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基岩裂隙水对基坑影响及降水方案分析杨宁

发表时间：2020/5/6 来源：《基层建设》2020年第2期作者：杨宁

[导读] 摘要：地下水是影响岩土工程施工及危害其安全稳定性的重要因素，地下水加剧施工难度的同时，其流动特性及其对材料性质的弱化作用导致岩土工程建设存在潜在风险。

        中铁十四局集团有限公司山东省青岛市 266000
        摘要：地下水是影响岩土工程施工及危害其安全稳定性的重要因素，地下水加剧施工难度的同时，其流动特性及其对材料性质的弱化作用导致岩土工程建设存在潜在风险。由于地层渗流场对工程的危害性较大，特别的是，基岩裂隙水的存在对基坑工程具有潜在危害，因此，基坑施工过程中需要研究基岩裂隙水对基坑工程危害，并针对具体的裂隙水特点提出相应的降水方案。因此，通过总结基岩裂隙水的相关理论，分析了基岩裂隙水的主要特征，富集规律以及渗流规律等；其次，着重研究基裂隙水对基坑工程的影响，分析了基坑工程中基岩裂隙水的主要不良影响，最后，对现有的基坑中基岩裂隙水降水进行综述，提出基岩裂隙水的降水应该根据施工区域裂隙水具体特征，采取结合多种手段的综合降水方案。
        关键词：基坑工程   基岩裂隙水   工程影响   降水措施
        1前言
        随着我国土木基础设施建设的跨越式发展，工程建设规模日趋扩大，面临的问题也越来越复杂。地下空间的开挖会对周围环境产生一定的扰动，尤其是与周围渗流场互相影响，其中影响较大的为地下赋存的基岩裂隙水[1-2]。基岩裂隙水是我国分布较为广泛的地下水类型，一方面在为周围环境提供丰富水资源的同时，另一方面，由于其分布条件复杂性，为地质勘探探明其分布特征提供了诸多不便，因此，给工程建设带来严重的威胁[3-4]。
        在基坑、地铁等地下工程建筑过程中，基岩裂隙水的富集及其运动规律对基坑施工阶段及运营阶段均造成威胁，严重时会造成工程灾害，如坍塌、涌水等。岩体具有明显的结构性，具有典型的二元介质的特征，裂隙水的存在不仅能够引起岩石基体的强度弱化，同时，裂隙水导致结构面的弱化，不断溶解的岩石随着裂隙水的运动而被带走，导致基坑工程结构失稳概率增大。因此，基坑工程建设过程中应该充分认识周围基岩裂隙水的富集特征及其运动规律。在基坑工程建设过程中，对于基岩裂隙水的勘探具有重要的意义，目前，已有的勘探方法主要包括：瞬变电磁法、综合勘查技术等[5-6]。不同的裂隙水富集特征及运动规律对基坑工程的影响存在差别，因此，具体在工程建设中应该充分考虑区域水文地质特征，为制定具体的基坑降水措施提供基础依据。
        根据上述分析得到基坑工程建设中基岩裂隙水对工程存在威胁，因此，总结了基岩裂隙水的相关理论，包括富集理论、运动规律等，同时，对基坑工程中基岩裂隙水的影响进行研究，得到裂隙水对基坑工程的主要影响，最后，对现有的基坑工程基岩裂隙水降水措施进行综述。
        2 基岩裂隙水相关理论
        2.1 基岩裂隙水主要特征
        基岩裂隙水的特征主要受区域地质构造作用的影响，是多种地质作用共同影响的结果。由于早在地质成岩时期的复杂作用，导致岩石内部分布有复杂的夹杂体，各种不同形态的不连续结构体成为部分地下水的赋存空间，同时，岩体与裂隙水之间的相互作用导致赋存空间不断扩大，岩体的强度产生不同程度的弱化。常见的基岩裂隙水类型可由裂隙岩石种类及含水裂隙的形成原因等两个因素分类，包括坚硬、半坚硬以及可溶性岩石裂隙水；成岩、构造及风化裂隙水等。裂隙水的种类与赋存岩石类型及裂隙成因有关，因此，不同区域基岩裂隙水的种类是不同的，即便是相邻区域内基岩裂隙水也可能存在细微差异。基岩裂隙水的分布具有复杂性特征，复杂性是由于多种因素耦合的结果，需要满足具有水力来源以及具有储水空间。因此，其分布规律主要由岩石内部各种不连续缺陷分布特征及地下水的运动情况决定，导致基岩裂隙水的形态、含水量等存在差异。在地质构造力的作用下，地层具有多种多样的形态，如断层、褶皱等，满足一定的水力条件下，形成不同规模的裂隙水赋存区域。正是由于基岩裂隙水分布的复杂性，因此，基坑工程建设前期应该成分进行水文地质勘探。
        2.2 基岩裂隙水富集规律
        基岩裂隙水的富集规律是与地质构造运动密切相关的，其主要特征是由地质构造控制，因为不连续提供了裂隙水的赋存空间。对于基岩裂隙水富集规律的研究，宁远明等[7]以研究安徽地区基岩裂隙水分布特征，得到分布规律主要受断裂结构控制；林凤勋等[8]以无锡地区为研究对象，研究地质构造对该区域裂隙水的主控作用，得到裂隙水富集规律主要受到构造断裂附近节理发育的影响；张桂兰等[9]从岩溶发育及补源条件等两个方面研究山东张店地区裂隙水，得到其主要富集规律为地下岩溶区为主要储水区，但随着地下水位下降，部分储水区失去价值；郭永海等[10]研究甘肃北山地区裂隙水分布规律，得到该区域主要为风化裂隙水，其富集规律主要受基岩岩性、区域地形以及地质构造等组合影响；王文豪等[11]分析了荥巩矿区裂隙水富集规律，得到了矿区岩溶裂隙水主要受到岩溶内部裂纹发育、区域地质构造以及地形条件的影响；于华远等[12]分析影响裂隙水富集的主要因素包括基岩岩性、褶皱及断裂构造等。基于上述分析，裂隙水的富集与区域地质构造密切相关，地质构造决定了基岩裂隙水形成的基本要素。
        2.3 基岩裂隙水渗流规律
        一般而言，地下水以液态的形式赋存于地层中，由于其在裂隙岩体中流动规律，主要涉及渗流力学及岩体力学等相关内容，由于地质条件的复杂性更加剧了基岩裂隙水渗流规律的复杂性。岩体力学理论表明岩体具有显著的结构性，裂隙的随机分布将完整岩体划分为不同的结构形式，主要包括层状结构、块体结构以及碎裂结构等。不同类型的结构岩体，裂隙水具有不同的渗流规律，对于层状结构岩体，明显的层理状结构提供了良好的储水空间，裂隙水通常渗流方向通常沿着岩石层理面；对于块体结构岩体，由于岩体内部节理发育，一般张性节理中储水空间较大，渗透性好，其基岩裂隙水的渗流规律有节理发育特征决定；对于碎裂结构岩体，由于岩体结构的破碎程度较大，内部导水通道的较多，很难作为储水空间，但是不排除有局部富水带的存在[13-14]。
        3 基岩裂隙水对基坑工程影响分析
        基岩裂隙水对基坑工程施工具有重要影响，由于基岩裂隙水富集规律及渗流规律的复杂性，基坑施工过程中不可避免的会存在安全事故风险，不仅造成工期延误，带来巨大的经济损失，甚至会造成人员伤亡，引起不良的社会影响，因此，需要充分认识基岩裂隙水对基坑工程施工的影响。基岩裂隙水对基坑工程影响主要包括：
        （1）基岩裂隙水引起的涌水事故
        基岩裂隙水的富集规律与区域地质裂隙发育程度相关，裂隙发育区域储水量较大，是发生涌水事故的危险区域。由于基岩内部裂隙发育，加上地下水的补给，基岩裂隙水极易造成涌水灾害。基坑开挖导致应力场及地下水渗流场的变化，引起的周围岩土体应力平衡状态的破坏，地下水的流动、水力冲刷动，引起可溶性物质的溶解并随水流运移，储水空间及涌水通道逐渐扩大、贯通，发生涌水涌砂事故，同时，部分储水空间“疏干”，还导致地层沉降。
        （2）基岩裂隙水对岩土体强度影响：
        由于岩土介质内部分布有裂隙等缺陷，岩土材料可以看作是由基体和不连续结构体组成的二元介质，裂隙水的存在主要对基体和不连续结构体产生影响，对于基体的影响主要通过影响其微观结构，从而导致其力学强度的弱化，而对于不连续结构体，主要是通过溶解可溶性物质、润滑结构体与基质界面等，扩大不连续结构的范围，导致结构出现剪切破坏等。
        （3）基岩裂隙水对基坑变形影响：
        由于基坑开挖形成一定岩土空间范围，临空面的存在导致岩土体内部应力状态的变化，裂隙承压水沿着优势结构面运动，不仅导致结构面的弱化，而且在一定程度上润滑基岩与结构面界面，极易发生滑动破坏。裂隙水弱化结构面引起岩土体破碎程度加深，已有的支护结构支护能力降低，导致基坑围护结构受到的侧压力增大，引起支护结构的变形，造成基坑的失稳垮塌。如果存在裂隙水富集集中的区域，承压裂隙水的运动排除或者基坑降水措施的不到位导致周围地层出现较大的沉降，引起周围建构筑物等的开裂破坏。

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        4 基坑工程基岩裂隙水降水措施
        基坑工程施工过程中，基岩裂隙水的存在极易对基坑施工带来风险，基于基岩裂隙水对基坑工程影响分析的基础上，总结了常用的基岩裂隙水降水措施，主要包括以下几个方面：
        （1）轻型井点降水：井点降水是基坑降水最常用的方法之一，通过在基坑周围按照一定距离布设降水井，通过水泵将水管内地下水排出，从而达基坑降水的目的；
        （2）止水帷幕降水：止水帷幕也是基坑降水常用的手段之一，是指基坑外围止水系统，常见的止水帷幕包括高压旋喷桩、深层搅拌桩止水帷幕等；
        （3）分层降水：分层降水的原则是考虑到地层不同位置的裂隙水的特征，分别在含潜水、承压水地层中，将疏干井和减压井分开设置，进行分层降水
        （4）集水箱降水：利用集水箱兼作泄压井，将加工的集水箱放置于基坑底部，分别在集水箱上设置与渗水管连接口及与水泵连接的泄水孔，利用水泵排出集水箱内的，达到基坑降水目的；
        （5）分区封闭降水：根据基坑不同位置情况，将基坑分为3个大区，然后根据不同大区降水的难易程度，再将3个大区划分为不同的小降水区。大区之间先设置止水帷幕，小区内部采用疏干降水管井；
        （6）不同阶段与位置降排：根据基坑不同的施工阶段，同时考虑基坑施工不同建设位置，如土方清底阶段采用设置排水盲沟、电梯井采用设置集水坑以及护壁周边排水沟，最后利用自吸泵排出
        （7）综合降水方案：考虑到基坑周围地下水的复杂性，采用多种方案并用的综合降水方案效果更好，如先采用地下连续墙止水，分别在基坑内和基坑外采用管井降水与集水明排，对于部分出水口堵砂导水，辅助以轻型井点降水；
        目前，针对基坑降水方案已经开展了大量工程实践，并且提出了多种有效的基坑降水施工工法。由于不同区域的裂隙水富集及渗流规律不同，最有效的方案为多种方案的结合，提出综合降水方案。
        根据对现有成果的总结，对基岩裂隙水的相关理论进行了总结，并系统归纳了基岩裂隙水对基坑工程影响，并总结了现有的基坑工程基岩裂隙水降水措施，由于新技术手段的研发，对于复杂的基岩裂隙水相关问题，仍需要从多个方面开展研究：
        （1）基岩裂隙水的勘探：随着地质工程中物探技术的改进，许多先进的技术手段不断应用于地下水勘探，如瞬变电磁法、核磁共振技术等，未来基岩裂隙水的探测，需要避免采用单一的勘探技术，应该根据不同方法的特点，充分发挥各自优势，构建基岩裂隙水复合勘探技术；
        （2）理论与具体工程的结合：不同基坑工程水文地质条件复杂性不同，因此，在具体问题的研究过程中，需要将基础理论与具体工程实践相结合，前期要完善地质勘探、测绘手段与现场地质条件的结合，选择更符合施工现场实际的技术，其次，基坑稳定性分析要综合工程力学、渗流力学以及有限元数值分析方法，前期工程经验可以作为施工的参考；
        （3）基坑降水措施的研究：目前，随着基坑工程的建设已经提出了丰富的基坑降水施工工法，对于受基岩裂隙水影响的基坑工程，应该充分考虑基岩裂隙水的特征，不断改进基坑降水措施，以便满足更高的基坑风险控制要求。
        5 结束语
        以基坑工程中基岩裂隙水的影响为研究对象，主要从基岩裂隙水理论、基岩裂隙水对基坑工程影响分析以及基坑工程基岩裂隙水降水措施等方面开展研究，主要研究结论包括：
        （1）总结了现有的基岩裂隙水基础理论，主要包括等；基岩裂隙水的主要特征、基岩裂隙水富集规律以及渗流规律；
        （2）基岩裂隙水对基坑工程建设产生影响，系统归纳了现有基岩裂隙水的影响，主要包括基岩裂隙水引起的涌水事故、基岩裂隙水对岩土体强度影响以及基岩裂隙水对基坑变形影响等；
        （3）基坑工程基岩裂隙水降水施工对基坑安全性具有重要意义，常用的降水方法包括轻型井点降水、止水帷幕降水、分层降水、集水箱降水、分区封闭降水、不同阶段与位置降排、综合降水方案等。
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        作者简介：姓名：杨宁（出生年份1981-），性别：男，学历：本科，职称：工程师，研究方向：道路、桥梁、工程施工管理，