裂隙发育地层中超深工作井开挖对周边地下水位的影响

2022-01-24樊秋林

国防交通工程与技术 2022年1期

樊秋林

(中铁十八局集团第五工程有限公司，天津 300450)

随着城市建设的高速发展，地下空间利用日益增加，产生了多形态的深、大基坑工程，其中大直径超深工作井是深埋输水管线和地下隧道盾构始发与接收常用的深基坑形式。在施工过程中，工作井的开挖会引起地下水水位变化，并由此导致工作井周围渗流场与应力场发生改变，从而产生地面沉降、基坑变形、围护结构内力重分布等安全问题[1]，特别是复杂地层条件下，基坑开挖降水过程中地下水渗流场作用机理较均匀土层复杂的多，计算理论无法准确评估。

目前，对于复杂条件下深基坑开挖降水对地下水影响的研究较为丰富：郑刚等[2]针对天津地铁5号线项目，通过预降水试验分析了在复杂地层中深大基坑的坑内外地下水水力联系。黎明中[3]等依托武汉某复杂水文地质的基坑工程，对由基坑开挖引发的管涌现象进行了分析。姜忻良等[4]采用有限元对复杂情况下基坑开挖过程中的渗流场进行了模拟研究。骆祖江[5]根据上海环球金融中心塔楼深基坑工程，对基坑降水过程进行了渗流场模拟并对其变化进行分析。现阶段所研究基坑主要以深大基坑为主，对于开挖超过50 m以上的超深基坑地下水位变化研究较少，并且大多数基坑所处地质条件并未涉及到裂隙发育地层。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

工作井LGO9-1#位于广东省佛山市，属于珠江三角洲水资源配置工程土建施工A5标段输水干线的一部分。工作井及周边环境如图1所示，施工现场地势平坦、场地平整，地面高程3.2 m。工作井北侧密集分布有众多工业厂区、厂房等，南侧为农田地，周边 500 m范围内分布有河流、汇水河涌。

图1 工作井及周边环境

工作井为外径35.9 m的竖向圆井，基坑底高程-58.35 m，开挖深度为61.55 m，工作井开挖及支撑采用明挖和逆作法配合施工，单次开挖深度4.5 m。分14层开挖，前11层采用逆作法，后3层由于为岩层，采用顺作法。开挖充分利用时空效应组织施工，按竖向分层、盆式开挖法作业，由上至下、先内衬支护后开挖。施工步骤可以简化为15步，如表1所示。

表1 施工步骤

1.2 水文地质条件

工作井地质条件较为复杂，上部为34.4 m厚的冲积层，为淤质粉细砂、淤质土、含泥细砂层、含有机质黏土层以及中细砂层，其下为13.2 m厚全风化泥质砂岩和5.4 m厚强风化泥质砂岩，洞身底部为弱风化泥质砂岩，冲积层、全风化及强风化，部分围岩自稳能力差，砂层为含水层、渗透性强，强风化岩破碎、透水性强，工程地质条件较差，其地层分布如图2所示。

图2 地层分布(单位：m)

工程所在区域地表水丰富，含水层和透水层较多，地下水位较高。地下水位约 0～1 m，地下水类型以孔隙性潜水为主。工作井上部主要分布为黏土与部分砂土，其土层透水性与渗透系数如表2所示。

表2 ①～④土层透水性与渗透系数

工作井下部主要分布着围岩，以全风化泥质粉砂岩IV、强风化泥质粉砂岩V与弱风化泥质粉砂岩Ⅲ为主，其相关参数如表3所示。

表3 围岩特性

在施工与勘探过程中发现，底部局部区域出现泥化现象，并且在底板施工时，伴随有较大的涌水量，说明工作井底板存在断层，断层的产生与底部岩层完整性差、裂隙发育多、渗透性强有关。

注:Vp为岩体纵波速实测值(m/s)；Kv为岩石完整性系数；RDQ为岩体质量指标。

2 地下水监测及分析

由于地下水的变化常引发工程安全问题，因此需要把握基坑开挖降水过程中地下水变化规律，为此，在工作井周围与距离工作井较远处分别开展了现场监测与现场示踪试验，对地下水的变化情况进行监测及分析。

2.1 井周地下水位变化规律

该地下水位为坑外地下水位，其测点布置如图3所示，UP2-1、UP4-1分别布置在工作井的东南与西北侧。地下水位变化曲线如图4所示，该图初始日期为2020.4.1。

图3 LGO9#-1工作井监测点布置(单位：mm)

图4 地下水位变化曲线

(1)UP4-1在第1至第12步的施工步骤中地下水位变化表现为：开始基本保持不变，之后随着土方开挖水位不断降低。其原因为开始时地下水位标高低于开挖面，而当土体开挖至地下水位标高时基坑开始渗水排水，致使地下水位不断降低。而UP2-1在此施工过程中水位基本不变，与其地层透水性较弱以及周围存在河涌有关。

(2)在第13步中，两侧地下水位出现急剧的下降，快速降低超过警戒值，联系工作井的地层分布，该现象与底部存在断层有关。之后第14步快速进行了底板浇筑，并在之后进行注浆封堵与地下水回灌，致使水位回升。

2.2 周边地下水影响示踪试验

2.2.1 试验方法

在工作井开挖后，开展前后两次、每次12 d、共为期24 d的示踪试验。试验选择在砂层及裂隙发育分布较连续的区域，试验方法采用比色法。在取得调查区基础水样数据后，结合水质情况选用了无毒KMnO4溶液，溶液浓度 250 g/L。在 SZK6号井及 GS14-2号井进行投放(如图5所示)，在SZK6号井投放试剂 10 kg，在GS14-2号井投放试剂15 kg，两次接收点都选择在 LGO9#-1工作井周边观测井ZK5-1、UP4-1、SZK17与SZK18。观测井与投放井距离皆在200 m左右。

图5 示踪试验接收点和投放点位置

2.2.2 试验结果分析

图6 离子浓度随时间变化曲线

示踪试验结果显示区域地下水的水流方向由北侧投放区、东侧投放区皆指向 LGO9#-1工作井，证明 LGO9#-1工作井施工开挖降水引起了周边地下水的渗流，使周边水位降低，从投放井与工作井的距离上分析得到地下水降水的影响范围超过了200 m。

3 降水影响范围渗流反演分析

通过监测数据与示踪试验，分别从时间与空间上说明了工作井开挖对周边地下水的影响，并得到降水影响范围超过200 m的结论。但基于以上数据，还无法确切的给出地下水降水的覆盖范围，以及地下水水位演变过程，因此采用Visual MODFLOW渗流分析软件，根据现场所获得的监测数据，反演工作井场地的地下水水位变化过程。此外，选取3 种不同的开挖深度工况，从地下水降深、工作井的渗流影响半径具体说明施工开挖对工作井的影响。

3.1 数值建模

计算模型边界情况参考图1区域所示，模型边界尺寸取为900 m×800 m，工作井位于计算区域中心位置，同时根据实际尺寸建立周边建筑物、河涌、鱼塘等要素。

对于初始地下水水位，根据勘测数据，取水位为+0.5 m。每层开挖时的水位根据图4进行选取。

地表边界条件：地表在水面以下的为给定水头边界；地表在水面以上为可出溢渗出边界，当无出溢时为潜水水位；水体中部按给定水头边界不利条件计算；距离工作井较远的场地四周简化为不透水边界。由于工作井边界为地连墙，因此设为不透水边界，开挖工作面设置为排水边界，并且水头设置为0。

考虑实际工程中地层分布较为复杂，存在相间与交叉分布，因此计算模型将土层简化为7层，土层的分布简化模型如图7所示。

图7 地层模型简化(单位：m)

计算参数的取值参考表2与表3各土层的渗透系数。综合以上条件，建立工作井三维分析模型如图8所示。

图8 工作井三维分析模型

3.2 渗流分析

3.2.1 不同工况下强透水层渗流结果分析

对于工况与地层的选取，根据图4地下水水位的变化曲线可知，地下水出现较大波动是在第13步，即开挖第13步至第14步的施工区间内。为了对比该步骤施工时地下水的变化，故选取开挖第12步、第13步、第14步三个施工步进行地下水位分析。第12步-14步开挖深度范围土层分别为③-1、③-2、③-3三个土层，其渗透系数由1×10-7变为1×10-3，渗透系数增大了10 000倍，因此在开挖第13步时头水量突然变大，导致周边水位骤降，如图4所示。为了研究工作井开挖降水对周边地层水位影响范围，分别计算了开挖第12步、第13步、第14步三个施工步下周边水位变化范围，图9为12-14施工步周边地层水位等值线。

图9 周边地层平均水头等值线(单位：m)

从图中可见开挖完第13步时，周边水位影响范围由12步突然变大；开挖至14步时，水位影响范围接近400 m。

3.2.2 不同工况下井周渗流水位分布

取工作井4倍直径范围内渗流场进行分析，其工作井周边水头变化及分布如图10所示。

图10 不同开挖步周边平均水头分布(单位：m)

从图中可见，在开挖12步时，工作井周边地层水头变化较小，涌水量较少。而在开挖第13步时，工作井周边水为降低突然变大，该施工步所在土层渗透系数突然变大，用水量突然变大，从而导致水头骤降。开挖至14步，工作井周边水头降低继续增大，而且影响范围增大，迅速扩大超过4倍直径范围，并引起较远处出现不均匀渗流场。结合实际工程， 14步土层为岩层裂隙发育带，透水性强，因此建议在后续类似工程中，地连墙适当加深，或通过注浆降低强透水层的透水性。

3.2.3 不同位置的土层渗流分析

由分析可知，工作井开挖工况降水影响半径为400 m,因此选取该范围内不同距离地下水情况进行分析，图11为三施工步下400 m范围内不同距离的水头分布与水头变化幅度关系曲线。从图中明显可以看出，在开挖第13、14步时，两者水头变化及影响范围均较大。

图11 三施工步水头变化、分布与工作井距离关系曲线

在开挖完成14步开挖后，水头分布随着距离逐渐下降至平缓，出现平缓而非继续下降的主要原因是建模时进行了简化，认为该施工步所在地层地质条件完全相同，而实际上该地层裂隙发育分布不均匀。另外，水头变化幅度远远超过开挖水头降低幅度和影响范围，将会造成周围建筑产生较大的沉降，需在后期施工过程中降低开挖施工过程中的渗水量并加强对该些点位的监测。