基于中心岛施工工法下的基坑止降水技术研究

 周鹏华1,2，朱海军1,2，李继承1，2，黄晓程1,2

（1．中建三局集团有限公司工程总承包公司，湖北  武汉  430070；2．湖北中建三局建筑工程技术有限责任公司，湖北  武汉430070）

[摘要]以武汉市凯德广场深基坑工程为依托，采用三维有限元Midas GTS NX软件和现场监测数据对比分析，研究了在武汉二元复杂地质条件下，中心岛法施工基坑采用不同止水帷幕时基坑内外水位和孔隙水压力变化规律。研究了TRD止水帷幕和三轴搅拌桩止水帷幕坑外沉降规律和止水效果；同时总结了超大型基坑采用中心岛法施工时，所采用的分区开挖、分区降水技术。

[关键词]深基坑；中心岛法；地下水；降水；有限元分析

[中图分类号]TU753[文章编号]1002-8498( 2016)07-0040-05

0  引言

 基坑止降水是伴随基坑支护和开挖施工而产生的，好的基坑止水设计与施工不仅可以减少基坑开挖施工过程中对周边环境的影响，也可以确保基坑安全施工和节省工程造价。

 深基坑降水不仅涉及基坑内部正常施工和基坑安全问题，也涉及基坑周边环境沉降问题。从确保基坑内部正常土方开挖、结构施工和基坑安全的角度来看，大量的基坑内部抽取地下水、降低基坑内水位有利于基坑开挖施工；但从保护周边建筑环境和经济的角度，大面积、大体量抽取地下水将造成周边环境严重沉降和资源浪费。

 现阶段对深基坑降水研究主要针对坑内外土体降水过程中的渗流场、水土渗流耦合、固结沉降等问题，主要涉及基坑降水机理、基坑降水诱发坑外沉降机理等理论研究问题；但在涉及基础理论研究之外，优化的止降水设计、合理经济的现场施工工序部署、监测与施工相结合的动态降水施工技术等也都值得总结研究，以便从施工和设计的角度来解决复杂深基坑的止降水技术问题。

 本文以武汉凯德广场古田项目深基坑工程为背景，采用三维有限元软件和现场监测对比分析，研究了在武汉二元复杂地质条件下，中心岛法施工设计基坑的TRD止水帷幕和三轴搅拌桩止水帷幕止水效果，坑外沉降差异等问题；同时也总结研究了中心岛法施工基坑，土方开挖和地下水位监测相结合的分区降水技术。

1  工程概况

 凯德广场基坑普挖深度15. 9m，局部坑中坑开挖深度17. 6m，属于超深基坑。基坑东侧为古田二路高架桥、基坑北侧为轻轨1号线，基坑开挖面积6万m2，采用中心岛法全顺作施工。

 基坑支护体系采用双排桩结合坑内留土、基坑四角采用桩撑支护的形式。基坑东侧、北侧采用700mm等厚度水泥土搅拌墙止水帷幕，深度50m。其他侧采用三轴搅拌桩止水帷幕。

 基坑降水设计：基坑内设置92口（管井）深井减压井，43口（真空管井）浅井疏干井；基坑内设置8口（管井）观测井兼做备用减压井。

2水文地质条件

 场地地貌单元属于长江左岸冲积一级阶地。场地地下水按其赋存条件分为上层滞水、孔隙承压水两种类型。其中上层滞水主要赋存于①杂填土层之中，孔隙承压水主要赋存于场地③1粉细砂层及③2砾砂含卵石层中，以②1黏土、②2黏土、②3粉质黏土夹粉土粉砂层为相对隔水层。②2层下含有粉土、粉砂，呈稍密状，颗粒松散，渗透性较强，且与下部砂土连通，与砂土构成统一的承压含水层，在渗透水流作用下易产生流土、流砂。场地地下水与长江有较强的互补关系，动储量丰富，有较高的水头压力。

3  止水帷幕选型及止水效果有限元对比分析

 在基坑周边环境空旷、岩土水文地质条件较好的条件下，一般不落底的三轴搅拌桩止水帷幕基本满足要求，保障基坑正常施工和周边环境安全；但在类似武汉长江一级阶地等地下水丰富的富水水文地质条件下，在类似凯德广场等紧邻轨道交通线高架的基坑工程中，相邻构筑物侧必须采取有效的止水帷幕形式，以减小基坑周边环境沉降，落底式的地下连续墙和TRD帷幕是首选的帷幕形式。

 凯德广场基坑工程东北侧紧邻武汉轨道交通1号线和古田二路高架，南西两侧为空旷在建工地，东北两侧坑外沉降控制要求较高，西南两侧较低，最终采用的设计方案为，东北两侧采用大深度TRD帷幕以减小基坑外沉降，西南两侧采用一般三轴搅拌桩止水帷幕。

 为了对比分析TRD止水帷幕和一般三轴搅拌桩止水帷幕止水效果和对控制基坑外沉降的效果，应用Midas GTS NX有限元软件，采用应力一渗流耦合模型，对基坑中部南北两侧建模计算，以对比坑外沉降值、地下水水位、孔隙水压力值等参数变化规律，计算模型如图1所示。分析对比TRD落底式止水帷幕和一般非落底式止水帷幕坑外沉降，探讨TRD落底式止水帷幕在富水水文地质条件下保障基坑周边环境的效果。

 有限元模型如下：以基坑中部南北两侧支护体系为数值模拟计算模型，模型深度106m，宽度为20m，长度为1 060m；其中土体参数及双排桩设计参数完全按实际工程参数取值，双排桩桩长为27. 75m，桩径1m，桩间距1.5m，桩顶按1:1放坡2m，冠梁尺寸1.2m×0.8m，连梁尺寸1m×0.8m；TRD止水帷幕深度为50m，厚度为0.7m；三轴搅拌桩止水帷幕采用桩径0. 8m，按中心距0.65m咬合施工，模型中采用厚度0. 8m、深度26m的长方体单元等效计算，同时考虑桩间加固体高压旋喷桩的止水效果；基坑开挖普设深度取15. 9m，坑中坑开挖深度取17. 6m，预留土体高5m，上宽10m，下宽15m，坡前按1：1放坡，并以三轴加固，预留土体顶面深度9. 4m；双排桩顶放坡段因实际工况采用混凝土喷锚支护，所以在模型中建模坡面的混凝土薄板，起止水和挡土作用以符合实际工况；基坑外施加15kPa的基坑外荷载。各土层物理力学指标及水力学计算参数如表1所示。

1)从模型计算得到的地下水总水头值和坑外总水头值离基坑壁水平距离变化曲线（见图2）可以看出，因TRD止水帷幕和三轴搅拌桩止水帷幕入土深度、是否进入坑底承压含水层隔水底板等工况因素的不同，导致基坑外侧地下水总水头值存在较大差异。

 2) TRD止水帷幕因人土深度大，并进入坑底强风化隔水层，导致基坑内抽水降水过程中，北侧坑外地下水水位几乎没有下降，总水头值几乎不变；三轴止水帷幕因入土较浅，基坑内降水将导致基坑外侧水位下降，在近基坑处总水头随距离基本呈上凹型，在离基坑一定距离以外，地下水总水头值基本呈线性变化。

  3)因南北两侧止水帷幕深度存在很大差异，止隔水效果也存在很大差异，在基坑北侧未彻底隔水的情况下，坑内降水主要引起南侧坑外地下水的水位变化；基坑深井减压降水井布设，应该更多考虑南侧坑内降水，降水井布设较一般基坑应该更多向南侧偏移，可以取得更好的效果。

  4)在类似基坑工程中，若基坑不同边界存在较大深度差异的止水帷幕时，基坑降水井布设可以更多考虑向浅止水帷幕侧布设。

  坑内外土体孔隙水压力如图3所示，图3中孔隙水压力为负值表示该处地下水存在向下流动的趋势，并且对周边土体产生向下的黏滞力和侧摩阻力，造成对周边土体向下的孔隙水压力作用，即有带动土体向下运动的趋势，从而土体有效应力为总应力值加上孔隙水压力的绝对值，造成有效应力增大，土体压缩沉降。

4 TRD和三轴帷幕坑外沉降分析

 坑外土体沉降规律变化曲线如图4所示，可以看出，北侧沉降最大值为21. 54mm，南侧沉降最大值为32. 29 mm，从而可以看出基坑外水位降深差异及水力梯度差异对坑外土体沉降值的影响非常大。

  两侧的坑外土体沉降曲线变化规律相似。基坑南侧沉降曲线完全位于北侧沉降曲线之下，反映了基坑南侧因止水帷幕浅而造成坑外沉降的范围更广、沉降量更大。

  统计了基坑西南角侧和北侧离基坑20m处两分层沉降监测点数据，绘制成分层沉降监测曲线如图5所示，因基坑南侧为正施工工地，无法设置基坑监测点，所以用基坑西南角监测点代替比较，基坑西侧同为三轴搅拌桩止水帷幕，深度也同南侧。

  从监测曲线可以看出：北侧TRD帷幕外沉降最大值为25mm左右，基坑西侧沉降最大值为40mm左右，两侧沉降差值较大。

  从沉降值随深度变化规律可以看出，三轴搅拌桩外侧土体沉降主要发生在23m以上，变化率最大区段为12~23m。TRD帷幕坑外沉降变化率区段在7～40m，可以看出，TRD帷幕因深度较大，降水和沉降影响区段明显较三轴帷幕要大，但变化幅度要小，影响深度范围内沉降更均匀。

5超大型中心岛法开挖基坑分区降水技术

 一般基坑降水井布设思路以基坑所需要的最大降深来布设降水井，通过调整降水井位置来最大限度减少降水井数量；本工程因基坑开挖面积超大，采用配合土方开挖方案的降水井布设思路，即按土方开挖平面分区，分区设计降水井，考虑基坑分区分层土方开挖的特点，使降水井满足在基坑分区开挖某区域土体到达特定深度时，开启该部分区域中全部或者部分降水井便可以达到需要的地下水降深。

 本基坑开挖面积达6万m2，为了降低工程造价、便利施工、缩短工期，基坑设计主要采用中心岛法基坑开挖施工模式，结合水平分区、竖向分层的土方开挖方式，将基坑在水平向分成9大开挖区，如图6所示，在竖向分3大层开挖，小区域坑中坑按4层开挖。基坑降水井平面布设，以9大区为基础，保障每一区域开挖时，开启该区及周边区域部分或全部降水井时，可以达到土方开挖对地下水降深的需求。降水井参数如表2所示。

 在基坑土方开挖第1阶段，开挖A3区至-5.500m，此时开启A2，A3，A4区部分疏干井及部分降水井。通过观测基坑内部观测井和部分降水井内地下水水位，运用surfer软件将监测得到的坑内水位绘制成等高线图，网格化后生成三维的地下水位等值面图。从等值面图和网格图中可以看出此时基坑周边地下水水位在-2.000m，基坑西南角地下水水位在-6.200m。降水井开关状态统计如表3所示。

  土方开挖第2阶段，西南角A3区向A2，A4，B2区推进，此时开启A2，A3，A4，B2区部分疏干井及部分降水井，开挖至- 10. 500m时地下水位等值线图如图7所示，出此时基坑周边地下水水位在-2.000m左右，基坑西南角A3区地下水水位在- 10. 500m左右。降水井开关状态统计如表4所示。

当土方开挖处于第3阶段，A3区土方开挖至基坑底- 15. 900m，土方开挖流向为A3→A2→B2．A4→A1→B2，此时开启A1，A2，A3，A4，B2区部分疏干井及部分降水井，此时基坑周边地下水水位在-2.000m左右，基坑西南角A3区地下水水位在- 17. 000m，A2，A4区在- 12. 000m左右，满足基坑土方开挖要求。降水井开关状态统计如表5所示。

  当土方开挖处于第4阶段，A3，A2，A4，B2区至基坑底- 15. 900m，由A3→A2→B3，A3→A4 →A1流水开挖，此时开启A3，A2，A4，B2，A1，B3区疏干井及部分降水井，基坑周边地下水水位在-8.000m左右，基坑A3，A2，A4，B2区及Al，B3区部分区域地下水水位在- 18. 000m。降水井开关状态统计如表6所示。

 基坑土方开挖处于第5阶段，开挖T2和SOHO塔楼至坑中坑底标高- 17.600 mm，此时再额外开启两坑中坑附近6口降水井，此时基坑周边地下水水位在-8.000m左右，基坑A3，A2，A4，B2区及Al，B3区部分区域地下水水位在- 17. 000m，坑中坑地下水位在- 19.000m左右。降水井开关状态统计如表7所示。

6  结语

 本文以武汉市凯德广场深基坑工程为依托，总结了超大型基坑中心岛法施工时基坑竖向止水帷幕选型以及基坑内分区开挖、分区降水井布设的设计经验得出以下一些结论，可为基坑降水设计与施工提供参考。

 1)在临江临湖的富水地区超大型基坑中，对坑外沉降控制要求不同时，基坑各边可采用不同的止水帷幕设计形式，在沉降量控制要求较高部位可采用类似TRD等落底式止水帷幕。

 2)止水帷幕深度越大，基坑降水过程中坑外水位降深越小、总水头值和孔隙水压力变化越小，基坑外土体沉降也越小。

 3)在基坑不同边界存在较大深度差异的止水帷幕时，基坑降水井可以更多考虑向浅止水帷幕侧布设。

 4)在中心岛法开挖的超大型基坑中可以很好地实现分区开挖、分区降水，即按土方开挖的分区为基础布设降水井位置，在不同的土方开挖阶段，开启不同位置和数量的降水井，来满足土方开挖要求，以达到分区土方开挖各个阶段开启的该区域及周边的降水井数量最优的目的。