临近历史保护建筑基坑降水与实践

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[摘要]临近历史保护建筑基坑环境保护要求高，需要采取合理完善的基坑施工措施以避免基坑施工对历史保护建筑造成结构性损伤。本文以苏州地区某邻近历史保护建筑地铁基坑为例，探讨在复杂水环境条件下基坑围护及降水设计与施工实践。在顺利完成基坑施工的同时，保证了历史保护建筑的安全，为后续类似项目的实施提供了参考。

[关键词]基坑降水；历史建筑；保护措施

1引言

基坑降水作为基坑施工的重要环节，一旦设计与施工措施不当，可能引起周围土体的大规模沉降，造成周边建筑物的倾斜或地下管线的开裂。因此在地下工程修建的过程中，在满足经济、技术合理性的基础上，有效控制基坑降水对周边环境的影响已成为地下工程施工的重要课题[1-2]。基坑地下水控制主要分为两部分内容：①有效降低基坑内的地下水位，使基坑内地下水降到开挖面以下0.5～1.0m，保证土方开挖和地下结构的无水施工，承压水降到安全水位以下，避免承压水突涌；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，有效降低水力联系，维持坑内外水位在合理位置。

2工程概况

拟建建筑物为地下二层岛式站台车站。车站外包总长246.90m，标准段外包宽20.70m，有效站台长120.0m、宽12.0m，采用地下二层单柱双跨矩形框架结构。车站采用沿基坑纵向两侧半盖挖法施工，标准段开挖深度约16.950～17.336m，小里程端头井开挖深度约19.140m，大里程端头井开挖深度为18.820m。场地东侧为拙政园，与拟建车站边线最近距离为6.5m左右，远小于基坑开挖深度一倍范围。拙政园作为中国四大名园，具有400多年的历史，是首批全国重点文物保护单位，被联合国教科文组织列入《世界遗产名录》，保护价值极高，一旦被破坏将会造成不可挽回的巨大损失。场地65.40m深度范围内地基土属第四纪河泛相、河口～海湾相、滨海相、河口三角洲相、冲积相及湖相沉积物。主要由黏性土、粉土及砂土组成，一般呈水平向分布。车站标准段底板主要落在⑤1a粉质黏土夹粉土层和⑤1粉质黏土层，大、小里程端头井底板主要落在⑤1粉质黏土层。潜水主要赋存于填土和浅层黏性土中，属孔隙型潜水，富水性较差。潜水稳定埋深一般为0.90～3.70m。微承压水主要赋存于第③3层砂质粉土、④2层粉砂中，水量较丰富，微承压水稳定埋深为2.72m。承压水赋存于第⑥t、⑦2-1、⑦3t、⑦4层粉土、粉砂层中，第⑥t层承压水含水层承压水稳定埋深为4.46m，第⑦2-1层承压水含水层承压水稳定埋深为5.47m。根据勘察报告提供资料，拙政园站第⑥t层最浅层顶埋深取24.3m，第⑦2-1层最浅层顶埋深取28.7m，第⑦3t层最浅层顶埋深取38.8m。根据抗突涌计算，需进行第⑥t层、第⑦2-1层的减压降水，第⑥t层最大水位降深为10.37m，第⑦2-1层最大水位降深为7.63m，如图1所示。

3围护及降水设计思路

基坑降水目的如下：（1）将富含浅层填土层及③1、③2的潜水层疏干；（2）将开挖面范围内的③3粉土夹粉砂及④2粉砂的微承压水水位疏干；（3）将坑底以下存在突涌风险的承压水（⑥t、⑦2-1）水位降至安全水位；（4）尽量减少由于减压降水引起的地表沉降以及降水对周边建（构）筑物的不利影响；（5）控制降水对坑内坑底土体变形的影响，减少在坑内梁、柱等围护、支护结构体内产生的附加应力。由于坑内水位降深较大，考虑到降低坑内水位会对坑外水位造成较大影响，主体基坑采用地下连续墙+内支撑的围护方案，地下连续墙深度为36.5m，地下连续墙底进入⑦3粉质黏土层≥2.0m隔断承压水。标准段采用800mm厚地下连续墙，端头井段采用1000mm厚地下连续墙。本项目降水特点、难点分析及应对措施：（1）潜水及微承压含水层：本项目开挖深度已揭穿该两层，并且止水帷幕已完全隔断该层，采用疏干降水深井形式进行处理，尽可能增加预抽水时间；（2）第⑥t层层厚较小，仅1～2m，且距离⑦2-1层较近，故不单独布置第⑥t层减压井，第⑥t、第⑦2-1层采用混合降水井；（3）对第⑥t、第⑦2-1层水位进行减压降水，围护均隔断，采用坑内减压降水并设置观测井兼备用井；（4）内外布置微承压水和承压水的观测井，监测降水期间坑内外的水位变化情况；（5）周边环境较为复杂，周边建（构）筑物和管线较多，若降低承压水位会对临近建筑物及地下管线等造成一定程度的影响，因此降水必须做到按需降水。当环境复杂时，坑外布置的水位观测井可兼作为应急回灌井。

4三维渗流数值模拟

为了有效降低和控制含水层的水头，确保基坑开挖施工顺利进行，必须进行专门的水文地质渗流计算与分析。根据拟建场地的工程地质与水文地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，设计采用了三维渗流数值法进行计算，为降水设计与施工提供理论依据。利用《VisualModflow》三维渗流数值软件，将模拟区概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统，将项目1000m外的模型边界定义为定水头边界，水位不变，如图2所示。根据三维数值模拟结果，由降水引起的坑外最大沉降为1.4mm左右，对外界影响较小，如3所示。

5降水引起地面沉降控制措施

（1）临近建筑物和地下管线的降水井抽水时间应尽量缩短，按需降水。（2）对坑内外观测井水位进行实时跟踪监测，发现问题及时调整抽水井数量及抽水流量，进行按需降水。（3）环境监测资料应及时报送降水项目部，以绘制相关的图表、曲线，调控降水运行程序，确保基坑开挖安全和环境安全。（4）在降水井施工完成后，应及时进行试运行，详细制定降压降水的运行方案。（5）在降水运行过程中随开挖深度逐步降低潜水水头，以减小和控制降水对环境的影响。（6）对各种管线、需要保护的建筑、地下连续墙等，必须由专业监测单位进行监测。（7）基坑施工过程中，如上部围护结构发生渗漏或严重渗漏，总包应及时采取封堵措施，以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降以及由此加剧坑外的地面沉降。（8）当坑外观测井内的水位下降超过自然变化的最大值时，应加密监测次数。6降水运行对历史建筑物的影响根据生产性抽水试验结果，减压井群井抽水时对基坑内外观测井进行水位观测，初始水位埋深6.2米，运行1天后，水位降深至16.5米时（减压井降深水位超过施工方案开挖最深水位）停止抽水试验并进行水位恢复实验，水位恢复速率为每小时0.1-0.15米左右，2天后恢复至9.7米。坑内减压井抽水时，坑外观测井水位未见明显下降，其中变化最大的G11观测井，水位下降0.1米。实际基坑开挖降水运行过程中，坑外观测井水位下降幅度较小，最大降深仅为0.27m，说明止水帷幕有效隔断了坑内外水力联系，止水效果良好。根据监测数据，工程结束时，各点沉降最大6mm，基坑开挖及降水施工对周边环境影响较小，未对周边保护建筑造成明显结构损伤，如图4所示。

7结论

通过苏州地区某临近历史保护建筑的基坑围护与降水设计施工实践，得出以下结论。（1）多层含水层应分别布置降水井，分层分区域按需降水，尽量在保证工程安全的前提下缩短降水时间，有利于对周边地下水环境保护。（2）基坑止水帷幕需要具有良好的可靠性，确保能够有效降低坑内外水力联系，避免坑内降水对坑外水位造成较大影响。（3）降水井施工完成后基坑正式开挖前应进行生产性抽水试验，验证止水帷幕的有效性和基坑降水井布置的合理性，一旦试验结果与预测不符，需要及时修改降水设计或进行围护加固，以达到降水目的。（4）本项目工程施工对临近保护建筑影响很小，为类似工程提供了参考和借鉴，具有良好的社会效益和环境效益。

参考文献

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作者：王登科 靳军文 章银涛 单位：中铁十五局集团有限公司 上海长凯岩土工程有限公司