臨近歷史保護建筑基坑降水與實踐

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[摘要]臨近歷史保護建筑基坑環境保護要求高，需要采取合理完善的基坑施工措施以避免基坑施工對歷史保護建筑造成結構性損傷。本文以蘇州地區某鄰近歷史保護建筑地鐵基坑為例，探討在復雜水環境條件下基坑圍護及降水設計與施工實踐。在順利完成基坑施工的同時，保證了歷史保護建筑的安全，為后續類似項目的實施提供了參考。

[關鍵詞]基坑降水；歷史建筑；保護措施

1引言

基坑降水作為基坑施工的重要環節，一旦設計與施工措施不當，可能引起周圍土體的大規模沉降，造成周邊建筑物的傾斜或地下管線的開裂。因此在地下工程修建的過程中，在滿足經濟、技術合理性的基礎上，有效控制基坑降水對周邊環境的影響已成為地下工程施工的重要課題[1-2]。基坑地下水控制主要分為兩部分內容：①有效降低基坑內的地下水位，使基坑內地下水降到開挖面以下0.5～1.0m，保證土方開挖和地下結構的無水施工，承壓水降到安全水位以下，避免承壓水突涌；②控制坑外水位在一定高度，防止地面沉降。因此，需要采用合理的地下水控制措施，有效降低水力聯系，維持坑內外水位在合理位置。

2工程概況

擬建建筑物為地下二層島式站臺車站。車站外包總長246.90m，標準段外包寬20.70m，有效站臺長120.0m、寬12.0m，采用地下二層單柱雙跨矩形框架結構。車站采用沿基坑縱向兩側半蓋挖法施工，標準段開挖深度約16.950～17.336m，小里程端頭井開挖深度約19.140m，大里程端頭井開挖深度為18.820m。場地東側為拙政園，與擬建車站邊線最近距離為6.5m左右，遠小于基坑開挖深度一倍范圍。拙政園作為中國四大名園，具有400多年的歷史，是首批全國重點文物保護單位，被聯合國教科文組織列入《世界遺產名錄》，保護價值極高，一旦被破壞將會造成不可挽回的巨大損失。場地65.40m深度范圍內地基土屬第四紀河泛相、河口～海灣相、濱海相、河口三角洲相、沖積相及湖相沉積物。主要由黏性土、粉土及砂土組成，一般呈水平向分布。車站標準段底板主要落在⑤1a粉質黏土夾粉土層和⑤1粉質黏土層，大、小里程端頭井底板主要落在⑤1粉質黏土層。潛水主要賦存于填土和淺層黏性土中，屬孔隙型潛水，富水性較差。潛水穩定埋深一般為0.90～3.70m。微承壓水主要賦存于第③3層砂質粉土、④2層粉砂中，水量較豐富，微承壓水穩定埋深為2.72m。承壓水賦存于第⑥t、⑦2-1、⑦3t、⑦4層粉土、粉砂層中，第⑥t層承壓水含水層承壓水穩定埋深為4.46m，第⑦2-1層承壓水含水層承壓水穩定埋深為5.47m。根據勘察報告提供資料，拙政園站第⑥t層最淺層頂埋深取24.3m，第⑦2-1層最淺層頂埋深取28.7m，第⑦3t層最淺層頂埋深取38.8m。根據抗突涌計算，需進行第⑥t層、第⑦2-1層的減壓降水，第⑥t層最大水位降深為10.37m，第⑦2-1層最大水位降深為7.63m，如圖1所示。

3圍護及降水設計思路

基坑降水目的如下：（1）將富含淺層填土層及③1、③2的潛水層疏干；（2）將開挖面范圍內的③3粉土夾粉砂及④2粉砂的微承壓水水位疏干；（3）將坑底以下存在突涌風險的承壓水（⑥t、⑦2-1）水位降至安全水位；（4）盡量減少由于減壓降水引起的地表沉降以及降水對周邊建（構）筑物的不利影響；（5）控制降水對坑內坑底土體變形的影響，減少在坑內梁、柱等圍護、支護結構體內產生的附加應力。由于坑內水位降深較大，考慮到降低坑內水位會對坑外水位造成較大影響，主體基坑采用地下連續墻+內支撐的圍護方案，地下連續墻深度為36.5m，地下連續墻底進入⑦3粉質黏土層≥2.0m隔斷承壓水。標準段采用800mm厚地下連續墻，端頭井段采用1000mm厚地下連續墻。本項目降水特點、難點分析及應對措施：（1）潛水及微承壓含水層：本項目開挖深度已揭穿該兩層，并且止水帷幕已完全隔斷該層，采用疏干降水深井形式進行處理，盡可能增加預抽水時間；（2）第⑥t層層厚較小，僅1～2m，且距離⑦2-1層較近，故不單獨布置第⑥t層減壓井，第⑥t、第⑦2-1層采用混合降水井；（3）對第⑥t、第⑦2-1層水位進行減壓降水，圍護均隔斷，采用坑內減壓降水并設置觀測井兼備用井；（4）內外布置微承壓水和承壓水的觀測井，監測降水期間坑內外的水位變化情況；（5）周邊環境較為復雜，周邊建（構）筑物和管線較多，若降低承壓水位會對臨近建筑物及地下管線等造成一定程度的影響，因此降水必須做到按需降水。當環境復雜時，坑外布置的水位觀測井可兼作為應急回灌井。

4三維滲流數值模擬

為了有效降低和控制含水層的水頭，確保基坑開挖施工順利進行，必須進行專門的水文地質滲流計算與分析。根據擬建場地的工程地質與水文地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，設計采用了三維滲流數值法進行計算，為降水設計與施工提供理論依據。利用《VisualMod?ow》三維滲流數值軟件，將模擬區概化成非均質水平向各向同性的三維非穩定地下水滲流系統，將項目1000m外的模型邊界定義為定水頭邊界，水位不變，如圖2所示。根據三維數值模擬結果，由降水引起的坑外最大沉降為1.4mm左右，對外界影響較小，如3所示。

5降水引起地面沉降控制措施

（1）臨近建筑物和地下管線的降水井抽水時間應盡量縮短，按需降水。（2）對坑內外觀測井水位進行實時跟蹤監測，發現問題及時調整抽水井數量及抽水流量，進行按需降水。（3）環境監測資料應及時報送降水項目部，以繪制相關的圖表、曲線，調控降水運行程序，確保基坑開挖安全和環境安全。（4）在降水井施工完成后，應及時進行試運行，詳細制定降壓降水的運行方案。（5）在降水運行過程中隨開挖深度逐步降低潛水水頭，以減小和控制降水對環境的影響。（6）對各種管線、需要保護的建筑、地下連續墻等，必須由專業監測單位進行監測。（7）基坑施工過程中，如上部圍護結構發生滲漏或嚴重滲漏，總包應及時采取封堵措施，以避免導致基坑外側淺層潛水位發生較大幅度下降以及由此加劇坑外的地面沉降。（8）當坑外觀測井內的水位下降超過自然變化的最大值時，應加密監測次數。6降水運行對歷史建筑物的影響根據生產性抽水試驗結果，減壓井群井抽水時對基坑內外觀測井進行水位觀測，初始水位埋深6.2米，運行1天后，水位降深至16.5米時（減壓井降深水位超過施工方案開挖最深水位）停止抽水試驗并進行水位恢復實驗，水位恢復速率為每小時0.1-0.15米左右，2天后恢復至9.7米。坑內減壓井抽水時，坑外觀測井水位未見明顯下降，其中變化最大的G11觀測井，水位下降0.1米。實際基坑開挖降水運行過程中，坑外觀測井水位下降幅度較小，最大降深僅為0.27m，說明止水帷幕有效隔斷了坑內外水力聯系，止水效果良好。根據監測數據，工程結束時，各點沉降最大6mm，基坑開挖及降水施工對周邊環境影響較小，未對周邊保護建筑造成明顯結構損傷，如圖4所示。

7結論

通過蘇州地區某臨近歷史保護建筑的基坑圍護與降水設計施工實踐，得出以下結論。（1）多層含水層應分別布置降水井，分層分區域按需降水，盡量在保證工程安全的前提下縮短降水時間，有利于對周邊地下水環境保護。（2）基坑止水帷幕需要具有良好的可靠性，確保能夠有效降低坑內外水力聯系，避免坑內降水對坑外水位造成較大影響。（3）降水井施工完成后基坑正式開挖前應進行生產性抽水試驗，驗證止水帷幕的有效性和基坑降水井布置的合理性，一旦試驗結果與預測不符，需要及時修改降水設計或進行圍護加固，以達到降水目的。（4）本項目工程施工對臨近保護建筑影響很小，為類似工程提供了參考和借鑒，具有良好的社會效益和環境效益。

參考文獻

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作者：王登科 靳軍文 章銀濤 單位：中鐵十五局集團有限公司 上海長凱巖土工程有限公司