武汉临江地区深基坑工程中群井抽水试验的应用

龙治国，宋增辉，李翔

(武汉市勘察设计有限公司，湖北 武汉 430022)

1 引 言

武汉市内江河纵横、湖港交织，水域面积占全市总面积的四分之一。近年来，随着城市建设的高速发展，长江、汉江两岸高楼林立，大型滨江商务区相继开建。汉口临江地区在地貌单元上多表现为长江冲积Ⅰ级阶地，第四系覆盖层具典型的上细下粗的二元结构，上覆以黏性土为主，往下逐渐出现砂土，且颗粒由细变粗，砂土中地下水含量丰富，与长江、汉江具有较强的水力联系[1]。为保持该区域深基坑工程在干燥、安全的环境下开挖施工，通常要通过降水使地下水位下降到开挖面以下。地下水的抽取，必然使基坑周围地下水渗流场发生改变，会在基坑周围形成漏斗状的弯曲水面，即所谓的“降水漏斗”[2]。降水漏斗的曲面趋于稳定后，就必然造成基坑周围地面的不均匀固结沉降，严重时会引起周围建筑物、地下管线的倾斜或开裂，会给周围环境带来巨大的风险。

本文结合武汉临江地区周大福金融中心深基坑抽水试验，计算获得武汉临江地区水文地质参数，并通过地面监测成果及数值模拟反演验证结果合理性。最后，在此基础上分析预测了基坑降水阶段对周边环境的影响。

2 工程概况

周大福金融中心项目位于武汉市江岸区汉口滨江国际商务区内，长江二桥与二七长江大桥之间，东邻沿江大道，西邻解放大道，南邻二七路。拟建项目1#办公大楼层数85F，高度约 442.3 m，建筑高度 475.0 m，修建后将成为武汉临江地区滨江商务区标志性建筑。基坑开挖面积达到6万平方米，挖深达 30 m～32 m，为超大超深基坑。基坑北侧紧邻运营中的轨道交通1号线，北侧及西侧紧贴滨江商务区地下环路，周边环境极其复杂。基坑底落在(4-2-1)层粉质黏土夹粉土粉砂、(4-3)层细中砂上，南侧距离长江堤防不足 500 m，砂砾石层中的地下水与长江有较强的互补关系。地下水降水对基坑周边环境的影响，是本基坑工程的重点之一。本工程具体地层结构如表1所示。

地层结构表 表1

3 单井抽水试验参数计算分析

单井抽水试验的目的主要查明砂砾层(承压含水层)的渗透系数、导水系数、弹性释水系数等相关水文地质参数。单井抽水试验共布设两组，每组3口井，即1个抽水井，2个观测井，每组3个落程。各井平面位置如图1所示。

其中，单井抽水试验井间距与井身结构如下：抽水井与观测井间距 30.0 m～50.0 m，井深 40 m～45 m，井径 300 mm，成孔孔径 600 mm；上部 10 m为实管，中部 30 m～45 m为过滤管，底部 2 m为沉淀管。井孔间上部填充材料为黏土球，中下部为中粗砂；深井泵置于井深 22 m～25 m处。抽水试验井井身结构信息如表2所示。

图1 各井平面位置图

井身结构信息表 表2

每组单井抽水试验单井抽水历时 24 h，稳定观测 9 h。根据井管井身结构图，滤水管和含水层比值大于0.9，按完整井考虑。依据《基坑降水手册》[3]，利用抽水井流量及水位下降资料，计算相关水文地质参数如表3所示。

单井抽水试验成果表 表3

综上，场地承压含水层渗透系数K介于 15.30 m/d～26.51 m/d之间，取综合平均值K=20.86 m/d；其影响半径R介于 157 m～331 m之间，取综合平均值R=231 m；导水系数T于 459 m2/d～795 m2/d之间，取综合平均值T=626 m2/d。

4 群井抽水试验

群井抽水试验共布设一组，共7口井，即4个抽水井，3个观测井。Q1、Q2、Q3、Q4抽水井，Q5、Q6、Q7观测井，各井平面位置如图1所示。群井抽水历时10天，稳定观测8天。

地表沉降监测与抽水试验同步进行，地面沉降观测点布设成网状形式，布置范围为以群井试验区为中心的 80 m×80 m范围内。按监测点间距 10 m，地面沉降标数量为9×9=81个。每天监测1次，水位稳定后观测频率为2天1次，并连续观测不少于2次。地表沉降观测测点布置如图2所示。

图2 地表沉降观测测点布置图

试验期间，当承压含水层抽水时，承压水位在起始阶段快速下降，其后逐渐平缓且趋于稳定。试验抽水井水量大，两组单井抽水试验流量在 44.5 m3/h～73.8 m3/h之间，降深在 3.07 m～8.47 m之间。离抽水区域近的观测井承压水位降深大，位置相对较远的观测井承压水位降深小。抽水时观测井水位响应速率快，地下水位反应灵敏。抽水井流量较为稳定，且抽水井在停止抽水后地下水位恢复快，表明地下承压水补给量大、径流、排泄条件好。虽多口降水井同时抽水时可使地下水位降深变大，但相互之间存在影响，不是单纯的降水效果的叠加，存在着群井抽水的阻力系数。抽水历时10天，稳定观测8天后，地表监测点以群井试验区为中心，呈现越靠近降水试验区，地表监测点累积沉降越大的漏斗趋势，沉降中心累积沉降量最大值为 10.9 mm。地表沉降累积值三维立体图如图3所示。

图3 地表沉降累积值三维立体图

采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120-2012)中降水引起的地层变形计算公式对本工程进行计算，其计算公式如下：

计算结果表明，沉降中心累积沉降量最大值为 10.2 mm，与现场实测结果基本一致。

5 三维数值模拟反演分析

采用有限元软件进行群井抽水试验的反演计算，取得有限元计算模型的相关参数。根据勘察结果，将工程场地地层由上至下依次概化为4层：①填土，层厚 6.0 m；②黏土，层厚 4.0 m；③砂层，层厚 35.0 m；④岩层，层厚 35 m。基坑开挖深度为 30 m，场地初始地下水位埋深 -12.0 m，以基坑开挖深度3倍～5倍影响范围为原则，建立计算模型[5]。模型计算参数如表4所示。

模型计算参数表 表4

根据群井抽水试验，布设4口抽水井，单井抽水量 65 m3/天，共降水10天。群井抽水试验反演计算模型如图4所示。

图4 群井抽水试验反演计算模型

降水10天并稳定8天后的沉降位移量云图如图5所示。

图5 群井抽水后的沉降位移量云图

最大沉降位于群井中心，位移量为 9.51 mm。位移量以群井中心为圆心外扩，位移量逐渐减小至 0 mm。模拟结果与现场实测基本一致，模型参数合理，验证模型构建正确。

现场监测结果、规范公式理论计算、数值模拟三种方法得出的最大沉降量如表5所示。

三种方法的最大沉降量结果对比 表5

结果表明，现场监测的沉降量最大，规范公式计算的结果次之，数值模拟的结果最小。

6 预估基坑降水对周边环境的影响

根据降水建议方案，本工程基坑外围布设落底式止水帷幕，坑内水位最终降至开挖深度下 1 m。基坑北侧紧邻运营中的轨道交通1号线，北侧及西侧紧贴滨江商务区地下环路，计算模型构建如图6所示。

图6 对临近环境影响计算模型

对基坑模型进行三维渗流-应力耦合计算，降水后地表沉降量最大 21.30 mm，沉降主要以坑内拟开挖土体为主。沉降量等值线如图7所示。

图7 降水后地表沉降量等值线图

将计算模型中轻轨网格单独隔离，计算轻轨沉降量如图8所示。

图8 降水后轻轨区间沉降量云图

计算结果表明，轻轨的较大沉降分布于轻轨各桥墩位置，最大位移沉降量为 0.64 mm。

将计算模型中地下环路网格单独隔离，计算地下环路沉降量如图9所示。

图9 降水后地下环路沉降量云图

计算结果表明，沉降区域主要为基坑开挖范围内，最大位移沉降量为 3.36 mm。

7 结 语

随着武汉临江地区工程建设的快速发展，深基坑工程的降水设计施工不容忽视。通过群井抽水试验获得准确的水文地质参数，结合地面监测数据验证三维渗流—应力耦合模型，合理预测施工降水期间的地表沉降量。本文结合武汉临江地区地标项目—周大福金融中心，通过抽水试验获取水文地质参数，建立有限元计算模型，预测基坑降水对周边轻轨及地下环路的影响，以期为后期武汉临江地区类似工程基坑降水设计提供参考及指导。