方，出露地下水后，在94.6994.79m高

7、程的马道的外侧布置一周降水井，井深20m24m，井间距20m，共30口井，每口井安装内径300mm的无砂混凝土管,周围填10mm厚的豆石，井管内安装潜水泵，型号为QJ32-42/7,各泵排水管采用75mm白色塑料管，具一定的柔性，可以从井内直接连接到地面的排水总管上，排水总管为D300mm钢管，基坑南北两侧各明铺一根，两端焊接封堵，间隔10m,在钢管上焊接D60mm分支管，安装闸阀和止回阀，各个排水泵的管道连接到总管上后，依靠水泵的压力把水送到闫河内，当单个水泵出现故障时，止回阀自动关闭此管路，可以取出井内水泵进行维修。在第一排降水井运行一周后，开始进行基坑开挖，同步进行边坡支护，在开挖到距离

8、基坑设计底面2m处，基坑中部又出现了地下水。为保证基坑开挖正常进行，在基坑下部四周又布置一排降水井，与马道上的第一排降水井位置错开，间距为20m,深度为17m,共24口降水井，井做法仍为无砂混凝土管外侧填豆石，井内安装潜水泵，型号为QJ32-42/7,各泵的排水管75mm白色塑料管，排水管顺边坡向上明敷，在马道处埋入地下，保证道路畅通，在地面高程连接到排水总管，由总管排入闫河，此降水井运行3d后，基坑水位降到基坑设计底面以下，基坑顺利开挖完成。倒虹吸混凝土施工过程中，降水井一直连续运行，保持基坑水位在坑底面以下，在一期基坑内的混凝土浇筑完成后，因二期基坑还要继续施工，已完成倒虹吸又不能让地下水

9、淹没，端部边坡需要维持稳定，所以，一期基坑内的降水井仍要继续运行，直到二期基坑内的倒虹吸完成混凝土浇筑，水位以下的基坑回填完毕，才能停止水泵的运行、拆除降水井。因此，一期基坑的降水井运行时间贯穿一期、二期基坑施工，历时大约14个月。4含水地层深基坑边坡支护沿两侧开挖开口线以外结合施工降水排水沟布置截水沟，将边坡顶部来水排入截水沟，避免冲刷开挖边坡；在需要支护的施工段，随着开挖深度的下降，每层开挖形成的坡面采用025花管土钉墙喷锚封闭保护，并在一级马道坡脚处布置一排钢管桩（159电焊钢管），并且在开挖马道内侧坡脚处布设一条截水沟，截水沟将边坡渗水及天然降水等及时排出并全部集中于基坑底部截水沟的集

10、水井内集中抽排，确保边坡稳定和基坑的安全。因倒虹吸混凝土施工基本处于春雨季施工，为了防止马道上积水，造成土体液化，边坡失稳，在两侧马道上外侧各修筑一条排水沟，断面为0.3mX0.5m，在端部修筑积水坑，用潜水泵抽排到基坑顶部的排水总管内。4.1.1 支护施工钢管桩施工工艺流程：平整场地一布孔放样一钻孔一钢管压桩一连桩。施工方法：（1）平整场地：为确保边坡形成后稳定性，开挖至桩顶高程时，先进行场地平整，然后进行桩孔放样，以保证桩孔放样的准确性。（2）布孔放样：场地平整后按设计要求进行桩位放线，桩位误差小于100mm。（3）钻孔：钢管桩钻孔采用MG50型锚杆钻机，钻孔连续进行。（4）钢管压桩：钢管

11、直径为159mm（壁厚8mm，每米重29.79kg），成孔后采用16t汽车吊及液压破碎锤配合进行压桩，施工时采用梅花形错开压桩。(5) 连桩：压孔成桩后，采用12.6槽钢与钢管桩进行焊接，形成群桩，起到抗滑抗剪作用。4.1.2 土钉墙喷锚施工土钉墙施工工艺流程：边坡开挖一修坡一放线定孔一成孔一插管入孔一注浆一绑扎、固定钢筋网一喷射混凝土面层一混凝土面层养护一循环下层土钉施工。112电业大楼围墙(即永久征地线)10810410096(928824113原始地面线D100钻孔注浆土钉25钢管，L=9.0m,1.4X1.4m)5钢管桩(D=159,L=6.0m)间距500mmD100钻孔注浆土钉(2

12、5钢管,L=9.0m,1.4X1.4m)喷锚砼(C20F100,厚10em)6钢筋网(250X250mm)6979z-1635086.7986.69D100钻孔注浆土钉(25钢管,L=8.0m,1.4X1.4m)倒虹吸中、心线具体支护参数见图1。懺+774支护参数图开挖断面图施工方法：(1)边坡开挖与修整：采用液压反铲分层开挖，严格按照开挖高程及坡度控制，坡面平整。修坡时采用挖掘机配合人工修整，随时检查坡面的坡度。(2) 土钉成孔：采用锚杆钻机成孔。因为土质无法成孔，则采用(p25国标无缝钢管直接打入土内，管内压密注浆。(3) 土钉制作安装：采用p25热轧无缝钢管制作，土钉长度方向间距1.4m

13、，焊接对中支架。(4) 注浆：采用PO.42.5普通硅酸盐水泥配置净浆，配合比为水泥:水=1:0.40.6，注浆泵注浆；根据情况需要加适量早强剂，注浆顺序由里向外，采用止浆袋封口(5) 编制绑扎钢筋网：p6.5250网格，交叉节点用p0.5低碳钢丝绑扎，编前用卷扬机张拉。纵向各段钢筋之间采用搭接焊。(6) 焊接加强钢板：规格p12的螺纹钢筋与土钉头焊接。(7) 喷射砼：采用砼喷射机完成。配合比：水泥：砂：石=1：2：2，根据情况加3%(水泥重量比)速凝剂。砼标号C20。喷射机水、风压差0.1MP,喷头供水压力0.25MPa,水灰比0.380.45，厚度10cm。4.2.3施工平台以上支护施工平

14、台，主要采用单排脚手架，贴靠于坡面上，外侧使用斜撑加固。脚手架上面铺设马道板的形式进行支护施工。4.3基坑变形监测根据基坑土钉支护技术规程，为安全起见，在土钉墙坡顶和桩顶帽梁同时设置观测点，这样的预警值能够较早的采取预防措施。在坡顶和桩顶帽梁边缘按照不大于30m的间距布设位移观测点，以便对其基坑变形进行观测，在施工期间每天进行一次观测，直至基坑完工。以后可710天观测一次，至变形稳定为止。观测其间可根据施工进度和变形发展随时加密观测次数，如发现变形异常，应及时停止基坑内作业，分析原因，采取还土、坡顶卸载等加固措施，确保边坡安全。5.1 5降水和支护效果降水效果通过打降水井的方法，闫河和普济河基

15、坑地下水位都能降到开挖面以下再进行开挖，施工环境变好，施工效率高，保证了基底的验收和后续混凝土工程的施工。两个基坑都经历2010年汛期的考验，普济河倒虹吸出现基坑被淹没事故。通过对两侧相邻50m范围内的建筑物和地面的沉降观测，各个建筑物的沉降量不超过3mm,没有发现建筑物有裂缝现象，一期基坑的降水成功证明了深井降水适合本区域的地质条件。在二期基坑施工时，对一期的降水方法进行局部改进，降水井尽量靠近基坑的中间，即第一排的降水井就布置到马道的内侧，降水井深度加大到25m,在开挖面以下保证有10m的超深，降水井的间距缩小到10m，尽量让第一排降水井运行后就能把水位降低到基坑底面以下，这样可以缩短施工

16、周期，避免打井队伍反复进场。5.2 边坡支护效果在基坑周围拆迁范围不足的条件下，基坑边坡变陡的不利状况下，为保证基坑边坡安全和周围建筑物的安全，用边坡土钉锚杆加边坡挂网喷混凝土防护，是经济合理、安全可行的。通过倒虹吸工程一二期施工，期间还经历了2010、2011年汛期暴雨冲刷、周围地下水位的变化，完全保证了基坑的安全和建筑物的安全，为类似基坑边坡防护积累了宝贵的经验。6结论本工程倒虹吸深基坑开挖，受场地制约、且基坑紧临高楼大厦和城市道路，采用截渗墙方案（如防渗墙、钢板桩围堰围挡基坑）施工倒虹吸工程，具有高成本和高风险，其被迫采用深井降水施工，在节约成本的同时，具有较强的挑战性。本工程在解决城市建设中深基坑边坡稳定，确保周边建筑物安全方面进行了有益的探索，从社会因素、经济成本及施工建设管理等方面都有重要意义。