杭州市望江路隧道工程江南工作井深基坑工程地下水控制分析與對策

孫小波

1　引言

目前引發(fā)基坑工程事故的原因分為兩類：一是土，二是水[1]。而其中大部分事故是因地下水引起的基坑安全事故及環(huán)境事故，如2003年上海軌道交通4號線工程浦東南路站-南浦大橋區(qū)間隧道工程進行中間風(fēng)井下部聯(lián)絡(luò)隧道施工時，發(fā)生了大規(guī)模流砂事故，導(dǎo)致約270m隧道發(fā)生坍塌損壞，地面發(fā)生了較大的沉陷，事故場區(qū)建筑物和防汛墻發(fā)生傾斜破壞[2]；2006年，上海地鐵7號線某車站降承壓水誘發(fā)周圍地層嚴重沉降，最大沉降量達到140mm[3]；南京、杭州等沿海城市也發(fā)生過多次類似事件[4～6]，基坑降水顯得尤其重要。

目前基坑建設(shè)中對于地下水的認識多來源于工程勘察資料，其深度及精度受到很大的制約，遠不能滿足基坑工程地下水控制分析的要求，已成為深基坑工程承壓水風(fēng)險源之一[7]。

杭州市望江路隧道江南工作井臨近錢塘江岸邊，周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水控制難度極大。為消除或減弱地下水對基坑安全及其周邊環(huán)境的不利影響，開展了專項抽水試驗，進行了基坑降水方案評價，提出了相應(yīng)的基坑地下水控制措施。

2　工程概況

2.1　工程概況及周邊環(huán)境

杭州市望江路過江隧道工程位于杭州市錢江三橋上游約1.5km處，由江北沙地路起，沿望江路，穿越錢塘江，至南岸江暉路，終于丹鳳路，銜接上城區(qū)與濱江區(qū)，設(shè)計里程為YK0+000.000～YK3+586.566，全長3586.566m，其中隧道段長度3240m。

江南工作井基坑平面尺寸為37.6m×23.6m，開挖深度約為25.57m。基坑圍護結(jié)構(gòu)及止水采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻墻厚1200mm，深度65.0m，入中風(fēng)化巖層不少于2.0m。

圖1　杭州市望江路隧道平面及周邊環(huán)境示意圖

2.2　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場地內(nèi)，根據(jù)勘探揭露地基土的成因時代、巖性、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測試及勘察單位附近工程經(jīng)驗，可將勘探深度內(nèi)地基土劃分為10個工程地質(zhì)層，共28個亞層和5個夾層。

江南工作井所處場地地層自上而下依次為：①2層素填土；③2砂質(zhì)粉土；③3粉砂夾粉土；③4砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；③5粉砂夾粉土；③7砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂；⑧3粉砂；12○1粉砂；14○3卵石；（23）2強風(fēng)化砂礫巖及（23）3中等風(fēng)化砂礫巖?；拥装逦挥冖?淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，止水帷幕底部位于（23）3中等風(fēng)化砂礫巖中。

場地勘探深度以淺的地下水類型按其含水介質(zhì)、水動力特征及其賦存條件，主要分為第四系松散巖類孔隙潛水、第四系松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水三類。

孔隙潛水主要賦存于場區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi)，勘察期間實測潛水位埋深1.30～4.50m，相對于標(biāo)高為3.44～5.72m，平均水位標(biāo)高為4.80m。

孔隙承壓水主要賦存于下部⑧3、12○1粉砂和14○3卵石層內(nèi)，上覆⑥和⑧層黏性土，是相對隔水層，構(gòu)成了含水層的承壓頂板。上述含水層之間水力聯(lián)系密切，各含水層之間局部分布有相對隔水層，但上下兩層含水層之間或直接接觸或存在越流補給，因此可視為同一承壓含水層。本含水層總的特點是：承壓、透水性好、水量大，水質(zhì)為咸水，屬封存型含水層，地下水逕流滯緩。根據(jù)江南長期觀測孔觀測資料，水位標(biāo)高為-0.45～-1.74m，水位變幅在0.65m之間。承壓含水層在自然狀態(tài)下，總體而言水頭壓力較平穩(wěn)，水位變化較小。但由于受人工開采、降水和潮汐的影響，水位變化較大。

基巖裂隙水埋藏于第四紀土層之下，主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，含水層透水性受巖石的風(fēng)化程度、裂隙的發(fā)育程度、裂隙貫通性等控制，裂隙水主要受側(cè)向補給和上部承壓含水層下滲補給，逕流緩慢，向下游排泄，基巖裂隙水水量微弱，對本工程意義不大。

3　專項水文地質(zhì)試驗

3.1　試驗?zāi)康?/h3>

江南工作井承壓含水層由⑧3、⑨3粉砂、12○1粉砂、12○4圓礫和14○3卵石層含水層組構(gòu)成，厚度達到約37m?；娱_挖深達到25.57m，在基坑施工過程中需大面積、長時間的抽降以上含水層組中的地下水。

鑒于本工程基坑降水井單井出水量大，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，在基坑開挖施工時，應(yīng)加強監(jiān)測地下水水位的力度，且地下水水頭埋深受季節(jié)性及潮汐影響，為掌握準確的地下水位信息，本工程基坑在正式開挖施工之前進行了抽水試驗。

試驗的目的主要是為制定可行、合理的地下水控制設(shè)計方案，包括以下幾點：

（1）了解本地區(qū)地下水水頭埋深分布情況、含水層組的水文地質(zhì)性質(zhì)、確定單井涌水量；

（2）分析斷電/停泵施工風(fēng)險；

（3）確定地層相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)；

（4）判斷降水設(shè)計方案的合理性，并對抽水試驗結(jié)果調(diào)整后續(xù)施工的降水井。

3.2　試驗布置

根據(jù)試驗?zāi)康?，以基坑西?cè)為試驗場區(qū)，坑外布設(shè)降水試驗井。承壓含水層共布置3口試驗井（2口抽水井，1口觀測井），具體井位及井結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。結(jié)合監(jiān)測方案，試驗期間在試驗區(qū)域范圍內(nèi)布置9個地表沉降監(jiān)測點。

圖2　承壓試驗井井位布置圖

圖3　承壓試驗井井剖面示意圖

3.3　試驗安排

本次試驗包括單井抽水試驗和兩井抽水試驗，主要用于確定含水層參數(shù)及分析抽水與環(huán)境變形間的關(guān)系。具體試驗如表1所示。

表1　試驗工況表（承壓含水層）

4　水文地質(zhì)評價

4.1　初始水位的確定

試驗期間含水層組的水位埋深為6.17～6.69m，對應(yīng)標(biāo)高為0.29～0.24m，與勘察測量的地下水水位標(biāo)高-0.45～-1.74m相比有一定差異。

考慮到水位觀測時間的差異、場地地面情況的變化以及觀測井點施工的影響，在基坑施工階段應(yīng)該對地下水水位埋深進行觀測，以便使基坑工程降水設(shè)計施工方案更加合理可靠。

表2　實測地下水初始水位

4.2　降水效果

4.2.1單井試驗

分別采用GY2、S1作為抽水井，進行單井試驗，單井平均出水量分別為20.7m3/h、39.4m3/h。單井抽水期間，GY2觀測井水位降深變化如圖4所示，采用50m揚程額定流量為25m3/h的潛水泵，距抽水井不同距離處承壓含水層觀測井均發(fā)生了相應(yīng)階段性變化，距其7.15m處的S1水位降深為0.72m；距其19m處的GY3水位降深為0.91m，由于卵石層的不均勻分布性，S1井處補給大，降深較小。

圖4　GY2單井，觀測井水位降深變化歷時曲線圖

4.2.2兩井試驗

采用GY2、S1作為抽水井，單井平均出水量分別為17.5m3/h、33.2m3/h。抽水期間，觀測井水位降深變化如圖5所示。當(dāng)以兩井形式抽承壓水時，距抽水井12.05～19.20m距離處的GY3觀測井處水位降深為3.38m。

圖5　兩井觀測井水位降深變化歷時曲線圖

4.3　水文地質(zhì)參數(shù)的確定

本文通過建立三維地下水滲流數(shù)學(xué)模型，采用有限差分數(shù)值法，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)反演水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

表3　抽水試驗反演參數(shù)一覽表

4.4　斷電、停泵施工風(fēng)險分析

GY2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至83.3%，恢復(fù)速度迅速；S2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至85.4～86.5%，恢復(fù)速度迅速；GY2、S2兩井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至80.5%，恢復(fù)速度迅速。因此，施工期間如出現(xiàn)斷電或者抽水井水泵損壞，而不能及時開啟水泵時，基坑的安全將受到嚴重的威脅，因此降水期間必須配備足夠功率的發(fā)電機，保障電源的正常工作，同時需設(shè)置一定數(shù)量的備用井，以防備水泵損壞出現(xiàn)異常情況。

4.5　環(huán)境變形分析

試驗期間典型地表沉降數(shù)據(jù)如圖6所示，單抽及恢復(fù)試驗期間，地表沉降呈現(xiàn)明顯的下降及回彈現(xiàn)象，但地表沉降變化滯后于抽水變化。單抽及恢復(fù)試驗期間，最大累計沉降量為1.5mm，沉降量較小。兩井抽水由于時間較短，且存在滯后現(xiàn)象，因抽水時間較短，試驗期間沉降變化不明顯。在實際降水施工期間，因抽水時間較長，對于保護的建構(gòu)筑物除，必須加強監(jiān)測，并做好充分的應(yīng)急預(yù)案。

5　基坑工程地下水控制分析

5.1　基坑工程地下水控制的難點

本基坑工程緊鄰錢塘江，工程環(huán)境條件復(fù)雜，在承壓地下水控制方面主要存在以下幾點難點：

圖6　試驗期間地表沉降累積變化曲線（斷面DB2）

（1）基坑開挖深達25.57m，針對承壓含水層降壓幅度為14.5m，降水幅度大；

（2）基坑止水圍護地連墻已進入下部的中風(fēng)化巖，理論上已隔斷承壓含水層，故止水帷幕的有效性是本工程降水成功與否的關(guān)鍵因素之一；

（3）根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)，單井及兩井出水量較大，達到17.0～40.0m3/h，后期施工運行難度大；

（4）本工程斷電、停泵時，地下水水位恢復(fù)迅速，10min即恢復(fù)81%～87%，因此考慮對應(yīng)風(fēng)險；

（5）由試驗可知，降水后會引起一定的地表變形。

5.2　基坑工程地下水控制的對策

針對上述難點建議采取以下地下水控制措施：

（1）地下水運行控制中需做到按需降水，確保開挖工況與降水工況保持一致，并加強環(huán)境監(jiān)測；

（2）基坑內(nèi)降水井施工完成后，需完成驗證試驗，檢驗降水及地墻止水效果；

（3）坑外布設(shè)觀測井，加強坑外水位的觀測，加強對地墻滲漏風(fēng)險的預(yù)警；

（4）設(shè)置專項排水系統(tǒng)，應(yīng)及時外排抽汲的地下水；

（5）考慮到斷電/停泵風(fēng)險及其他施工風(fēng)險，地下水控制運行過程中需配備風(fēng)險智能控系統(tǒng)，包括雙電源智能化切換系統(tǒng)、斷電報警系統(tǒng)、備用井自動開啟系統(tǒng)、水位自動化監(jiān)測和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

6　結(jié)論

杭州市望江路隧道江南工作井緊鄰錢塘江，且周邊環(huán)境復(fù)雜，為有效消除或減弱地下水引起的基坑安全風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險問題，本文通過專項水文地質(zhì)試驗，對本基坑工程的水文地質(zhì)進行了評價，分析了本基坑工程地下水控制的難點和風(fēng)險，進而提出了相應(yīng)的對策，其結(jié)論可直接應(yīng)用于基坑開挖期間的地下水控制設(shè)計及運行。

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