一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法与流程

本发明属于土木建筑与交通工程技术领域，具体涉及一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法。

背景技术：

城市沿江河湖海地区受沉积环境历史变迁的影响，地层分布复杂多变，粘土/粉质粘土与粉土粉砂等互层，多含有一个潜水含水层和多个承压含水层，承压含水层上覆的粘性土弱透水层中多含有粉土粉砂透水夹层薄层，普遍具弱承压性，在这种复杂地层中开挖深基坑工程，如何进行减压降水设计，对控制基坑突涌稳定性及减小对周边环境的影响至关重要。

以典型的长江漫滩二元地质结构为例，上部广泛分布有10～30m厚的淤泥、淤泥质粘土、淤泥质粉质黏土，该层属于弱透水层，总体渗透性能差，富水性差，可作为隔水盖层设计，其下多为粉质黏土夹粉土粉砂夹层薄层，多呈互层状，该层垂向渗透性能较差，而水平向渗透性较好，具有一定富水性，因富含透水夹层薄层，普遍具有弱承压性(以下称为半透水层)，基坑降水过程中若忽视该层，有可能引发基坑突涌或管涌；中部为10～40m厚的稍～中密粉土、粉砂层；下部主要为中密～密实粗粒砂土、砾砂、园砾等，厚3～20m。由此，中下部存在厚达40～60m的由粉细砂及卵砾石组成的承压含水层，承压水头较大，同时接受长江水补给，降水工程风险大。

该种典型地层因上覆普遍含粉土粉砂夹层薄层的半透水层具有弱承压性，不能完全作为隔水盖层设计，在进行抗突涌稳定性验算时，上覆压盖重需要进行适当折减，因此要求中下部承压含水层减压设计时水位降水往往过大，导致诱发周边环境产生较大的地面沉降，甚至发生环境土工灾害。因此，设计一种能减小承压水位降深的降水方法，对该种类型地层中的基坑工程具有重要指导意义。

技术实现要素：

本发明的目的是针对深基坑承压水降深往往过大容易诱发环境岩土工程问题的不足，提供一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法，在降水设计时，通过将疏干井加深延长至承压含水层上覆半透水层之中，对其水压进行释放，在疏干后作为隔水层考虑，进而增加了承压含水层上覆隔水层的压重，使得承压水位降深减小，有利于对周边环境的保护。

本发明采用的技术方案为：一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法,包括如下步骤:

步骤一,探明基坑开挖区工程地质水文地质条件,在常规抽水试验及室内渗透试验等勘察试验的基础上，采用孔压静力触探对地下水文地质结构进行精细化勘察，分析静力触探贯入时孔压增长变化规律结合孔压消散试验，明确各土层透水性能，划分隔水层、半透水层及含水层，特别是要探明基坑开挖深度以下半透水粘土层中透水夹层及薄层的分布情况，识别“千层饼”状的粘性土与粉土粉砂的互层状况；

步骤二,根据基坑开挖深度、开挖过程与地层结构关系，根据承压含水层水头高度及其埋藏深度、坑底隔水粘土层及半透水层厚度，分别计算不考虑半透水层隔水性、考虑半透水层完全隔水、考虑半透水层部分隔水情况下基坑抗突涌稳定性系数，分析基坑开挖深度、隔水层厚度与承压含水层水头降深之间关系；

步骤三,在基坑范围内选择局部区域分别打设穿透上覆隔水层和穿透半透水层的疏干井进行降水单井及群井实验，降水完成后，开展孔压静力触探试验，根据孔压增减情况及孔压消散试验情况，对比步骤一勘察阶段孔压静力触探试验数据，对半透水层弱承压性的消除及隔水性能增强情况进行判断，并提出半透水作为隔水层设计的合理折减系数，分别设计穿透隔水层及半透水层疏干井的深度及数量；

步骤四,根据基坑开挖深度、承压水埋深及水头高度、修正后的总隔水层厚度，计算需降承压水的临界开挖深度、抗突涌稳定系数与分层开挖深度、承压水头降低高度关系，进而设计承压水减压井的深度和数量；

步骤五，预计隔水层厚度修正前后的承压水位降深情况下地面沉降大小，并结合周边地面沉降的监测，综合控制减压降水井开启、运行及关闭，确保基坑开挖稳定及周边环境控制。

优选地,所述步骤一中：所述的孔压静力触探是指一种原位测试技术，试验时，采用液压将探头压入土中，速度控制在(2±0.5)cm/s，贯入过程中，实时采集锥尖阻力qt,侧壁摩阻力fs,孔隙水压力u2,贯入过程中，可在任意深度停止，开展孔压消散试验；然后绘制各种贯入曲线图(qt-H，fs-H,Rf(＝fs/qt)-H，u-H)，据此划分粘性土层、无粘性土层或混合中间土层，并利用孔压静力触探锥肩位置厚度仅5mm的孔压元件测试得到的孔压u2的敏感性，探明含透水粉土粉砂夹层与薄层“千层饼状”粘性土层(定义为半透水层)的埋深及厚度，此种地层的显著特征是具有弱承压性，孔压曲线呈锯齿状，粘性土中超孔压急剧升高，而透水夹层薄层中孔压急剧下降，但仍因具有弱承压性呈现出高于静水压力的现象；

所述的孔压消散试验是指在需要进行孔压消散试验的深度位置停止贯入，实时记录孔压随时间的消散过程，直到孔压接近静水压力为止；

所述的水文地质结构精细化勘察是指利用孔压静力触探测试得到的qt、fs、u2 3个参数对具有高度分层性和不均匀性的沉积土进行精确分层，对不同性质土层界面、同一土层内透水或不透水夹层进行精确探测，并利用孔压消散试验及室内渗透试验计算得到的渗透系数，对复杂混合土层的透水性能进行评价，区分隔水层、半透水层及含水层；

所述的利用孔压消散试验计算渗透系数的方法如下：

其中：kh为水平渗透系数，ch为固结系数，γw为水的重度，D^/为一维压缩侧限模量；

式中：为修正时间参数，当孔压消散位于锥尖正后方时取0.245；a为探头半径，对10cm²锥头，取1.785cm；IR为刚度指数(＝G/Su，G为剪切模量，Su为不排水抗剪强度),t50为超孔压消散水平达到50％的时间；

D′＝8.25(qt-σv0),式中：qt为锥尖阻力，σv0为土层自重应力。

优选地,所述步骤二中，不考虑半透水层隔水性、考虑半透水层完全隔水、考虑半透水层部分隔水情况下基坑抗突涌稳定性系数计算方法如下：

式中，Fs－安全系数，一般为1.05～1.2，一般取1.1；Ha隔水层—基坑开挖底板高程(m)；Hb半透水层—承压含水层上覆半透水层顶面高程(m)，Hc-承压含水层顶板高程(m)；γs1,γs2—相应土层的饱和重度(kN/m³)；ha安—承压含水层安全水位高程(m),初始高程可通过观测得到，安全水位高程随基坑开挖深度变化而变化；γw－水的重度(kN/m³)；α为半透水层厚度折减系数，取值为0-1.0。

式中分母为安全水位高程对应的承压水压力；分子为承压含水层上覆隔水盖层总重量，在不考虑半透水层隔水性(即完全透水)、考虑半透水层完全隔水、考虑半透水层部分隔水情况下分别计算，可得到抗突涌安全系数为Fs透水、Fs隔水、Fs半透水，其大小关系如下：

Fs透水<Fs半透水<Fs隔水

因此，若将承压含水层上覆半透水层当作透水层设计，则计算安全系数偏小，基坑开挖时承压水降压水头将偏大；若将其作为完全隔水层，则计算安全系数偏大，基坑开挖可能存在安全隐患；若将其作为半隔水层设计，则需确定折减系数α的大小。

优选地，所述步骤三中：所述的单井及群井降水实验是指在基坑开挖之前，选择局部区域分别打设穿透上覆隔水层和穿透半透水层的疏干井进行降水，观测单井及群井出水量、地下水位变化，并比较2种不同降水井的差别，降水完成后，开展孔压静力触探试验；

所述的孔压静力触探试验，目的是对半透水层的透水性能及其承压性变化情况进行分析，以判断是否可以将该层作为隔水层设计或确定作为隔水层设计的折减系数，根据降水试验前后孔压试验曲线的变化情况判断半透水层弱承压性是否消除。由于透水粉土粉砂夹层与薄层中的地下水很容易被抽出，而上下粘性土中地下水相对难以抽出，粘性土及透水夹层薄层中地下水抽出后将发生地层的沉降压缩现象(以透水夹层薄层的瞬时沉降为主)，孔压静力触探贯入时孔压的变化过程将与抽水前发生显著变化，在半透水层区域更加明显，可能因半透水层弱承压性的消失，锯齿形的孔压曲线将变得相对平滑，透水夹层薄层中孔压将因压缩密实可能出现负值。具体方法是：

根据抽水前后透水夹层薄层处孔压大小与相应位置静水压力的比值大小，判断弱承压性是否消失，若抽水后基本接近或小于静水压力，可认为若承压性消失，设计时，可取折减系数α为1.0，当作隔水层设计；若仍高于静水压力，则根据减弱的程度进行折减系数α的取值，为安全起见，建议取值为0.5～0.8，根据穿透半透水层的单井或群井出水量确定，若出水量随试验时间增长显著降低，可取高值，若出水量虽大幅降低但仍有一定出水量，可取低值。

所述疏干降水井的数量按如下公式计算：

n＝A/a井

式中，A为基坑面积(m2)，a井为单井降水有效面积(m²)。若有地区经验时，亦可按经验估算，一般情况下，单井有效降水面积为150m²～250m²，当普通疏干井降水对象以粘性土为主时，可取150m²～200m²，加长疏干井降水对象为半透水层时(如粉质粘土夹粉土粉砂层夹层薄层为主时)，可取200m²～250m²，并根据试抽试验进行复核。

所述疏干井的深度规定为，井管底标高一般设置在基坑底板以下4～6m；本发明中穿透半透水层疏干井深度根据步骤一中确定的半透水层深度及厚度确定。

优选地，所述步骤四中：所述需降承压水的临界开挖深度按如下方法计算：

式中，Ha临界为需降承压水时的临界基坑底板高程，对应初始承压水头高程为ha初始，Fs设计为根据基坑等级设计要求的安全系数。

所述分层开挖深度对应的抗突涌安全系数计算方法如下：

式中，Fs分层为对应于某层基坑开挖深度的抗突涌安全系数；h^/a安全为达到满足设计要求的Fs分层情况下，降低一定数值承压水头后的安全水位高程。

所述承压水减压井的数量按如下方法确定：

n＝η·Q/q

式中Q-与承压含水层相对应的基坑总涌水量，按《建筑基坑支护技术规程(JGJ120-2012)》相关公式计算，q-单井允许出水量(m³/d)，可通过抽水试验确定，为出于安全需要的放大系数，根据基坑周边环境确定其大小，一般取值为1.1。

所述承压水减压井的深度按如下方法：

一般根据承压含水层层顶、底板埋深和厚度等综合确定，当基坑底板已经位于或接近承压含水层，可按下式计算：

HW＝HW1+HW2+HW3+HW4+HW5+HW6

当基坑底板位于承压含水层以上，可按下式计算：

HW＝HW3+HW5+HW6+HW7

式中：HW—降水井深度(m)；HW1—基坑深度(m)；HW2—降水水位距离基坑底要求的深度(m)；HW3—井露出地面长度(m)；HW4—降水期间的水位变幅(m)；HW5—降水井过滤器工作长度(m)；HW6—沉砂管长度(m)；HW7—承压含水层顶板埋深(m)。

优选地，所述步骤五中：所述承压含水层上覆隔水层厚度修正前后的承压水位降深情况下地面沉降大小可按如下方法计算：

首先采用数值分析的方法根据三维地下水渗流模型计算出基坑周边地下水位分布，或根据水位观测确定；

其次，采用下列经验公式预测降水引起的地面沉降：

Δb＝Σb0mvsγwF

式中，Δb为地层压缩量(m)；b0为地层初始厚度(m)；mv为土的体积压缩系数(kPa^-1)；s为各土层内的水位降深(m)；γw为地下水重度；F为沉降修正经验系数，取值与土性及降水持续时间有关。

所述减压降水井开启减压井数量和抽水量大小应根据基坑开挖深度和承压水头埋深要求进行控制；在降水运行过程中，随开挖深度的增加，逐步开启降水井，降压井水位控制在安全水位或开挖深度以下1～2m；并且每天对水位观测井进行水位测量。

本发明的有益效果：为确保基坑抗突涌稳定性要求，深基坑承压水降水时往往降深过大，从而诱发周边出现环境岩土工程问题。本发明提出一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法，采用将疏干井深度延长到隔水层下伏半透水层之中的方法，消除半透水层的承压性，进而将其作为隔水层设计，达到增加隔水层盖重的目的，这样就使得在基坑分层开挖时承压水位降深减小，有利于对基坑周边环境的保护。

附图说明

图1为本发明的基坑剖面图。图中，1-隔水层，2-半透水层，3-承压含水层，4-止水帷幕，5-疏干井，6-延长深度后的疏干井，7-减压井。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

实施例:

某地铁车站换乘段长285.2m，宽43.7m，面积约12463.24m²，基坑最大开挖深度约25m，周边环境复杂，车站主体围护结构采用800mm/1000mm厚地下连续墙，未隔断承压含水层，属于悬挂式止水帷幕。基坑剖面图如图1所示。该基坑位于南京长江河漫滩地区，场地为典型的长江漫滩二元地质结构特征。

本实施例提供一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法,所述方法包括如下步骤：

第一步,获取基坑场地的土层划分信息、隔水层1、半透水层2、承压含水层3信息、土层渗透性；

通过钻孔取土试验结合孔压静力触探，本实施例所述深基坑的土层划分信息如下：

上部广泛分布有30m厚的隔水层1，由淤泥、淤泥质粘土，淤泥质粉质粘土组成，该层地面高程为0.00m，底板高程为-30.0m；其下为厚10m的半透水层2，该层底板高程为-40.0m，由粉质粘土夹粉土粉砂，该层水平渗透性良好，具有一定富水性和承压性，基坑降水过程中若忽视该层，有可能引发基坑突涌、管涌；其下为厚达40m以上的由粉细砂及卵砾石组成的承压含水层3，平均渗透系数达24.5m/d，观测水头高程为-2.0m，同时接受长江水补给，降水工程风险大。基坑开挖底板高程为-25.0m。

获取土层渗透系数：通过室内渗透试验及现场孔压静力触探获得本实施例的隔水层的平均渗透系数k＝0.45m/d；半透水层的平均渗透系数k＝3.8m/d；承压含水层上部粉细砂层的平均渗透系数K＝18.7m/d，下部卵砾石层平均渗透系数K＝30m/d。

第二步，该基坑工程抗突涌安全系数设计要求达到1.1，分别计算当基坑开挖至预定深度-25m时，在不考虑半透水层隔水性(即完全透水)、考虑半透水层完全隔水、部分考虑半透水层隔水等三种情况下抗突涌安全系数分别为：

Fs透水＝(5×17.3)/((40-2)×10)＝0.23；

Fs半透水＝(5×17.3+5×18.9)/380＝0.48；

Fs隔水＝(5×17.3+10×18.9)/380＝0.73；

三种情况下，当开挖至坑底时，满足设计要求的承压水头降深分别为：

ha1＝30.1m；

ha2＝21.5m；

ha3＝13.0m

根据计算可知，该深基坑工程，在开挖过程中，若不降低承压水水头，将引起突涌事故，同时还看到，是否考虑承压含水层上覆半透水层的隔水性能，对抗突涌安全系数计算结果影响很大，水位降深也差别很大，对周边环境的影响也将有显著的差别。

第三步,该深基坑工程，在开挖之前，选择局部区域分别打设了穿透上覆隔水层和穿透半透水层的疏干井5进行了单井及群井抽水试验，并开展了孔压静力触探对比试验，根据试验结果判断，半透水层的弱承压性在疏干降水后基本消失，出于安全考虑，其折减系数取0.8。

根据场地地层组成，上部隔水层1中疏干井降水对象为淤泥质粘性土，单井降水有效面积取150m²，则疏干井数量为：

n＝12463.24/150＝83(口)

承压含水层上覆半透水层2疏干井降水对象为粉质粘土夹粉土粉砂层，单井降水有效面积取200m²,若设计单独疏干井，需疏干井数量：

N2＝12463.24/200＝62(口)

设计中，采用将上部隔水层设计的疏干井延长井深至半透水底板以上2m处(即疏干井底部高程为-38m)，为延长深度后的疏干井6，不单独设计和施工针对半透水层的疏干井，以节约成本并达到预期效果，同时为保证消除半透水层中的承压性，井的数量按83口实施。

第四步，需降承压水的临界开挖深度计算：

Ha临界＝15.4m

即承压含水层上覆地层开挖至15.4m后，需开启减压井7进行降水。基坑工程分层开挖深度按5m计算，则开挖至-20m、-25m时，则满足抗突涌要求的承压水头降深分别为：

H-20＝8.5m，对应水头高程为-10.5m；

H-25＝16.4m,对应水头高程为-18.4m；

基坑总用水量按《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120-2012)》承压非完整井稳定流计算公式计算：

式中，K＝24.5m/d，M-含水层厚度(40m)，SW-水位降深(18.4m)，l-滤管进入含水层深度(14m)；为引用半径；R0＝r0+R＝63+200＝263m，为引用影响半径。

则Q＝68603m³/d

单井出水能力可通过抽水试验确定或按规范方法计算如下：

式中，q-单井涌水量(m³/d)；r-滤管半径(0.15m)；l-有效滤管长度(9m)。

则减压井数量为：n＝1.1*Q/q＝52(口)

承压水减压井的深度计算得：HW＝54m。

第五步，坑内水位降深最大为16.4m，因采用悬挂式止水帷幕4，坑外水位降深较大，根据观测，坑外靠近基坑处最大水位降深为7.2m，相应的土层变形为：

S＝31.68cm

而如果不考虑半透水层的隔水作用，坑内水位降深要求为30.1m，根据数值分析，坑外最大水位降深将达到约20m，相应的土层变形为：

S^/＝88cm。

可见，本实施例既消除了半透水层的承压性及发生突涌的可能性，又有效地控制了深部承压含水层的水头降深，减弱了降水对周边环境的影响，相比普遍采用的承压水大降深方法更简单、实用,便于在类似地层中进行推广,从而为控制基坑降水对周边环境的影响提供了一种有效方法。

应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。