CN106337427A - 一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法 - Google Patents

一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法。本发明主要是：在基坑中轴两侧至支护墙之间分别设置2口以上降水井，距离支护墙由近及远分别为降水井1、降水井2、…、降水井k、降水井k+1、…、降水井n；首先开启降水井1降水；降水井1降水6～12小时后，同时开启降水井2降水；降水井1、降水井2同时降水6～12小时后，再开启降水井3同时降水；按此规律先后开启剩余降水井；当基坑内的降水达到基坑土方开挖的要求后，预降水施工结束。另外，距离支护墙越近的降水井相对越深，距离支护墙越近的相邻降水井间距相对越小。本发明可以有效限制基坑预降水引起的支护墙侧移及坑外土体与建筑物沉降，从而降低施工安全风险。

Description

一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法
技术领域
本发明属于基坑工程领域，更具体的说，是涉及一种解决基坑开挖前预降水引起支护墙侧移问题的变形控制方法。
背景技术
随着我国城市化的发展，城市建筑物密集度远大于从前，越来越多的深基坑工程需要在城市建筑密集区内施工，考虑并减小基坑变形成为了基坑设计、施工时的永恒话题。在天津、上海、杭州等高水位地区，在基坑开挖之前需进行预降水施工以保证基坑开挖施工时有一个较干燥的施工环境。
然而，郑刚、曾超峰(2013)在“基坑开挖前潜水降水引起的地下连续墙侧移研究”的论文中发现基坑开挖前的预降水过程会使得支护墙产生较大的向坑内的侧向移动，进而引起坑外地面的沉降，影响周围建筑物的使用安全。Zheng and Zeng(2014)在“Test andnumerical research on wall deflections induced by pre-excavation dewatering”的论文中表明基坑预降水引起支护墙侧移的机理主要为：降水井工作后，降水井周围的地下水将汇聚于降水井中，在地下水的定向流动过程中，地下水将施加给土体渗流力，该渗流力使得降水井周围土体发生指向降水井的侧移，对于整个基坑而言总体表现为基坑内土体发生背离支护墙的侧移，支护墙由于变形协调机制因而发生侧移。曾超峰等(2016)在“大面积基坑开挖前预降水对支护墙变形的影响研究”的论文中进一步指出基坑预降水将引起坑内距支护墙约1.35倍基坑降水深度范围内的土体发生背离支护墙的侧移。为此，在基坑开挖前的预降水过程中，若能想办法减小距支护墙约1.35倍基坑降水深度范围内降水井降水而引起的背离支护墙的渗流力，则可以减小相应范围内预降水引起的坑内土体侧移，进而减小支护墙侧移。基于以上背景，本发明将开发一种能够控制基坑预降水引起变形的方法，该方法可以减小预降水过程中背离支护墙的渗流力，甚至使得预降水过程中基坑一定范围内出现较大的指向支护墙的渗流力，从而起到有效限制基坑预降水引起的支护墙侧移及坑外土体与建筑物沉降的作用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有基坑预降水施工引起支护墙及坑外土体变形的现实问题，提供一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法，该方法可以有效限制基坑预降水引起的支护墙侧移及坑外土体与建筑物沉降，从而降低施工安全风险。
本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的：
本发明用于基坑预降水施工中的变形控制方法，在基坑开挖前于基坑侧壁设置支护墙，还包括如下顺序的步骤：
(1)在基坑的中轴两侧至支护墙同一竖直截面的垂直距离间分别设置至少2口降水井，距离支护墙由近及远分别为降水井(1)、降水井(2)、…、降水井(k)、降水井(k+1)、…、降水井(n)，根据基坑的平面尺寸及基坑的设计深度确定降水井的深度及平面布置，在基坑内指定位置成井；
(2)开启降水井(1)进行降水；
(3)降水井(1)降水6～12小时后，开启降水井(2)进行降水，此时，降水井(1)、降水井(2)同时降水；
(4)当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，步骤(3)所述降水井(1)、降水井(2)同时降水6～12小时后，再开启降水井(3)进行降水，此时，降水井(1)、降水井(2)及降水井(3)同时降水；
(5)按照以上规律先后开启距离支护墙由近及远剩余的降水井，其中，当降水井(k)距离支护墙的距离大于1.35倍降水井(1)至降水井(k)的k个降水井深度的算术平均值时，则开启降水井(k)降水6～12小时后，同时开启降水井(k+1)至降水井(n)间剩余的所有降水井降水；
(6)当基坑内的降水达到基坑土方开挖的要求后，开始进行基坑的土方开挖，此时基坑的预降水施工结束。
进一步，步骤(1)中所述确定降水井的深度布置的方法是，距离支护墙越近的降水井相对越深、距离基坑中轴越近的降水井相对越浅；当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间只能布置2口降水井时，降水井(1)的深度为基坑设计深度的1.25～1.3倍，降水井(2)的深度为基坑设计深度的0.85～0.9倍；当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，降水井(1)的深度为基坑设计深度的1.25～1.3倍，降水井(n)的深度为基坑设计深度的0.85～0.9倍，降水井(1)至降水井(n)间的降水井深度按照0.05～0.15倍基坑设计深度的差值逐次递减，且该范围内降水井的深度不小于降水井(n)的深度。
进一步，步骤(1)中所述确定降水井的平面布置的方法是，距离支护墙越近的相邻降水井间距相对越小、距离基坑中轴越近的相邻降水井间距相对越大；当基坑中轴与基坑支护墙同一竖直截面的垂直距离间只能布置2口降水井时，降水井(1)与基坑支护墙的间距为1～2m，降水井(2)与降水井(1)的间距为4～6m；当基坑中轴与基坑支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，降水井(1)与基坑支护墙的间距为1～2m，降水井(2)与降水井(1)的间距为4～6m，降水井(n)与降水井(n-1)的间距为15～20m，降水井(2)至降水井(n-1)间的相邻降水井间距按照3～6m的差值逐次递增，且该范围内相邻降水井的间距不大于降水井(n-1)与降水井(n)的间距。
本发明的有益效果是：本发明提供的一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法，通过分析基坑预降水引起支护墙及坑外土体变形的原因，在现有施工方案(降水井大致等间距等深度布置，降水井大致同时开启进行降水)的基础之上，巧妙的调整降水井的平、立面布置及降水井的开启顺序，并确定各降水井的运行持续时间，形成了降水井错位布置、协同抽水式的变形控制方法。该方法首先使得距离基坑两边支护墙越近的相邻降水井间距相对越小、距离基坑中轴越近的相邻降水井间距相对越大(调整降水井平面布置)，因而预降水过程中支护墙附近降水漏斗越缓，水头差越小，故渗流力越小，预降水引起的支护墙侧移越小；其次，该方法使得距离基坑两边支护墙越近的降水井相对越深、距离基坑中轴越近的降水井相对越浅(调整降水井立面布置)，因而预降水过程中靠近支护墙的降水井在深于相邻降水井的区段能产生更大的指向支护墙的渗流力，从而减小了基坑内土体发生背离支护墙的变形，进而减小了支护墙的侧移；再次，该方法使得距离基坑两边支护墙越近的降水井越先进行降水，因而预降水过程中靠近支护墙的降水井在相邻降水井还未开启时能产生更大幅度的指向支护墙的渗流力，这将起到减小预降水引起支护墙侧移的作用，并降低施工风险。
附图说明
图1为现有施工方案中降水井布置剖面图。
图2为现有施工方案中基坑预降水引起的渗流力分布示意图。
图3为现有施工方案中，在各降水井旁渗流力综合作用下坑内土体侧移主要分布范围示意图。
图4为本发明实施例中降水井平面布置示意图。
图5为本发明实施例中某一基坑剖面内降水井立面布置示意图。
图6为本发明实施例中降水井1降水后基坑内水位分布及降水井1周围渗流力分布示意图。
图7为本发明实施例中降水井1与降水井2同时降水后基坑内水位分布及降水井1与降水井2周围渗流力分布示意图。
图8为本发明实施例中降水井1至降水井4同时降水后基坑内水位分布及降水井1至降水井4周围渗流力分布示意图。
图中：1，降水井1；2，降水井2；3，降水井3；4，降水井4；5，基坑支护墙(兼做止水帷幕)；6，基坑中轴(或对称轴)；7，基坑设计深度位置；8，渗流力；9，初始地下水位线；10，降水后的地下水位线；11，坑内土体水平侧移区；12，降水漏斗；13，双井降水漏斗；14，群井降水漏斗。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。但本发明并不限于此实施例的范围。
首先，介绍一下现有施工方案中常见的降水井平、立面布置及基坑预降水引起支护墙及坑外土体变形的原因。图1为现有施工方案中常见的降水井布置剖面图，图中仅给出一半基坑的情况，另一半基坑中降水井相对于基坑中轴6对称分布。假设一半基坑在同一竖直剖面上仅能布置4口降水井，图1中，降水井1至降水井4深度均为H，相邻降水井间距均为D，即均匀分布。在现有施工方案中，H与基坑设计深度Hd间的关系通常为H＝(1.15～1.2)Hd，D通常为10～20m。
图2、图3为现有施工方案中基坑预降水引起支护墙及坑外土体变形机理示意图，其中，图2为现有施工方案中基坑预降水引起的渗流力分布示意图，降水井1至降水井4开始降水后，降水井1至降水井4周围的地下水将汇聚于其中，基坑内的地下水位将由初始地下水位线9位置下降至降水后的地下水位线10位置，同时，在地下水的定向流动过程中，地下水将施加给土体渗流力8，该渗流力8使得降水井1至降水井4周围土体发生指向其的侧移，对于整个基坑而言总体表现为基坑内一定范围内的土体发生背离支护墙5的侧移，支护墙5及坑外土体由于变形协调机制因而发生变形。需要补充说明的是，图3为在各降水井旁渗流力综合作用下坑内土体侧移主要分布范围示意图，坑内地表发生水平侧移的范围为Hs，在前文中已述，Hs与H的经验关系为Hs≤1.35H，若能想办法减小距支护墙5垂直距离约1.35H范围内降水井降水而引起的背离支护墙5的渗流力8，或增大指向支护墙5的渗流力8，则可以减小相应范围内预降水引起的坑内土体侧移，进而减小支护墙5侧移，后文中，将根据这一经验关系确定各降水井是先后开启还是同时开启。
为了减小预降水过程中背离支护墙的渗流力，或者增大预降水过程中指向支护墙的渗流力，从而起到有效限制基坑预降水引起的坑内土体侧移、支护墙侧移及坑外土体与建筑物沉降的效果，本发明设计了一种降水井错位布置、协同抽水式的变形控制方法，该方法的操作步骤如下：
首先，如图4所示，根据基坑的平面尺寸确定降水井的平面布置，同样假设一半基坑在与基坑中轴6垂直的同一剖面上仅能布置4口降水井，按照距离基坑支护墙5越近的相邻降水井间距相对越小、距离基坑中轴6越近的相邻降水井间距相对越大的原则布置降水井1至降水井4，并保证降水井1与基坑支护墙5的间距D0＝1～2m，降水井2与降水井1的间距D1＝4～6m，降水井3与降水井2的间距D2＝10～12m，降水井4与降水井3的间距D3＝16～18m。
然后，如图5所示，根据基坑设计深度位置7确定降水井的立面布置，以一半基坑的一个竖直剖面为例，按照距离基坑支护墙5越近的降水井相对越深、距离基坑中轴6越近的降水井相对越浅的原则布置降水井1至降水井4，并保证降水井1的深度H1＝(1.25～1.30)Hd，降水井2的深度H2＝(1.10～1.15)Hd，降水井3的深度H3＝(0.95～1.00)Hd，降水井4的深度H4＝(0.85～0.90)Hd。
按照上述方法确定好降水井1至降水井4的平、立面位置后，将其在基坑内的指定位置成井。
开启降水井1进行降水，如图6所示，此时，在降水井1周围将形成降水漏斗12，由于此时降水井2至降水井4并未被开启，因此，降水井1右侧地下水将不断向降水井1方向补给，使得降水井1右侧水位线较陡，水力梯度较大，而降水井1左侧由于支护墙(兼做止水帷幕)5的存在，减小了降水井1左侧地下水的补给程度，因而降水井1左侧水位线平缓，水力梯度相对较小，这使得降水井1右侧将出现更大的指向支护墙5的渗流力8，因而从一定程度上限制了支护墙侧移的发展。而反观图2，现有施工方案中采用的同时开启降水井1至降水井4的做法则会使得降水井1右侧水位线变缓，水力梯度较小，因而指向支护墙5的渗流力8也不如图5中降水井1右侧的渗流力8大。
当降水井1降水6～12小时后，开启降水井2进行降水，此时，降水井1、降水井2同时降水，如图7所示，这使得降水井1与降水井2周围地下水位下降，形成双井降水漏斗13，由于此时降水井3、降水井4并未被开启，因此，降水井2右侧水位线较陡，水力梯度较大，渗流力8较大；同时，由于降水井1比降水井2更深，因此，在降水井1深于降水井2的区段能产生更大的指向支护墙5的渗流力8；另外，由于降水井1与降水井2的间距相对于现有施工方案中降水井1与降水井2的间距要小(对比图7与图2)，因而预降水过程中降水井1左侧水位线相对越缓，水力梯度相对越小，故背离支护墙5的渗流力8相对越小，以上三个因素在一定程度上限制了支护墙5侧移的发展(注：在图7中，为了使图不显得杂乱，并未将降水井1与降水井2之间的渗流力画出来)。
对比降水井2与支护墙5间的距离与的关系，若前者大于后者，则当开启降水井2使得降水井1与降水井2同时降水6～12小时后，同时开启降水井3和降水井4进行降水；若前者小于后者，按照前文所述规律先后开启降水井3和降水井4(即，按照距离支护墙5由近及远的顺序先后开启剩降水井3和降水井4)，在先后开启降水井3和降水井4的过程中，同样会出现前文所述的三个因素使得支护墙5的侧移在一定程度被限制，在此不做赘述。
当降水井1至降水井4全部被开启并持续进行一段时间降水后，如图8所示，在降水井1至降水井4周围将形成群井降水漏斗14，此时，降水井1至降水井3在深于相邻降水井的区段均能产生更大的指向支护墙5的渗流力8，而且降水井1左侧的水位线也将进一步变缓，水头梯度进一步减小，故背离支护墙5的渗流力8也进一步减小，从而进一步起到限制支护墙5侧移的作用。另外，此时基坑内的群井降水漏斗14将基本位于基坑设计深度位置7以下，基坑内的降水达到基坑土方开挖的要求，可以开始进行基坑的土方开挖，基坑的预降水施工结束。(注：在图8中，为了使图不显得杂乱，并未将降水井1至降水井4之间的渗流力画出来)。

Claims (3)

1.一种用于基坑预降水施工中的变形控制方法，在基坑开挖前于基坑侧壁设置支护墙，其特征在于还包括如下顺序的步骤：
(1)在基坑的中轴两侧至支护墙同一竖直截面的垂直距离间分别设置至少2口降水井，距离支护墙由近及远分别为降水井(1)、降水井(2)、…、降水井(k)、降水井(k+1)、…、降水井(n)，根据基坑的平面尺寸及基坑的设计深度确定降水井的深度及平面布置，在基坑内指定位置成井；
(2)开启降水井(1)进行降水；
(3)降水井(1)降水6～12小时后，开启降水井(2)进行降水，此时，降水井(1)、降水井(2)同时降水；
(4)当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，步骤(3)所述降水井(1)、降水井(2)同时降水6～12小时后，再开启降水井(3)进行降水，此时，降水井(1)、降水井(2)及降水井(3)同时降水；
(5)按照以上规律先后开启距离支护墙由近及远剩余的降水井，其中，当降水井(k)距离支护墙的距离大于1.35倍降水井(1)至降水井(k)的k个降水井深度的算术平均值时，则开启降水井(k)降水6～12小时后，同时开启降水井(k+1)至降水井(n)间剩余的所有降水井降水；
(6)当基坑内的降水达到基坑土方开挖的要求后，开始进行基坑的土方开挖，此时基坑的预降水施工结束。
2.根据权利要求1所述用于基坑预降水施工中的变形控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述确定降水井的深度布置的方法是，距离支护墙越近的降水井相对越深、距离基坑中轴越近的降水井相对越浅；当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间只能布置2口降水井时，降水井(1)的深度为基坑设计深度的1.25～1.3倍，降水井(2)的深度为基坑设计深度的0.85～0.9倍；当基坑中轴与支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，降水井(1)的深度为基坑设计深度的1.25～1.3倍，降水井(n)的深度为基坑设计深度的0.85～0.9倍，降水井(1)至降水井(n)间的降水井深度按照0.05～0.15倍基坑设计深度的差值逐次递减，且该范围内降水井的深度不小于降水井(n)的深度。
3.根据权利要求1所述用于基坑预降水施工中的变形控制方法，其特征在于：步骤(1)中所述确定降水井的平面布置的方法是，距离支护墙越近的相邻降水井间距相对越小、距离基坑中轴越近的相邻降水井间距相对越大；当基坑中轴与基坑支护墙同一竖直截面的垂直距离间只能布置2口降水井时，降水井(1)与基坑支护墙的间距为1～2m，降水井(2)与降水井(1)的间距为4～6m；当基坑中轴与基坑支护墙同一竖直截面的垂直距离间能布置3口及以上数量的降水井时，降水井(1)与基坑支护墙的间距为1～2m，降水井(2)与降水井(1)的间距为4～6m，降水井(n)与降水井(n-1)的间距为15～20m，降水井(2)至降水井(n-1)间的相邻降水井间距按照3～6m的差值逐次递增，且该范围内相邻降水井的间距不大于降水井(n-1)与降水井(n)的间距。
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