Dewatering Technology of Deep Excavation and Its Current Development
李享 LI Xiang
（湖北省武汉市第二中学，武汉 430010）
（Wuhan No.2 Middle School，Wuhan 430010，China）
摘要：近年来，随着地下空间开发力度的加大，基坑工程开挖的面积和深度正在不断增加，处于有利地形条件的施工场地正在趋于饱和，不良水文地质条件下的复杂深基坑工程数量正在增加。在复杂水文地质条件下选择正确合理的降水技术是实现基坑安全开挖的关键。针对不同施工情况下的基坑降水技术，国内外相关的学者进行了一系列相关的研究与经验总结。在前人所做研究的基础上，本文将深大基坑的降水方法及相应适用条件进行详细归纳，并展望了深大基坑降水技术的发展趋势和有待优化的地方。
Abstract: In recent years, with the rapid development of underground engineering, the area and depth of excavation are increasing, and the construction sites under the favorable terrain are becoming saturated. The correct and reasonable dewatering technology of the excavations under complex hydrogeological conditions is the key to guarantee the safe of the foundation pit and surroundings. The rational use of dewatering method has always been a hot topic in the design and construction of deep foundation pit. In view of the foundation pit engineering in different circumstances, a series of related research and experience are carried out by relevant scholars at home and abroad. On the basis of previous research, the dewatering method and their applicable conditions for deep foundation pit are summed up in detail in this paper, and the development trend of dewatering technology of deep foundation pit and the place to be optimized are prospected.
关键词：深基坑；降水；适用条件；发展趋势
Key words: deep foundation pit；dewatering；applicable conditions；trend of development
中图分类号：TU753.66 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）34-0170-03
0 引言
20世纪80年代之后，由于我国土地资源紧缺，对于空间的利用不再局限于地面，而把眼光向空中与地下看去，地面上的高层建筑物工程开始在我国兴起[1]，相应的深基坑工程也越来越多，不仅在建筑工程领域，深基坑的概念逐渐进入到隧道工程、岩土工程、煤矿工程等等领域。在深开挖的基坑工程施工过程中事故是时有发生的，而这些事故的发生在不考虑施工质量是否过关的情况下，常常与地下水处理不当有关[2，3]，据唐业清教授对全国范围内160余起基坑事故的分析，由于设计和施工中对地下水处理不当而造成基坑事故的比例高达60%。地下水的不当处理对深基坑的影响主要表现在：①由于地下水的渗透引起的主体结构开裂[4]；②坑底发生突涌而导致坑底土体开裂出现管涌[5]；③由于强降雨等气候原因使基坑周围土体淹没于水中，有关物理力学指标降低；④降低地下水位的同时，引起地面沉降以及周围其他建筑的不均匀沉降和开裂等[6]。因此，为治理地下水问题，正确的降水措施是必要的，也是保证基坑工程安全的前提。
1 基坑降水的发展
国外基坑降水的发展较早，世界上第一个有记录的基坑降水实例是在伦敦伯明翰铁路的基尔斯比隧道工程中，通过对竖井的降水来保证隧道的顺利施工。降水技术在德国发展开始的较早。1896年在柏林，修建地下铁道时第一次使用了深井降水。1930年在不莱梅哈芬港的水闸工程中采用了58口减压井来降低承压水头，承压水头的降低量以及总的抽水量均创造了当时工程界的纪录。1939年在萨尔茨格铁路项目中，电渗排水技术被首次运用以稳定边坡。除了德国之外，其他国家对于基坑降水技术的探寻也一直在进行着。在20世纪30年代，比利时人将深井降水技术运用在斯海尔德河的水底隧道工程中，有效的减小了盾构推进时的压缩空气的压力。美国人将井点系统进行优化，首次把球阀和环阀应用在基坑降水中，使得井点可以自动到达土体内部区域，并且可根据工程需要对土体进行孔隙的增大，同时设置过滤材料。到了20世纪50年代，井点降水技术在以往工程经验与理论积累下有了新的发展，真空降水法得到发展应用，常用来加固地基。工程技术的发展往往伴随着理论的进步，关于真空条件下土的渗透性和毛细特性的研究相应地也在这一时期得到快速发展。至今，世界各国对于基坑工程降水技术的探究已逾百年，并继续走在对更复杂更大规模的工程进行降水技术的探究过程中。
我国基坑降水技术发展的起点是在20世纪50年代，喷射井点、轻型井点降水技术在东北重工业基地、包头钢铁公司、太原钢铁公司、鞍山钢铁公司等重大工程项目建设中得到了广泛的应用，为我国的降水工程、乃至基坑工程的发展奠定了基础。到了20世纪70年代，对于新型抽水装置的研究成为热点，由于射流泵和隔膜泵的发展，使得发展趋势走向科学绿色降水、环保经济降水。20世纪90年代，由于我国新城市建设的加速，城市中的老旧区被更新代替，在这过程中基坑降水对周边建筑物和地下管线等结构设施的影响越来越多被考虑到。诸如基坑封闭施工法、地下水回灌技术等技术得到发展应用，以应对施工造成周边环境不良影响的问题。降水技术在我国发展稳固而迅速，相关专业人员已经掌握较为完善成熟的一系列相关技术，并攻克了许多技术上的难关，我国降水工程对于工程规模的应用与技术的发展均已达到了世界先进水平。
2 基坑降水的作用
对于处在水文地质条件复杂的基坑工程，施工的安全性与结构的稳定性直接相关，但是在考虑支护结构可靠性的同时，地下水的控制技术也是十分重要的[7，8]。土体的稳定性与含水量直接相关，另外若基坑底有承压含水层时，在基坑的开挖施工过程中将面临坑底超量隆起、基底突涌等风险。
具体来讲，在实际工程中基坑降水的作用有如下几点：
①降低水位保证基坑稳定和开挖工作的顺利进行。
②保持坑底干燥，便于施工机械的运作
③减少边坡的水流冲刷，稳定边坡。
④降低土体含水率，避免土体的强度等标的降低，改善受力特性。
⑤降低承压水头，防止坑底发生突涌。
3 基坑降水方法
目前比较成熟的深基坑降水方法主要有以抽排水为核心的纯井点降水法、以拦防基坑外水的截水法和结合二者特性的止水帷幕+排水法等[9]。方案设计时应针对具体水文地质情况、效果控制、经济要求、工期要求等因素，通过比较各方法的适用性，结合实际工况，选择合适的降水方案[10]。表1所示为常见的深基坑工程降水方案及技术特点。
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3.1 纯井点降水法
纯井点降水法是最便捷，也是最常用的降水方法[11]，井点降水法示意图如图1所示。井点降水法主要包括真空（轻型）井点降水法、管井井点降水法、喷射井点降水法、深井井点降水法、电渗井点降水法。
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①真空（轻型）井点降水法。轻型井点是最直接的井点降水法，即是通过抽水设备（真空泵、离心泵、水气分离器）将地下水通过降水设施由集水总管抽出，使得地下水位降低至待开挖面以下的降水措施。该方法一般适用于渗透系数较大（0.1～5.0m/d）的填土、粉土、黏性土、砂土。
②管井井点降水法。管井井点和轻型井点原理相似，均是用抽水设备将水直接抽出，均适用于渗透系数较大，含水丰富的土层。主要区别在于每一个管井均配备抽水设施，所有抽水设施能够独自运行，因此排水量更大，而轻型井点则是通过一个总的集水管同步进行所有井点的抽水。
③喷射井点降水法。对于较深的降水深度（8m～20m），采用轻型井点则需要将已排干的土层挖去，加以设置级数更多的井点，级数增加将导致设备增多，工期延长，工程整体经济性降低。采用喷射井点则能大幅度增大降水深度，喷射井点降水法的原理是通过离心泵产生高压的工作水，随后通过缩小水流截面积使得水流进行足以产生负压的高速运动（30～60m/s），将地下水吸出。
④深井井点降水法。一般的潜水泵和离心泵的降水深度的极限约为13~17m，因此当降水深度超过13m左右后，普通的管井已不能满足降水的控制要求。此时将管井的深度进行增加，可大幅度增加降水深度的限制（一般可降低水位达到35m左右）。
⑤电渗井点降水法。电渗井点降水法是特殊情况下考虑使用的方法。若土层的渗透系数非常小（小于0.1m/d），此时将土粒之间细小的孔隙所产生得毛细作用与电渗现象结合，即将井管作为阴极，阳极则在其内侧相距约1.2m处用金属材料设置，土体里的水分子则会由于电流作用，迅速转移到阴极（井管），这将有利于抽水设备将土中水的抽出。电渗法虽然能增强井点降水的效果，但是耗电较多，工程费用因此会增加不少。
3.2 截水法
当基坑所处土层水位较高，除了要对基坑内的地下水进行控制与降低之外，为防止水向坑内渗入还应对基坑外的地下水进行处理。一般通过设置外围渗透系数极小的截水帷幕来将基坑内外的水力关系截断，如图2所示。截水帷幕的形式多样，常见的止水帷幕有高压旋喷桩、深层搅拌桩止水帷幕，旋喷桩止水帷幕，近年来出现了螺旋钻机素混凝土或压浆止水帷幕。地下连续墙、钻孔咬合桩等是基坑工程中常见的围护结构，若它们自身防水效果较好，则它们自身也可在作为围护结构的同时发挥截水帷幕的作用。截水帷幕分为落底式竖向截水帷幕和悬挂式竖向截水帷幕。落底式止水帷幕是将帷幕插入不透水层中，完全切断坑内外水力连接，但有时含水层厚度很大，使得落底式帷幕的造价昂贵，这时则可以选择只部分切断水流，即选择采用悬挂式竖向截水帷幕[12，13]，考虑到坑内外仍有水力连接，若水的补给迅速，则可以结合坑底注浆封闭来辅助降水。设计时，应综合考虑施工难度、经济要求、工期要求等合理选择落底式或悬挂式结合其他措施。
对于深厚透水性地层的基坑降水，往往是将井点降水与帷幕截水进行综合使用，如兰州地铁1号线奥体中心站至世纪大道站的穿黄隧道区间的中间风井便是采用悬挂式截水帷幕+井点降水+基底注浆法的工法进行基坑降水处理的[14]。截水帷幕结合井点降水兼具有井点降水布孔灵活、经济性的优点，又具有渗水量小、坑内排水量较小、边坡稳定性好、对周围环境影响较小（降水漏斗小而深）等优点。基底注浆能有效增强基坑防突涌稳定性。但是该综合降水措施造价高，施工周期长，且若在大粒径砂卵石地层中修建，截水帷幕造孔、护壁、灌浆施工难度较大。
4 基坑降水的不足与展望
基坑降水技术在世界上发展至今，已经过了百年的历练，不少研究者和专业相关人士都对于基坑的降水理论与实践数据进行了分析和总结，但百年历史并不足以将这一复杂的工程技术发展到完美，安全性事故仍有，超额预算，工期延后现象仍有，将这些经验教训进行归纳总结，可以发现基坑降水技术尚有着长远的发展空间。目前基坑降水仍存在以下问题：
①基坑降水设计所直接依赖的水文地质参数的获取不准确[15]。参数的获取需要进行一系列的水文试验，对于复杂地区则需要结合数值模拟反复拟合得到，而不应仅通过简单的地质勘察得到。
②设计计算中使用的参数选取往往是通过类似工程经验选取，是不精确的，如影响半径R、压力传导系数a等。
③降水井的布设和运营方案一般是通过与类似基坑比较，具体形式则是较为盲目随设计者主观意愿的。为避免与实际降水效果相差较远，降水井的布设与运营方案应通过数值计算、模型试验等方法确认后设计的。由于作为降水实施的直接阶段，井点的布置、开启方案等的确定与降水效果、工程经费等直接相关。因此，降水方案的优化设计一直以来是没有得到设计人员足够重视的方面。
优化设计一般是通过建立某个函数，将考虑的因素与优化的目标建立起联系，从而求出最佳解[16]。目前的优化函数的变量均较为单一，还没有某个考虑全面因素建立的目标函数，因此，这是未来基坑降水技术一个重要的发展方向。
④城市地下空间发展迅速，随着基坑工程规模的加深加大，降水对环境的影响也逐渐增大，同时由于良好条件下的施工场地逐渐饱和，基坑处于复杂地层条件的情况越来越多[17，18]。考虑复杂条件下的降水处理，相比于经济性或工期长短，基坑自身的结构稳定性与对周边临近建筑物的作用更将成为降水设计的主要关注点[19]。
综上所述，基坑降水技术的发展一定要更加加强理论与实际的结合[20]，方案的选择要角度更多，考虑的因素要更综合，只有这样才能保证在处于任何复杂情况下基坑降水的有效性和安全性。
5 总结
从基坑降水技术发展历史的叙述出发，将基坑降水的重要性和作用进行了详细介绍，并总结了目前为止常用的纯井点降水法和截水法这两种降水处理措施，其中截水法可以结合井点降水进行综合降水处理，这对于深厚透水性土层是十分有效的方法。通过全文对基坑降水的发展情况的回顾，对目前实际工程中降水仍存在的不足之处进行总结，并且以这些缺陷作为契机，同时结合目前地下工程的发展趋势，总结出基坑降水的重点发展方向。
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