1、關于武漢地區(qū)深基坑地下水控制的要點 為澄清地下水變化引起周邊環(huán)境變化的性質、特點并進一步總結出深基坑地下水控制要點，本文將從地層分布組合及其地下水類型和地下水失控對環(huán)境影響的特點、武漢地區(qū)深基坑地下水控制的歷史回顧和基礎理論的回顧這三個方面進行分析，進而總結出地下水控制要點。武漢地區(qū)深基坑施工中的地下水危害，主要發(fā)生在長江一級階地上。深基坑施工中，地下水的變化對周邊環(huán)境的影響主要表現(xiàn)有兩種：正常的含水層固結沉降，引起的地面輕微沉降滲透破壞引起的周邊環(huán)境嚴重破壞引 言一 地層分布組合、地下水類型及地下水失 控對環(huán)境影響的特點 二 武漢長江一級階地深基坑地下水控制的 歷史回顧三 基坑理論的回顧四

2、基本認識和結論（地下水控制要點）五 實例分析“中華城”、 “國稅局”基坑 周邊環(huán)境破壞的原因內容 一、地層分布組合、地下水類型及地下水失控對環(huán)境影響的特點1 地層分布特點（上、中、下三段） 3 地下水失控對周邊環(huán)境影響的特點 2 地下水類型雜填土（或素填土）淤泥 淤泥質粉質粘土夾粉土、粉砂粉質粘土夾粉土、粉砂 粉質粘土、粉土、粉砂互層粉細砂 中粗砂、礫砂、卵礫石上段中段下段地層分布特點上層滯水隔水層承壓水1、地層分布特點（上、中、下三段） 2 地下水類型由于中段隔水層、層（滲透系數(shù)K小于10-5cm/s）的存在，上層滯水與承壓水之間沒有水力聯(lián)系；承壓含水層中的層互層土（夾花層）與其下的、層雖同

3、屬承壓含水層，但在降水過程中由于這兩層土的滲透系數(shù)K值差別很大，第層垂直滲透系數(shù)遠遠小于、層，故在降水過程中層土中水位降存在滯后并將恒定高于、層中水位。含于層雜填土、層淤泥和層淤泥質粉質粘土中的粉土、粉砂夾層中。為不連續(xù)的、厚度及含水性很不均勻的含水層。 上層滯水含于層粉質粘土、粉土、粉砂互層土和層粉細砂及層中粗砂、礫砂、卵礫石中。與長江水體有直接的水力聯(lián)系，因而具承壓性，其壓力水頭受長江水位漲落控制，承壓水頭年變幅35米，最大可達8米。下層承壓水3地下水失控對周邊環(huán)境影響的特點 所謂地下水失控， 是指除正常的井點降水或有效的帷幕隔滲之外的不正常情況，如：（1）上段：上層滯水（、層）失控（豎向

4、帷幕封閉不嚴）造成雜填土失水固結沉降和層中粉土、粉砂夾層流土（滲透破壞），引起地表不均勻沉陷。其表現(xiàn)為：沉降量大（流土時表現(xiàn)為沉陷），很不均勻（局部陷坑）。對道路、管線和淺基礎建筑物或深基礎建筑物附屬的淺基礎部分（門廳、臺階、散水等）影響較大。如紅日大廈、君安大廈、時代廣場、藍天嬉水樂園和最近的中華城、國稅局等。（2）下段（承壓水）： 失控是指降水水位未達到開挖深度以下，帶壓開挖引起側壁管涌或底板突涌（流土）滲透破壞。經常發(fā)生在第層（互層土中的承壓水）。其表現(xiàn)為地表大范圍（數(shù)十米）沉陷（數(shù)十厘米），破壞嚴重。如太和廣場、天安酒店、金色雅園，其中以金色雅園最為典型。以上兩種主要是地下水的滲透破壞

5、 武漢地區(qū)深基坑地下水控制作為重要課題始于1994年，當年深基坑因地下水作用引起重大環(huán)境破壞的基坑有威格大廈和泰和廣場。前者由于在沒做任何控制措施的情況下大開挖，產生管涌、突涌，導致坑外煤氣管線破裂，使數(shù)萬居民供氣中斷；后者由于豎向及水平（封底）帷幕局部失效，產生大范圍側壁管涌和基底突涌，導致周邊環(huán)境嚴重破壞武勝路路面下沉4050cm，高架橋歪斜、周邊居民樓破壞。之后，又曾在世貿廣場、武廣大廈、建設大道的金融大廈、時代廣場、市婦聯(lián)大樓等基坑因淺部管涌而引起周邊環(huán)境破壞。對這些事故分析的結果，使人們進一步認識到：武漢長江一級階地的承壓水光靠帷幕封堵是不行的，制止管涌、突涌的根本措施應該是減壓或疏

6、干降水，深井降水是有效措施。 1995年建設大道的國貿大廈基坑采用深井降水取得了成功，開創(chuàng)了武漢地區(qū)深基坑降水的先例，之后在佳麗廣場、天一大廈、友誼大廈、陽光大廈等深基坑相續(xù)采用深井降水，均取得良好效果。經過實踐檢驗、理論分析，逐步形成了一套較完整的設計概念：對上段的上層滯水和潛水，采用豎向隔滲帷幕“封堵”；對下段承壓水采用深井降水“減壓”或“疏干”。這種概念完全符合中華民族自古以來的治水理念：疏導為主，封堵為輔的原則。1995年7月武漢地區(qū)深基坑工程技術指南中對地下水處理的規(guī)定正是在上述理念指導下制定的。在1995年至2008年間的14年，武漢地區(qū)大范圍推廣了以深井降水為主、豎向帷幕為輔的設

7、計、施工原則，成百上千個基坑基本上“平安無事”，這在全國也是最突出的成就，可以說是武漢特色。 二、武漢長江一級階地深基坑地下水控制的歷史回顧 大約自2008年之后，由于武漢市基礎設施建設規(guī)模的急劇擴大，基坑工程向深、大發(fā)展，也因外地設計、施工隊伍的進入，對武漢地質條件特點理解不深，相續(xù)發(fā)生了一些因地下水控制沒做好而造成較大的環(huán)境事故。在逐一分析每個事故基坑之后不難看出：這些事故發(fā)生的特點是涌水冒砂（管涌、流土），其原因是上段帷幕封閉不嚴或下段承壓水降深不到位而帶壓開挖。涌水冒砂（管涌、流土）的機理是“滲透破壞”，這和在正常的抽水降低承壓水位（水頭）產生的“固結沉降”有本質區(qū)別。但是，最近卻流傳

8、著一種說法：“這些基坑環(huán)境事故都是因為降水引起的”，這種說法既不準確，也不正確。比較準確的說法應該是：這些基坑的環(huán)境事故是因為地下水控制沒做好造成的。具體有兩種情況，一是上段豎向帷幕封閉不嚴產生水土流失，一是下段降水不到位卻帶壓開挖產生管涌、流土。為了證實這種提法的正確性，特將94年至今武漢市因地下水控制沒做好而引起環(huán)境事故的典型基坑列于下表1，以正視聽。武漢市典型基坑事故分析表武漢市典型基坑事故分析表 表中所列的基坑，包括了上世紀90年代初至今因地下水失控而造成環(huán)境事故的絕大部分項目。對這些項目進行分析，加之對十幾年中數(shù)百個治水成功的基坑總結，得出以下基本認識： 在因地下水失控造成的基坑環(huán)境

9、事故中， 基本上都是表現(xiàn)為涌水、冒砂（管涌、流土）滲透破壞，而引起滲透破壞的具體原因是：隔滲止水帷幕失效或降水不到位的情況下帶壓開挖。這類滲透破壞與正常降水引起的固結沉降有本質區(qū)別； 深基坑地下水控制的基本方法是“帷幕隔滲和深井降水相結合”。通常做法是：豎向隔滲帷幕隔斷上層滯水（或潛水），阻止雜填土、淤泥中水和粘性土中粉土、粉砂夾層及互層土中粉土、粉砂涌出；對下部承壓水則采用深井降水（水位降至坑底以下）防止底板突涌（流土）。 合理有效的深井降水引起的含水層固結沉降量很小，且沉降差小于1，不會造成顯著的環(huán)境破壞。 至95年之后不再采用水平封底式帷幕，也不宜提倡豎向落底式帷幕，而宜采用懸掛式豎向帷

10、幕與合理有效的深井降水以防止側壁管涌和承壓水突涌； 經驗證明，采用單管高噴在兩個護坡樁之間堵空隔滲的效果很差，而宜采用深層攪拌咬合樁或地下連續(xù)墻；若采用落底式豎向帷幕時，在深厚砂層承壓含水層中，不宜采用高壓旋噴（或擺噴），而宜采用砼連續(xù)墻或開槽法施工的水泥土（或自凝灰漿）連續(xù)墻。123456 武漢長江一級階地的基坑工程事故，除一小部分因軟土失穩(wěn)之外，大部分基坑事故和地下水失控密切相關。因此，必須高度重視基坑工程中的地下水控制 三 基坑理論回顧關于“固結沉降”關于“滲透破壞”關于水文地質學中的幾個基本概念132人員設備支架模板1、關于“固結沉降” 土體排水過程中固結沉降的原理，來源于太沙基（Ka

11、rl Terzaghi）1923年提出的有效應力原理和滲流固結理論，這是土力學中最重要的原理，是土力學成為一門獨立學科的重要標志。 在這里不具體列舉各種計算公式，但需指出以下基本概念： 所謂固結理論是指“飽和土體滲流固結”，而滲流是根據達西定律（V=ki），也就是說，沒有滲流就沒有固結。 在應用固結理論分析地基沉降時，地基土是在建筑荷載作用下、地基土產生附加應力，即“被動”排水固結；而降水時是土中重力（自由）水自動滲出，造成負孔壓進而增加有效應力，產生土層固結沉降。這兩種固結沉降的條件和過程是不相同的，必須具體情況具體分析。 飽和土中水產生滲流運動的條件：一種是在附加應力作用下土的孔隙被擠壓、

12、孔隙水滲流排出；另一種是在自重作用下，孔隙中的自由（重力）水自動滲流排出。由于后者是“自動滲流”，這就需要土層具有一定的透水性。一般情況下，土的滲透系數(shù)K值小于10-5cm/s就是不透水層。這類土層中的孔隙水在自重作用下不會發(fā)生滲流排出。 目前大家引用“分層總和法”進行降水引起地面沉降量預測計算時，并不完全符合“在建筑物荷載作用下，地基土在附加應力作用下固結沉降的作用條件”而是“自重作用”條件下孔隙水自動滲流排出的自動固結沉降。試將湖北省基坑工程技術規(guī)程中的計算公式做具體分析：式中：sw水位下降引起的地面沉降（cm）；Ms經驗系數(shù)；Ms=M1M2。對于一般粘性土可取；粉質粘土、粉土、粉砂互層M

13、1可取；淤泥、淤泥質土M1可取。當降水維持時間3個月之內時可??；當降水維持時間超過3個月時M2可取。wi水位下降引起的各計算分層有效應力增量（KPa）hi受降水影響分層（自降水前的水位至含水層底板之間）的分層厚度（cm）；n計算分層數(shù)；Esi各分層的壓縮模量（KPa）。1234 需要指出的是，武漢長江一級階地二元結構組合的地層中分布著兩層地下水（上層滯水和下層承壓水），而降水井的結構僅僅針對下層承壓水，上層滯水多用豎向帷幕進行隔滲；其中的地下水不能由降水井抽排。這就要求在進行沉降計算時分清以下情況：（1）上、下兩層水之間有隔水層（K值10-5cm/s）時，上層滯水含水層（雜填土、淤泥）不應算作

14、壓縮層；（2）主要的壓縮層是承壓含水層（粉質粘土、粉土、粉砂互層和粉細砂、粗砂、礫石層）（3）承壓水頭的位置只反映承壓水壓力高度，并不一定對應承壓含水層，因而水位下降時不一定引起水位下降過程中所“經過”的所有土層產生有效應力增量；（4）承壓含水層頂板為不透水粘性土層（K值10-5cm/s）時，該層不能自動排水固結，故不能算作壓縮層；（5）承壓含水層頂板直接為淤泥時，該淤泥層可作為壓縮層；（6）承壓含水層頂板直接為淤泥質粉質粘土，且降水位已降至其下的承壓含水層中時，該頂板層可視為部分壓縮層；當降水位（頭）仍在頂板以上時，頂板層可不視為壓縮層，因此時只反映承壓含水層本身孔隙水壓力變化，它和頂板層的

15、孔隙水無水力聯(lián)系。 倘若能如此細致分析、計算，對降水引起的沉降預測勢將更接近實際。否則將會得到預估沉降遠大于實際沉降的結果。式中：icr臨界水力坡降 r土的浮容重； rw水的容重 由于故式中：Gs、e分別為土的顆粒比重和土的空隙比?？梢娕R界水力坡降是針對每 一種土而言的。人員2、關于“滲透破壞” 在經典土力學中，滲透破壞亦稱滲透變形。為理解滲透變形，首先要明確兩個概念滲透力j和臨界水力坡降（梯度）icr。（1）滲透力由于水頭差的存在，土中水產生滲流，同時產生向上的滲透力，即每單位土 體內所受的滲透作用力，用j表示。其值：j=rwi滲透力的大小和水力坡降i成正比，其方向與滲透方向一致。 （2）土

16、中水的滲透水力坡降逐漸增大時，滲透力也隨之增大。當水力坡降（水頭差）增大到某一數(shù)值即臨界水力坡降時，即向上的滲透力克服了向下的重力時，土體就會浮起或受到破壞，俗稱流土。臨界水力坡降用icr表示。其值： 土工建筑物及地基由于滲流作用而出現(xiàn)的變形或破壞稱為滲透變形或滲透破壞，如土層剝落、地面隆起、細顆粒被水帶出以及出現(xiàn)集中滲流通道等。單一土層的滲透變形主要是流土和管涌兩種基本形式：（1）流土在向上的滲透水流作用下，表層土局部范圍內的土體或顆粒同時發(fā)生懸浮、移動的現(xiàn)象稱為流土。任何類型的飽和土，只要水力坡降達到一定的大?。ㄅR界值）都會發(fā)生流土破壞。 發(fā)生流土時，地表將普遍出現(xiàn)小泉眼，冒氣泡，繼而土顆

17、粒群向上鼓起，發(fā)生浮動、跳躍，俗稱砂沸?；涌拥住巴挥俊睍r就常出現(xiàn)這些現(xiàn)象。 （2）管涌在滲透水流作用下，土中的細顆粒在粗顆粒形成的孔隙中移動，以致流失；隨著孔隙的不斷擴大，滲透流速不斷增加，較粗的顆粒也相續(xù)被水流逐漸帶走，最終導致土體內形成貫通的滲流通道，造成土體塌陷，這種現(xiàn)象稱為管涌。管涌發(fā)生在一定級配的無粘性土中，發(fā)生的部位可以在滲流溢出處，也可以在土體內部，故有人也稱之為滲流的潛蝕現(xiàn)象。（3）滲透破壞的判別流土若iicr，土體處于穩(wěn)定狀態(tài)； iicr，土體發(fā)生流土破壞； i=icr，土體處于臨界狀態(tài)。管涌主要取決于兩種條件（限于無粘性土）：其一是土的顆粒級配特點，級配均勻（Cu10）的

18、不易發(fā)生管涌，不均勻（Cu10）的則易發(fā)生；其二是水力條件，即達到管涌水力坡降時發(fā)生，管涌水力坡降可由試驗得出。在深基坑開挖中，最普遍發(fā)生的是流土，因為直立開挖中水力坡降很容易超過臨界水力坡降，只要是開挖深度超過地下水位以下，坑內與坑外的水頭差必然超過臨界值。所以，只要是在地下水位以下開挖，必定發(fā)生流土。人員支架模板3、關于水文地質學中的幾個基本概念 要理解地下水變化對環(huán)境的影響，主要要明確以下兩個概念：（1）滲流的基本定律達西定律 U=ki 或Q=kiW理解達西定律中關鍵是滲透系數(shù)K，它是一個常數(shù)，代表土的滲透性，以K值劃分土的滲透性能見下表： （2）抽水井的裘布依半徑影響半徑R 裘布依假定

19、含水層是一個半徑為R的圓柱體，在此圓柱體外周界保持一個常水頭H，構成在含水層中抽水時的一個邊界條件，習慣上稱R為影響半徑。這個影響半徑有兩個特點：1、它是一個常數(shù)，不隨抽水井的出水量及降深的變化而變化；2、距降水井距離為R處降深為零，即不論出水量多大，水位下降多深，均不影響到影響半徑之外。 關于影響半徑的確定，有時用帶觀測孔的抽水試驗確定，也可由經驗公式計算確定（R=10S （K）或R=300S（k）。雖然用不同方法確定的R值不盡相同、單井抽水和群井抽水的影響半徑也不相同，但有一個基本概念是肯定的，即在一定滲透系數(shù)和一定厚度的含水層中抽水的影響半徑是有限的。影響半徑的經驗值見下表3。由此可引申

20、出一個概念，即降水引起的地面沉降也必然是在影響半徑的范圍之內的，因為R周界之外的自然水位是不變的。類別強透水透水弱透水微透水不透水滲透系數(shù)K值m/d1010110.010.010.0010.001cm/s10-210-210-310-310-510-510-610-6 在研究滲流固結問題時，透水性等級很重要。強透水至弱透水土層中可以產生滲流運動，微透水至不透水土層中不能產生滲流運動。 其次是水力坡降i（水力坡度、水力梯度），即水頭差h。在研究滲透破壞時，i值很重要。 根據顆粒直徑確定影響半徑R經驗值 表3上四、基本認識和結論（地下水控制要點）基于以上三個方面的敘述和分析，并結合武漢地區(qū)17年來

21、深基坑地下水控制的經驗、教訓，得到如下基本認識和結論：（1）武漢長江一級階地的地下水分上下兩層，上部為上層滯水或潛水，下部為承壓水。兩層水之間有不透水的粘性土相隔，使兩層水之間無水力聯(lián)系。深基坑地下水控制也應將上、中、下三部分分別對待。總的治水方針應是豎向隔滲與降水減壓或疏干相結合。（2）上部的上層滯水或潛水的主要控制措施是嚴密有效的豎向隔滲帷幕，以阻止雜填土失水沉降、阻止淤泥發(fā)生流土，阻止?jié)撍畬樱ǚ弁?、粉砂）流土或管涌；?）承壓含水層中的上部普遍存在粘性土與粉土、粉砂互層，此類含水層承壓，但垂直滲透系數(shù)遠小于水平滲透系數(shù)，深井降水時互層土中水位不同步下降，應以豎向帷幕與降水減壓相結合進

22、行控制，以防止流土或管涌； （3）中間隔水層中帶有粉土、粉砂夾層（也屬上層滯水），降水無法疏干，也必須依靠豎向隔滲帷幕，以阻止夾層流土或管涌。（5）下部承壓含水層具有較高的承壓水頭，與長江有直接水力聯(lián)系，是突涌（流土）的主要動力。采用深井降水是控制地下水的主要措施；不宜采用水平帷幕“封底”，因為承壓水頭高、水壓大，很難封住，反而會發(fā)生流土；大多數(shù)情況下不需要“落底式”豎向帷幕，因為深井降水基本可以控制。上（6）一定要嚴格區(qū)分滲流固結沉降和滲透破壞，即：正常降水引起的含水層“滲流固結”沉降，還是因降水不到位而帶壓開挖引起的流土或因帷幕滲漏引起的管涌。正常的固結沉降有規(guī)律且可控，滲透破壞則會造成災

23、難性后果。（7）合理有效的深井降水引起的地面沉降量一般較小，尤其是沉降差，均小于1.0，故在大多數(shù)情況下降水對周邊環(huán)境影響不大，但要注意周邊建筑物中不同基礎類型相結合部分的不均勻沉降。（8）在進行降水對周邊沉降量估算時，首先應明確固結壓縮層是能自動滲流固結的含水層，而不透水的非含水層不應算作壓縮層；同時應區(qū)分不同含水層之間是否有水力聯(lián)系，與被降水的含水層無水力聯(lián)系的其他含水層不應計算在內。（9）防止?jié)B透破壞的最根本有效措施是降水疏干或減壓，經濟、合理的方法是豎向隔滲帷幕與深井降水相結合；不宜提倡單純以帷幕封堵的方法。如“落底式帷幕”或“水平封底”。這兩種帷幕都是一把“雙刃劍”。因為，水平封底幾

24、乎不可能完全封住承壓水，一旦滲漏反而會大量流土。落底式帷幕必然會造成坑內外很大的水頭差，一旦局部滲漏，必將發(fā)生管涌，后果更嚴重。（10）無論是深井降水還是帷幕隔滲，都必須做到“合理、有效、可控”。降水應有周細的設計、計算和成井質量保證，確保含砂率不超標和單井涌水量符合設計要求；帷幕質量必須選擇合理可靠的工法才能保障。如控制上層滯水或互層土承壓水，宜選擇三軸攪拌水泥土墻帷幕，而不宜采用咬合樁或兩樁之間用高壓旋噴堵空；超深或落底式豎向帷幕則應選擇地下連續(xù)墻，而采用旋噴或擺噴是不可能達到“落底”隔滲效果的。 綜上所述，在討論深基坑工程地下水控制時的基本思路和原則應該是：（1）分析和掌握地層組合和水文

25、地質條件；（2）依據成熟可靠的基本理論（經典土力學和水文地質學）進行分析、判斷；（3）以相似條件的典型經驗、教訓進行對比；（4）正確的邏輯推理。只要能按照這四條原則進行，就能得出合理、可行的地下水控制方案和對環(huán)境事故作出正確的判斷，且不可僅憑想象或道聽途說就得出結論。 一、從周邊環(huán)境下沉變形現(xiàn)象的特點分析 二、據稱“中華城”和“國稅局”基坑開挖過程中都曾發(fā)生過局部側壁帷幕失效造成雜填土大量失水或其下的粘性土中粉土、粉砂夾層管涌、流砂現(xiàn)象。 三、深層降水不會引起周邊環(huán)境如此嚴重的破壞 四、結論五、實例分析“中華城”、 “國稅局”基坑周邊 環(huán)境破壞的原因 1、從周邊環(huán)境下沉變形現(xiàn)象的特點： 基坑周

26、邊環(huán)境破壞呈現(xiàn)以下明顯特點： （1）出現(xiàn)下沉的地面沉降量較大，且很不均勻。從建筑物周邊下沉部分與主體結構間的沉降差有1020cm以上，且呈現(xiàn)坑洼不平的面貌，說明下沉變形的地層在淺部； （2）周邊建筑物主體結構（有鉆孔樁基）部分均未下沉，下沉的都是主體外附屬部分（散水、門前臺階、周邊地面或居民樓后加蓋的部分），即以淺部地層為天然地基的部分。 （3）與基坑緊鄰的馬路（建設大道、香港路）下沉量小，而馬路對面的建筑物（房地產交易中心、漢口銀行、商場及長福小區(qū)）的周邊下沉量大且很不均勻，這說明是雜填土密實度差異較大，馬路路基經分層碾壓和多年行車壓實，路面層剛度較大，可能懸空，而建筑物周邊的填土則未經壓實

27、。 以上特點反映出下沉原因可能是淺部雜填土失水和雜填土之下的“粉質粘土夾粉土、粉砂” 或“淤泥質粉質粘土夾粉土、粉砂”從坑壁涌出（管涌、流土），即側壁水土流失引起的地表大量且不均勻下沉。 2、據稱“中華城”和“國稅局”基坑開挖過程中都曾發(fā)生過局部側壁帷幕失效造成雜填土大量失水或其下的粘性土中粉土、粉砂夾層管涌、流砂現(xiàn)象。 （1）據稱，“中華城”基坑開挖過程中曾有幾處淺部漏水、冒砂而臨時“修補”帷幕的過程； （2）據稱“國稅局”基坑曾因降水不到位（水位降深僅為6米）而發(fā)生側壁（夾花層）管涌，大量流砂涌入的過程。 （3）幾個基坑的側壁帷幕均采用“高壓旋噴”在兩樁之間“堵空” 式帷幕。武漢地區(qū)自90年代后，凡采用高壓旋噴做帷幕的無一成功先例（江邊的君安、藍天戲水樂園、世貿廣場、建銀大廈等）。這是側壁帷幕局部失效的根本原因（圖1）圖一：側壁帷幕不嚴和降水不到位的后果示意圖 3、深層降水不會引起周邊環(huán)境如此嚴重的破壞 1、深井降水是為解決坑底突涌而降低深層承壓水頭，承壓含水層是下部夾花層和粉細紗層及底部卵礫石層。當降深未下降到上部粘性土（粉質粘土、粘土及淤泥質粘性土）底板（也是承壓含水層頂板）時為“減壓降水”，當降深達到承壓含水層頂板以下時為疏干降水。前者只使承壓含水層固結沉降（砂土固結量很小）。后者