富水层深基坑工程减压降水设计与试验研究

陈潋

（中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001）

1 工程概况

某项目工程位于长兴岛北环河北侧的农田内，沿南北向布置，为地上2层、地下2层（局部地下4层）单柱双跨混凝土箱形结构。本区域基坑工程共分为南端头、标准段、机架段和北端头4个区域，南端头井基坑开挖深度约25.8 m，标准段及机架段基坑开挖深度约24.11～28.16 m，北端头井基坑开挖深度约31.7 m。场地整平后地面标高为+3.60 m。本工程基坑性质如表1所示。经本次勘察揭露，场地地基土在85.29 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，主要由饱和粘性土、粉土和粉砂组成，一般具有成层分布特点。拟建场地地基土自上而下分布及特征如表2所示。

表1 基坑工程施工内容概况

表2 场地土层分布及特征

表2（续）

影响本基坑开挖范围的主要承压含水层为第⑤3-2层、第⑦1-2层、第⑦2层、第⑨层。⑦1-2层水位埋深为2.19 m，标高为+1.41 m；⑦3层水位埋深为1.97 m，标高为+1.63 m；⑨1层水位埋深为1.77 m，标高为+1.83 m。前期水文地质勘察结果表明各承压水层性质，如表3所示。

表3 不同含水层性质一览表

2 减压降水设计

2.1 基坑底板抗突涌稳定性验算[1]

基坑底板抗突涌稳定性条件为基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力。即：

式（1）中：h为基坑底至承压含水层顶板间距离，m；γs为基坑底至承压含水层顶板间土的厚度加权平均重度，kN/m3；Fs为抗突涌安全系数，取1.05；γw为水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；H为承压含水层顶板以上承压水头高度，m。

依据勘察报告及水勘报告，对本工程影响的承压含水层主要为⑤3-2、⑦层，应根据基坑不同位置及最不利钻孔进行验算，⑤3-2层水位取标高+1.42 m，⑦层水位取标高+1.4 m。具体基坑各部位底板抗突涌稳定性验算结果如表4所示。

表4 基坑底抗突涌稳定性验算表

上述验算结果表明，本基坑工程全段均需要减压降水。

2.2 设计思路

本基坑工程的止水帷幕深入⑦2层，隔断⑤3-2、⑦1-2层，未隔断⑦2层。因此针对⑤3-2、⑦1-2层为悬挂式降水[2-4]，于坑内布置减压井，坑内观测。⑦2层为敞开式，在坑外设置⑦2层单独的减压井，坑外设置⑦2层独立观测井。

2.3 工程难点

本工程承压含水层降压范围为⑤3-2、⑦1-2、⑦2层，且前期水勘资料表明⑦2层为强富水层[5-6]，渗透系数大，对减压降水提出了一定的难度；本工程全区段均需减压降水，基坑周边有一定的环境保护要求，需控制降水引起的周边环境变形[7-8]，而⑦2层敞开式减压降水对减压设计以及降水运行管理提出了较高的要求；本工程⑦2层敞开式减压降水运营期间，水位恢复迅速，要求备用电源启用前的允许断电时间间隔不大于2 min，这不仅加大了承压水控制难度，同时也给后续降水运行管理提出了较高的要求。

2.4 抽水试验

2.4.1 抽水井概况

根据工程安排，在降水井施工结束后进行群井试验，群井试验分为三阶段，即三井群抽、九井群抽和十四井群抽。三井群抽和九井群抽阶段主要针对⑤3-2、⑦1-2层减压降水进行，十四井群抽是在九井群抽的基础上增开坑外五口⑦2层减压井针对⑦2层减压降水。抽水试验减压井平面位置示意图及井结构示意图分别如图1、图2所示。

图1 减压井平面示意图

图2 抽水试验井结构示意图

2.4.2 试验结果

三井群抽阶段单井出水量平均约为11.66 m3/h，九井群抽阶段单井出水量平均为6.8～12.6 m3/h。抽水井动水位埋深为39.2～46.3 m。三井群抽阶段坑内观测井YG1水位埋深为12.8 m，九井群抽稳定后坑内南端头及标准段处观测井水位埋深为27.15 m（安全水位控制埋深为15.19～16.83 m）；机架段处观测井水位埋深为25.97 m（安全水位控制埋深为20.64 m）；北端头井观测井水位埋深为28.01 m（安全水位控制埋深为26.8 m）。各区域水位均满足相应区域的⑤3-2、⑦1-2层安全水位控制需求。

九井群抽阶段，YW4、YW8单井平均流量为73.5～76 m3/h，YW3、YW5、YW6单井平均流量为25.7～35.9 m3/h。抽水稳定后，在坑内9口⑤3-2、⑦1-2层减压井+坑外5口⑦2层减压井联合抽水的基础上，本工程南端头及标准段处观测井水位埋深为13.41 m（安全水位控制埋深为6.96～8.57 m）；机架段处观测井水位埋深为14.55 m（安全水位控制埋深为12.41 m）；北端头井⑦2层观测井水位埋深为11.35 m（安全水位控制埋深为18.62 m）。南端头及标准段、机架段水位均满足相应的⑦2层安全水位控制需求，北端头处因有2口减压井YW1、YW2尚未施工，需待端头加固施工完毕后方可施工。由三维数值模拟计算结果可知，待YW1、YW2施工完毕，在坑内9口⑤3-2、⑦1-2层减压井+坑外8口⑦2层减压井联合抽水，可满足北端头井处⑦2层安全水位控制要求。抽水试验期间各观测井内水位变化如图3所示。

图3 不同群井抽水试验阶段观测井水位变化曲线

2.4.3 试验结论

根据本工程抽水试验结果与分析，可以得出以下结论：①本工程的承压水抽水试验实测结果显示，基坑内⑤3-2、⑦1-2层减压井群抽可满足基坑开挖至底时⑤3-2、⑦1-2层最大安全水位埋深需求。⑦2层减压井群抽满足南端头、标准段、机架段区域对⑦2层的水位控制需求，北端头因尚有2口减压井YW1、YW2未施工，需待端头加固施工完毕后方可施工，经数值模拟计算表明，待北端头2口减压井施工完毕，坑内⑤3-2、⑦1-2层群抽+坑外⑦2层群抽也可满足北端头对⑦2层的水位控制需求。②根据前期水文地质勘察报告可知，本工程⑦2层水位恢复迅速，要求备用电源启用前的允许断电时间间隔不大于2 min，运行高峰期排水量大、用电量高，现场需采取群抽状态下的大流量排水措施和用电保障措施。③后期需合理配置抽水井内的深水泵，并按照拟定减压井运行工况，秉承“按需降水、分层减压”原则，严格控制基坑内⑤3-2、⑦1-2层、⑦2层水位降深，避免少降或超降。

3 减压降水运行管理

为了控制减压降水对工程周边环境及工程自身的影响，根据降水方案及抽水试验、试降水工况，结合基坑开挖工况，制定了详细的减压降水工况，如表5所示。

表5 减压降水运行工况

根据表5可知，每个开挖工况提前1～2 d开启相应的降水井进行降水，同时采用回水阀控制减压井出水量，做到按需减压。

4 结论

本工程作为长兴岛内邻近长江的某项目深基坑工程，承压含水层为强富水层，工程地质条件复杂；基坑全区段均需减压降水，开挖深度最大的部位距离承压水层顶仅6.57 m，减压降水风险高。在正式减压降水前通过抽水试验进行分析，实现了减压降水的安全设计，解决了工程施工过程中的难点，满足了基坑开挖的安全需求。结合基坑开挖工况制定详细的减压运行工况，做到“按需减压”[3]，控制减压降水对周边环境的影响。在减压降水运行期间，采取备用电源及备用井等一系列的配套措施，是控制减压降水运行风险最有效的措施。本工程的顺利实施，为后续其他标段及其他类似临近深基坑工程提供了良好的参考。