基坑開挖過(guò)程中降水方案最優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

蔡忠強(qiáng)

摘要：基坑項(xiàng)目的開挖環(huán)節(jié)里，如果承壓的含水層，其上覆壓的應(yīng)力比水頭的壓力低，那么承壓水的水頭就會(huì)破壞基坑的底部，引發(fā)突涌的隱患。為了基坑施工安全，必須通過(guò)降水措施來(lái)降低水頭壓力。但在降水的同時(shí)，不可避免地會(huì)對(duì)周邊土層造成影響，尤其是基坑的四周，有著關(guān)鍵的建筑物體，對(duì)變形的要求會(huì)非常嚴(yán)格。因此，基坑降水是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，必須合理設(shè)計(jì)降水量，既能保證基坑底板的安全，又可以確保四周的建筑結(jié)構(gòu)降低變形的概率。本文采用了最優(yōu)化法對(duì)基坑降水方案進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：突涌降水最優(yōu)化約束

由于基坑支護(hù)工程為臨時(shí)性工程，往往基礎(chǔ)資料匱乏，在勘察階段，對(duì)水文地質(zhì)的勘探比較簡(jiǎn)陋或粗略。因此，在降水設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者無(wú)法對(duì)地下水進(jìn)行正確的定量分析，或者采用簡(jiǎn)化的計(jì)算方法，甚至對(duì)某些參數(shù)依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)取值。鑒于基礎(chǔ)資料的缺失與降水問(wèn)題的復(fù)雜性，應(yīng)尋找一種既科學(xué)又經(jīng)濟(jì)的新方法。

1 工程概況

北京市副行政辦公區(qū)，地?zé)帷皟赡堋惫帷⒐├涞臒岜庙?xiàng)目，地點(diǎn)是通州區(qū)運(yùn)河?xùn)|大街，基礎(chǔ)埋深為-21.05～23.70m，實(shí)際挖深17.45m，工程內(nèi)容主要是護(hù)坡、降水。

1.1 基坑圍護(hù)體系的特點(diǎn)

本項(xiàng)目的圍護(hù)部分，其設(shè)計(jì)的方式需要按照作業(yè)安全、實(shí)施可靠、合理投資、作業(yè)可行性高、并且快速的原則，在確保邊坡的穩(wěn)定程度及安全的條件下，選取相對(duì)經(jīng)濟(jì)、并且可行性高的基坑項(xiàng)目圍護(hù)部分的設(shè)計(jì)方式。依據(jù)作業(yè)實(shí)施場(chǎng)地的具體狀況，本工程有如下特點(diǎn)。

（1）本工程施工工序多，包括降干井、護(hù)坡的樁、預(yù)應(yīng)力的錨桿、土體開挖項(xiàng)目，作業(yè)的任務(wù)多，工期很趕，每個(gè)工序間需要配合合理，才可以確保作業(yè)實(shí)施的順利。

（2）基坑作業(yè)實(shí)施結(jié)束，主體的結(jié)構(gòu)應(yīng)該要過(guò)段時(shí)間，才可以作業(yè)到地面工程，基坑項(xiàng)目的作業(yè)實(shí)施周期長(zhǎng)，其支護(hù)難以參考臨時(shí)的作業(yè)實(shí)施設(shè)計(jì)，必須保持基坑的支護(hù)安全性高、并且穩(wěn)定性合理。

2 地下水處理設(shè)計(jì)

2.1 地下水影響分析

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)區(qū)內(nèi)第一層孔隙潛水水位標(biāo)高按10.97m考慮，擬建項(xiàng)目基坑槽底位于潛水水位以下，為保證基坑開挖的安全，需要把潛水的水位，減少到基坑槽的底部，不能小于1m的范圍[1]。

2.2 降水方案確定

結(jié)合場(chǎng)地條件及開挖工況，使用封閉式的管井降水措施。降水井設(shè)置于支護(hù)部分的外面，井中心軸線距坡頂外緣2～3m。為確保封閉降水效果，在基坑?xùn)|側(cè)內(nèi)部間隔15m布置降水井，輔助降水。

2.3 計(jì)算基坑涌水量

使用潛水非完整的井模式，測(cè)算基坑的涌水?dāng)?shù)據(jù)，測(cè)算結(jié)果詳見表1。

2.4 降水設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，確定基坑降水設(shè)計(jì)參數(shù)，詳見表2。

2.5 基坑降水輔助措施

2.5.1 基坑壁余水處理

基坑底部周圍應(yīng)留有明溝和集水井，以保證基坑內(nèi)干槽的安全運(yùn)行。井（尺）深1.0～1.2m，井徑0.70～0.80m，集水井可裝鋼包尼龍網(wǎng)過(guò)濾器和排水溝，防止積聚淤泥，便于集水。

2.5.1 防止基坑地面滲漏的措施

基坑頂部5m范圍內(nèi)不得設(shè)置渡槽，現(xiàn)場(chǎng)所有水道必須排干，使水進(jìn)入下水管道。堵住基坑周圍的防空通道、上下管道和加熱溝，并排干積水，防止流入基坑[2]。

3 降水井施工方案

3.1 工藝流程

工藝流程如圖1所示。

3.2 施工技術(shù)

3.2.1 挖泥漿池

結(jié)合作業(yè)區(qū)域內(nèi)的條件，在基坑中，距離降水井大概3m的位置，開挖泥漿池，每1～3口井使用同樣的泥漿池。

3.2.2 挖探坑

需要清理井周圍中的雜物，需要在井的位置開挖探坑，坑的直徑控制在800mm，深度在1.0～1.5m，如果井口的土體不緊實(shí)，需要布設(shè)護(hù)筒裝置，防止泥漿的浸泡，把孔口沖刷，出現(xiàn)坍塌的問(wèn)題。

3.2.3 鑿井

脫水井采用反循環(huán)鉆機(jī)鉆孔，地層為自產(chǎn)泥漿保護(hù)井壁。在施工過(guò)程中，如果地泥不符合護(hù)墻要求，應(yīng)選用護(hù)墻性能好的赭石或人工泥漿。井徑至少為600mm，井眼必須筆直垂直，孔深與設(shè)計(jì)井深的誤差小于300mm。

3.2.4 吊放井管

大口徑排水井的井管采用鋼管制成，將井管置于混凝土預(yù)制支架上，在地板中央安裝中間導(dǎo)軌，四周用螺栓固定8號(hào)線，并連接管頭與井口相差200mm時(shí)的接縫。井管和接縫被壓入沙子中，并用玻璃布粘合，以防止井管中的沉積物，并用24根30mm寬的竹條垂直固定井管。為防止上下錯(cuò)位，應(yīng)在下管前的方向架設(shè)井管。起吊井管必須垂直保持在井眼中心，讓防水水泥砂或異物進(jìn)入井內(nèi)，井管必須覆蓋井口離地面200mm的高度[3]。

3.2.5 填濾料

井管進(jìn)入后立即填充濾料。濾料均勻地填充在井眼周圍，必須保持連續(xù)才能將泥漿擠出井眼。加注過(guò)濾介質(zhì)時(shí)，應(yīng)與加注一起測(cè)量過(guò)濾介質(zhì)的高度，如果加注量與理論計(jì)算量不符，應(yīng)及時(shí)查明原因。不要用裝載機(jī)直接裝料和使用。鏟墻切割材料，以防止不平整或沖擊井。

3.2.6 洗井

井制成之后，需要使用污水泵設(shè)備，實(shí)施反復(fù)的恢復(fù)性清洗作業(yè)，直到清洗的水干凈，沒(méi)有雜質(zhì)才行。

3.2.7 水泵安裝

潛水泵設(shè)備使用尼龍繩，探入井中，布設(shè)好電纜與電閘箱設(shè)備，安置好漏電的保護(hù)程序。

3.2.8 鋪設(shè)排水管網(wǎng)

排水管網(wǎng)以鋼管為主要排水管，管徑為150mm。排水管置于井外，托盤間距5～8m，排水管置于中心。井被提供并覆蓋有保護(hù)襯里。在排水管道拐角處設(shè)置沉淀池，連接排水管網(wǎng)和城市管道。沉淀池可以用鐵桶制作，如果使用砌磚池，則必須防水。

3.2.9 抽降

實(shí)施聯(lián)網(wǎng)抽水降水之后，需要隨時(shí)觀察水位的情況，有無(wú)變化，控制好水泵設(shè)備的啟動(dòng)。

3.2.10 水位觀測(cè)

實(shí)施抽水之前，需要觀察好靜止的水位數(shù)據(jù)，開始抽水的時(shí)期，每天的早晚7點(diǎn)進(jìn)行2次觀測(cè)的作業(yè)，水位在穩(wěn)定之后，實(shí)施每天1次的觀測(cè)作業(yè)。

3.3槽中井封井方案

由于槽中井疏干井必須穿透底板，因此在地下結(jié)構(gòu)工程進(jìn)行一定高度時(shí)要采取封井措施，以保證地下主體結(jié)構(gòu)的完整性。

3.3.1 封井前提條件

結(jié)構(gòu)的底板需要實(shí)施混凝土的澆筑作業(yè)，并且混凝土的強(qiáng)度已滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上;主體的荷重已達(dá)到相應(yīng)水位的抗浮要求，封井后不致影響后澆帶的正常施工。

3.3.2 封井程序及方法

隨著土石方下挖，逐段截?cái)嘤嘞碌匿撝凭埽軜?biāo)高保持在底板標(biāo)高;檢查井管止水圈是否滿足設(shè)計(jì)要求;已綁完底板鋼筋并澆筑完混凝土;底板混凝土養(yǎng)護(hù)并達(dá)到封井條件。準(zhǔn)備好封井材料，為干拌混凝土，標(biāo)號(hào)達(dá)到底板設(shè)計(jì)強(qiáng)度及抗?jié)B標(biāo)號(hào)或提高一個(gè)標(biāo)號(hào)，并適當(dāng)添加早強(qiáng)劑，使初凝時(shí)間控制在45min;從某一側(cè)開始封井，隔一個(gè)封一個(gè);迅速拔出水泵，并倒入干拌混凝土，然后振搗密實(shí)，最后，井口用同強(qiáng)度標(biāo)號(hào)砂漿抹平[4]。

4 地基加固和基坑支護(hù)及降水設(shè)計(jì)的建議

4.1 做好精細(xì)化管理

“質(zhì)量安全大于天”，這是建筑業(yè)永恒不變的根基和真理。工程質(zhì)量不過(guò)關(guān)是間接殺人的行徑。而在精細(xì)化管理面前，建筑質(zhì)量應(yīng)該做到意識(shí)、制度、監(jiān)管、行為4個(gè)方面的完全確立。

（1）在意識(shí)方面，要向每一位施工者、檢查者和管理者都闡明質(zhì)量的重要性。通過(guò)大量的國(guó)內(nèi)外因建筑質(zhì)量不過(guò)關(guān)而導(dǎo)致重大安全事故的案例來(lái)警醒他們質(zhì)量第一的重要性。同時(shí)，對(duì)于建筑質(zhì)量中的一些灰色地帶如水泥質(zhì)量問(wèn)題、欺瞞和收買質(zhì)檢人員等細(xì)節(jié)性問(wèn)題進(jìn)行闡明，同樣，通過(guò)案例說(shuō)明這些行為的危害極大，以警示相關(guān)人員。（2）在制度方面，管理者應(yīng)通過(guò)發(fā)現(xiàn)實(shí)際施工和檢查過(guò)程中出現(xiàn)的易被忽視問(wèn)題來(lái)完善制度。制度的監(jiān)管要嚴(yán)格執(zhí)行，發(fā)現(xiàn)新的問(wèn)題無(wú)法被制度所解釋和約束時(shí)應(yīng)該及時(shí)報(bào)告，絕不能利用漏洞投機(jī)取巧。（3）對(duì)于監(jiān)管人員的思想教育也要到位，應(yīng)銘記“制度是用來(lái)遵守的，而不是用來(lái)尋找漏洞后進(jìn)行利用的?！保?）行為上應(yīng)加強(qiáng)引導(dǎo)，盡可能地讓相關(guān)人員達(dá)到一種“無(wú)意識(shí)”（最低要求為“下意識(shí)”）遵守規(guī)則的行為，而為鞏固這一“無(wú)意識(shí)”或“下意識(shí)”地遵守規(guī)章制度的行為，必須加強(qiáng)前上述其他3個(gè)方面的影響力[5]。

4.2 設(shè)立配套管理機(jī)構(gòu)

在精細(xì)化管理部門的設(shè)立過(guò)程中，需要將有關(guān)的項(xiàng)目經(jīng)理作為主負(fù)責(zé)者，將其下屬的質(zhì)量監(jiān)督者作為相關(guān)項(xiàng)目工程師來(lái)進(jìn)行新的精細(xì)化部門的組建。明確部門職責(zé)范圍，將工程技術(shù)試驗(yàn)、物資調(diào)配、施工計(jì)劃設(shè)計(jì)、建筑質(zhì)量檢查及施工技術(shù)發(fā)展等部分作為下屬分支機(jī)構(gòu)。項(xiàng)目經(jīng)理對(duì)這些下屬機(jī)構(gòu)的工作質(zhì)量和進(jìn)度進(jìn)行負(fù)責(zé)，而工程師應(yīng)該配合新的質(zhì)量監(jiān)督者領(lǐng)導(dǎo)人——施工隊(duì)長(zhǎng)來(lái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的施工工作進(jìn)行負(fù)責(zé)，這樣將原有的職務(wù)進(jìn)行重新劃分，并通過(guò)下屬辦公室進(jìn)行職責(zé)細(xì)化，達(dá)到精細(xì)化管理的目的，保證總體質(zhì)量的優(yōu)異。

4.3 運(yùn)用深地基基礎(chǔ)施工技術(shù)

該技術(shù)由于通過(guò)其進(jìn)行側(cè)向支撐的樁墻與內(nèi)部支撐所組合而成的樁撐體系來(lái)進(jìn)行地基施工，因而其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，且在施工范圍擴(kuò)大的同時(shí)還對(duì)地基施工質(zhì)量提供保障。在地基施工技術(shù)方面的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列基本原則。

（1）負(fù)荷原則。該原則指的是道路工程中的地基建設(shè)必須要對(duì)其所能夠承受各類力的最大范圍給出相應(yīng)準(zhǔn)確數(shù)值，同時(shí)在建設(shè)地基時(shí)應(yīng)對(duì)地基所承受的力量值進(jìn)行檢測(cè)，如果可能出現(xiàn)或者已經(jīng)出現(xiàn)超過(guò)地基可承受力量數(shù)值范圍的情況，應(yīng)立刻將注意力放置在降低地基所受力量的方面上。等到地基可承受力量恢復(fù)到正常值之后，再進(jìn)行施工。由于地基在超出力量負(fù)荷之后往往會(huì)發(fā)生地基土剪切與地質(zhì)穩(wěn)定和平衡性上的破壞，因此必須對(duì)負(fù)荷原則進(jìn)行首要堅(jiān)持。

（2）遏制原則。該原則讓由于建設(shè)地基而引發(fā)的部分地質(zhì)結(jié)構(gòu)損壞的問(wèn)題能夠得到遏制，為達(dá)到這一目的，施工人員必須對(duì)地面開采的次數(shù)和掘土量進(jìn)行有效把握，通過(guò)對(duì)地面和地下形變程度進(jìn)行人為控制，保證地基的承受能力不會(huì)下降，做好地基加固和基坑支護(hù)的降水設(shè)計(jì)工作。

（3）監(jiān)測(cè)原則。該原則是指通過(guò)對(duì)地基的基礎(chǔ)不間斷進(jìn)行有關(guān)地基耐久度、地基強(qiáng)度等方面的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，從而使建設(shè)在該地基上面的建筑或路段能夠在結(jié)構(gòu)上得到契合。負(fù)荷、遏制和監(jiān)測(cè)是目前地基加固和基坑支護(hù)的降水設(shè)計(jì)工程中應(yīng)遵循的基本原則。

5 基坑降水設(shè)計(jì)所需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素

（1）需考慮場(chǎng)地周圍既有建筑物的高度、分布和結(jié)構(gòu)，以及這些建筑物與基坑工程的距離。當(dāng)基坑周圍的地下設(shè)施，包括電纜和管道設(shè)計(jì)用于降水時(shí)，也應(yīng)考慮其排水通道和供電。對(duì)于基坑降水，設(shè)計(jì)方案起到較強(qiáng)的抑制作用，有效考慮這些因素可以更具體地保證周圍建筑物和地下設(shè)施的安全。（2）考慮基坑的土體結(jié)構(gòu)和地下水分布，包括土體的形成條件、顆粒含量和土體結(jié)構(gòu)、不同基坑、不同區(qū)域不同土層、不同深度和滲透系數(shù)等。如果滲透系數(shù)的計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確，很可能導(dǎo)致基坑降水方案的設(shè)計(jì)誤差。如果水壓估算錯(cuò)誤或?qū)又車牡刭|(zhì)水文資料了解不充分，基坑降水方案設(shè)計(jì)將發(fā)揮不了實(shí)際作用[6]。

6 結(jié)語(yǔ)

總而言之，應(yīng)充分發(fā)揮信息化施工技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，根據(jù)工程水果現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，進(jìn)行基坑降水設(shè)計(jì)的優(yōu)化，不僅確保了基坑降水設(shè)計(jì)方案的切實(shí)可行，同時(shí)也促進(jìn)了基坑降水施工安全性的有效提升。所以，必須設(shè)計(jì)合理的基坑降水方法，才能確?；娱_挖施工的順利進(jìn)行。

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