深基坑不同工况条件下地下水控制思路及其实施效果分析

2022-03-24李昊

低碳世界 2022年1期

关键词：承压水粉质渗透系数

李昊

（中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏南京 210000）

1 工程概况及水文地质情况

1.1 深基坑一工程概况

苏南某城市地铁控制中心深基坑工程，基坑平均挖深约17 m，基坑围护结构采用1 m 厚地下连续墙，深度30~40 m，部分地墙底未进入相对隔水层。

1.2 深基坑一工程地质和水文地质情况

工程基坑底位于粉砂夹粉土地层。

地层地下水含水量充沛，主要分为上层孔隙潜水，基底地层的微承压水以及深层承压水。基底④2粉砂夹粉土层（渗透系数3.0×10-3）的微承压水水头埋深约2.6 m，承压水含水层主要为基底以下的⑤1a粉土夹粉质黏土（渗透系数3.5×10-4）、⑦2粉砂夹粉土（渗透系数3.5×10-3）、⑦4粉砂夹粉土及下部粉土、粉砂层，稳定水头埋深约5.5 m。

1.3 深基坑二工程概况

华中某城市地铁盾构区间风井深基坑距长江约1500 m，其中主基坑开挖深度约36 m，附属基坑开挖深度约16 m。

主基坑地下连续墙深57~59 m，厚度1.2 m，墙底进入强风化泥岩3~5 m。

附属基坑地下连续墙深55~59 m，厚度1.0 m，墙底进入强风化泥岩3~5 m，考虑附属基坑挖深仅约16 m，附属基坑地下连续墙22 m 以下仅考虑止水需要，设计为素混凝土浇筑。

1.4 深基坑二工程地质和水文地质情况

区间风井深基坑地层自上而下分别为①2素填土、①3淤泥、⑥1粉质黏土、⑥1a粉质黏土、⑩1黏土、⑪1含黏性土粉细砂、⑪2含黏性土中细砂。其中，附属基坑基底位于⑩1黏土、⑪1含黏性土粉细砂地层中，主基坑基底位于⑪2含黏性土中细砂地层中。基坑地连墙墙底位于⑳2a中风化泥岩地层，入岩深度3~5 m。

深基坑二地下水主要有上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水3 种类型。基坑范围内的承压水主要赋存于⑪1含黏性土粉细砂层（渗透系数 4.1×10-）3、⑪2含黏性土中细砂层（渗透系数1.7×10-2）和中粗砂混砾卵石层（渗透系数2.3×10-2）中。

2 不同工况条件下深基坑地下水控制思路分析

2.1 深基坑一地下水控制思路

深基坑一地下水含量充沛，其类型主要分为上层孔隙潜水、基底地层的微承压水以及深层承压水，针对这3 类地下水的控制思路，主要体现为“分层控制”的理念[1]。

（1）针对上层孔隙潜水的控制，地下连续墙进入⑤1粉质黏土，该层土渗透系数8.5×10-6，隔水性能较好，地下连续墙能够较好地隔断坑内上层潜水与坑外潜水的水力联系，在这一基础上，鉴于开挖范围内主要为弱透水层，透水性差、含水高，同时④2粉砂夹粉土层底板距离基底较近，降水过程中容易产生滞水，基坑内按照单井有效抽水面积200 m2，共设置60口疏干井，基坑挖前采用真空进行抽水，减少地层的滞水，加快地层的疏干，尽量降低地层含水量。同时由于地下连续墙的相对物理隔断，也减少了长时间坑内降浅层潜水过程中对坑外环境的影响，特别是对周边建（构）筑物的变形影响。

（2）针对基底④2粉砂夹粉土层的微承压水的控制，该层土渗透系数3.0×10-3，深基坑底板位于该层土。经验算，当基坑开挖至6.7 m 时，坑内地基土抗④2承压水稳定性处于临界状态（抗承压水分项系数1.05），基坑开挖不满足抗④2层承压水稳定性的要求。而由于该层土位于基坑底板位置，需开挖地层，且地下连续墙底进入④2层以下的⑤1粉质黏土，理论上已隔断该层承压水的基坑内、外水力联系，因此只需综合降上层潜水需求共同设置疏干井，井深23~25 m，将疏干井深入基底约6 m，即可在降潜水的同时对该层微承压含水层进行疏干。

（3）对于⑤1a粉土夹粉质黏土层的承压水和⑦2粉砂夹粉土层的承压水，该层土渗透系数3.5×10-4，基坑北侧地下连续墙未能穿透该层进入其下的⑦粉质黏土（渗透系数2.3×10-5）相对隔水层。

随着基坑开挖深度的增加，基底至承压含水层之间的覆土厚度减小，下部承压水有引发基底突涌的风险[2]。基坑底板抗突涌稳定条件为：基坑底板至承压含水层顶板间的土重力应大于承压水的顶托力，计算如式（1）所示：

式中：Kh——突涌稳定安全系数，Kh不应小于1.1；D——承压含水层顶面至坑底的土层厚度，m，D=Ha-Hb；γ——承压含水层顶面至坑底土层的天然重度，kN/m3；hw——承压含水层顶面的压力水头高度，m；γw——水的重度，10 kN/m3。

根据地质勘察资料，⑦2承压含水层的水位标高为-2.73 m，⑤1a承压含水层水位标高为-2.03 m，土重度为18.4 kN/m3。

通过计算分析，基底抗⑤1a承压含水层突涌系数均小于0.9，不满足抗突涌要求，承压水位需降低4.64~10.41 m；基底抗⑦2承压含水层系数在控制中心主楼坑中坑处为1.0、其余部位均大于1.05，若安全系数按1.0 考虑，则本工程无须考虑⑦2层减压降水问题，但从安全角度考虑，本次安全系数取1.1，控制中心主楼承压水位需降低3.04 m，其余部位需降低0.96~1.21 m。为详细分析⑤1a和⑦2层承压水的控制参数，对降水井数量、水位降深等参数进行分析、验证，根据场地水文地质特征，对水文地质条件进行概化，通过概念模型运算分析，基坑各部分⑤1a粉土夹粉质黏土承压含水层水位降低至安全水位时，基坑总涌水量约为400 m3/d，共布置10 口⑤1a层降压井（包含2 口观测兼备用井），井深33 m，底部设置3 m 桥式滤水管，其上再回填5 m 黏土球进行隔离止水，防止与上层地下水通过钻孔产生水力联系，坑外水位下降最大约2.0 m。

通过计算，基坑内共需10 口⑦2层降压井，考虑到抗突涌稳定，安全系数按1.1 取值，实际布置6 口⑦2层降压井，4 口布置在控制中心主楼，主变电站及控制中心附楼各布置1 口，井深45 m，底部设置6 m桥式滤水管，其上再回填5 m 黏土球进行隔离止水，防止与上层地下水通过钻孔产生水力联系。该部分井主要以观测备用为主。

2.2 深基坑二地下水控制思路

根据地质勘察报告，深基坑二地下水主要有上层滞水、孔隙承压水、基岩裂隙水3 种类型。

不同于苏南地区深基坑地下水控制思路，位于华中地区的深基坑二因地下连续墙进入隔水中风化泥岩，地下控制则只考虑对“孔隙承压水”进行疏干；对于上层滞水则采取坑内明排方式处理；对于基岩裂隙水，由于主要由基岩上部的承压水下渗补给，其水量较为匮乏，对本工程基本无影响，则未予考虑。总结深基坑二的地下水控制思路，则可归纳为以下两点。

（1）鉴于该基坑地下水量丰富，承压水与长江水力联系密切，丰水期长江水补给孔隙承压水，且紧邻紫阳湖布置，围护结构设计阶段，地下水的控制就成了一个极为重要的因素。设计方案采用了落底式（墙底进入中风化泥岩）地下连续墙，主基坑因挖深约36 m，设计墙厚1.2 m，外侧结合盾构端头加固设置0.8 m 厚止水素墙，两墙均落底。附属基坑挖深约16 m，设计墙厚1.0 m，同样按落底设计，理论上可较好地隔离基坑内外水力联系。

（2）根据地下水类型及基坑面积、降水深度、布井方式等因素，按“大井”法承压非完整井公式计算基坑涌水量Q=7905 m3/d；根据水文地质勘查结果，按照单井出水量公式计算单井出水量为718 m3/d，实际为480 m3/d，考虑地下连续墙落底折减系数0.6，共需布置降水井11 口，经软件模拟计算优化，实际布置8 口降水井（其中主基坑2 口，附属基坑3 口，盾构端头固区内3 口），可将各分区承压水降至基坑底板下。井深45 m，滤管设置在⑪1层含黏性土粉细砂（渗透系数 4.1×10-3）、⑪2层含黏性土中细砂（渗透系数 1.7×10-2）和中粗砂混砾卵石层（渗透系数 2.3×10-2）承压水层中，深基坑底板以上不设置滤管。

3 地下水控制效果分析

3.1 深基坑一地下水控制效果分析

（1）深基坑一实施过程中，坑内布置的疏干井起到较好的疏干作用，⑤1a粉土夹粉质黏土承压水层的降压井降压效果也非常有效，基坑开挖作业较为顺利，未受地下水影响。

但在坑底坑中坑开挖过程中，基底④2粉砂夹粉土层中的含水较多，现场采用了坑中坑部位增加临时轻型井点的方式进行处理，也确保了深基坑作业的顺利实施。

（2）由于基坑北侧地下连续墙未能穿透⑤1a承压含水层进入其下的⑦层粉质黏土层隔断深基坑内外水力联系，在进行⑤1a承压水降压过程中，坑外东、西两侧的港华燃气和机场路加油站建筑物均出现了沉降变形量超限问题，造成了建筑物装修层损坏情况。分析其原因是在坑内进行承压水降压作业过程中，地下连续墙未能隔断坑内外承压水层，在坑外承压水水位下降过程中，浅层潜水通过相对隔水层与承压水层联系并随之出现一定程度的下降，造成浅表地层失水固结沉降，进而导致坑外建（构）筑物的沉降变形[3]。

3.2 深基坑二地下水控制效果分析

深基坑二实施过程中，地下水的控制效果也达到了基坑安全开挖的目的。

但在坑内降水实施过程上也出现了一些问题，主要体现在以下3 个方面。

（1）主基坑内2 口降水井在抽水过程中发现其中1 口井出水量不足，为确保超深基坑（挖深约36 m）开挖过程中的地下水控制效果，在基坑开挖至第二道支撑（挖深约11 m）时，坑内补充增设了1 口降水井，后经实际验证，降水效果变化明显，主基坑开挖至基底时，其中2 口井已基本不出水，仅1 口井间断少量出水，该现象说明主基坑两墙落底的地下连续墙止水效果较好，有效地隔断了坑内外水力联系。

（2）附属基坑内3 口井因需要保留至盾构穿越主基坑时进行主基坑洞门外降水使用，周期长达1~2 年，为确保主基坑破除盾构洞门安全，在实际实施过程中增设了2 口井，作为备用井使用。实际在附属基坑开挖过程，经抽水试验，3 口井可将承压水降至附属基坑底板（深底约16 m）以下，但由于单井出水量大于480 m3/d，20 m3/h 的水泵无法将附属基坑承压水降至盾构隧道洞门（深度约33 m）以下，后经更换50 m3/h 的水泵，方达到预期降深目标。

（3）附属基坑坑外观测井（承压水观测井）水位在坑内疏干降水过程中出现了2~3 m 的降深，但在附属基坑的长期抽水过程中基本维持在这一降深，且坑外环境变形监测点未出现较明显变化。分析附属基坑地下连续墙存在一定范围的渗漏，但在附属基坑开挖过程中并未发现地下连续墙的明显渗漏，推断渗漏部位位于其底板以下，而由于区域上部的黏土地层隔水性能较好，坑外“上层滞水”未受深层承压水降深影响，环境变形监测点也未有明显变化。