群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)在敏感環(huán)境下基坑工程中的應(yīng)用

楊 應(yīng) 義

(上海匯谷巖土工程技術(shù)有限公司，上海 200082)

隨著經(jīng)濟(jì)的騰飛，國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也迎來(lái)大發(fā)展，各地地鐵建設(shè)、橋隧工程、商住高層建筑等遍地開(kāi)花，基坑工程技術(shù)也得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展?；庸こ躺疃仍絹?lái)越深，軟土地層中最大開(kāi)挖深度超過(guò)30 m～40 m；規(guī)模愈來(lái)愈大，甚至一個(gè)項(xiàng)目分為幾個(gè)基坑先后或同步實(shí)施的情況也屢見(jiàn)不鮮，單坑面積能達(dá)10 000 m2以上。在沿海沿江一帶富水地區(qū)開(kāi)挖深基坑的過(guò)程中，往往會(huì)面臨嚴(yán)峻的地下水問(wèn)題，特別是承壓水引發(fā)的問(wèn)題、事故，輕則影響施工進(jìn)度，重則影響環(huán)境安全甚至引發(fā)嚴(yán)重的社會(huì)影響，如圍護(hù)結(jié)構(gòu)失效、基坑周邊房屋道路開(kāi)裂、基坑積水、坍塌等事故時(shí)有發(fā)生，地下水引發(fā)的事故在基坑事故中所占比例之大[1]、影響之大可見(jiàn)一斑。

合理的止水帷幕設(shè)計(jì)、可控的施工質(zhì)量以及有效的基坑降水均是地下水處理過(guò)程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。地下水處理過(guò)程中如何降低對(duì)環(huán)境的影響，特別是對(duì)敏感環(huán)境影響，是深大基坑開(kāi)挖過(guò)程中最受關(guān)注的內(nèi)容。

本文以上海地區(qū)某深基坑工程為例，在基坑正式施工之前，采用群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)，驗(yàn)證降水井的降水能力，驗(yàn)證止水帷幕的隔水效果，為降水對(duì)周邊環(huán)境影響做出及時(shí)判斷，并為止水帷幕的修補(bǔ)提供可參考的數(shù)據(jù)。

1 驗(yàn)證性群井抽水試驗(yàn)

1.1 地下水處理形式

對(duì)于地下水，埋深較淺的上層滯水、潛水這類(lèi)無(wú)壓水，通常含水介質(zhì)顆粒較細(xì)，滲透系數(shù)較小，補(bǔ)給條件有限，采用疏干處理，可以降低地層中的含水量，便于施工開(kāi)挖。

但是對(duì)埋藏深度較大，含水介質(zhì)通常為砂類(lèi)、礫類(lèi)、滲透性質(zhì)良好，富水性較好的地層中的承壓水，通常采用止水帷幕結(jié)合按需減壓降水思路進(jìn)行“按需降水”處理，才能避免承壓水出現(xiàn)突涌、流砂等不良地質(zhì)現(xiàn)象。

1.2 群井驗(yàn)證性抽水形式

這實(shí)則是原位模擬基坑開(kāi)挖到基底時(shí)，降水降至安全水位的過(guò)程。

在現(xiàn)場(chǎng)完成坑內(nèi)、外降水井成井施工之后，通常留坑內(nèi)井?dāng)?shù)的20%做備用余量，其余井悉數(shù)參與群井驗(yàn)證性抽水?？油饩梢曋苓叚h(huán)境間距按10 m～50 m布置，對(duì)于敏感環(huán)境，坑外井加密布置間距10 m～20 m，基本在2～3幅地墻布置1口觀測(cè)井，以判定坑外地下水水位波動(dòng)情況。

根據(jù)地下水處理形式的不同，群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)可以分為疏干井群井抽水、減壓井群井抽水。疏干井群井抽水可以結(jié)合預(yù)抽水過(guò)程完成，抽水時(shí)間較長(zhǎng)，一般2周，由于主要針對(duì)無(wú)壓水，水量有限，開(kāi)挖深度范圍內(nèi)止水帷幕質(zhì)量較為可控、可靠，坑內(nèi)抽水過(guò)程中，坑外地下水水位下降幅度通常小于1.0 m。減壓井驗(yàn)證性群井抽水則是時(shí)間較短，抽水8 h～48 h水位即可穩(wěn)定，但是承壓水含水層埋深較大，止水帷幕對(duì)其隔水效果往往極具不確定性，一旦開(kāi)挖過(guò)程中再暴露出止水不良，則補(bǔ)救代價(jià)非常大。所以非常有必要對(duì)深部承壓含水層進(jìn)行驗(yàn)證性群井抽水試驗(yàn)，可以對(duì)止水效果做出迅速、直觀的判斷，排查滲漏點(diǎn)，并及時(shí)采取措施。

2 驗(yàn)證性群井抽水試驗(yàn)案例

2.1 基坑概況及周邊環(huán)境

該基坑工程為地下3層島式車(chē)站主體基坑，場(chǎng)地位于上海浦東新區(qū)，張楊路北側(cè)，沿云山路呈南北向布置。車(chē)站東南側(cè)為已建地鐵6號(hào)線車(chē)站和出入口，與主體基坑最近距離38 m；南側(cè)有道路下方的共同管溝，最近距離8 m；南側(cè)6號(hào)線雙圓盾構(gòu)區(qū)間，最近距離31 m。

云山路站主體分為A，B兩區(qū)施工，先期施工A區(qū)，而后為B區(qū)，如圖1所示。

其中，A區(qū)為南端頭井段，面積約1 100 m2，基坑深度26.4 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻結(jié)合內(nèi)支撐的形式，地墻厚度為1 200 mm，深度為48 m，坑內(nèi)設(shè)置8道支撐。A,B區(qū)之間的分隔墻深48 m，墻厚1 000 mm。A區(qū)基坑外側(cè)采用800 mm厚TRD工法做止水帷幕，深度為60 m ，西側(cè)局部采用φ2 200@1 100RJP大直徑高壓旋噴樁與TRD搭接，見(jiàn)圖2。

2.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

場(chǎng)地工程地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)條件：基坑開(kāi)挖底面基本在硬土層第⑥粉質(zhì)粘土層。在基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)，主要地層為①填土、②粉質(zhì)粘土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤11粘土、⑤12粉質(zhì)粘土；在基底以下，主要地層有⑦11粘質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑦12砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂、⑨粉砂等。其中，潛水賦存于淺部粘性土層中；在28 m以下是上海第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層，由于缺失第⑧層，第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層(即第⑦層、第⑨層)相互連通。本地區(qū)第⑦層承壓含水層水頭埋深一般在3 m～11 m，專(zhuān)項(xiàng)水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)期間，第⑦層初始水位埋深5.80 m～6.18 m，其他水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 第⑦層水文地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

2.3 基坑降水設(shè)計(jì)

基坑地下連續(xù)墻嵌入第⑦2層中約8 m，外圈TRD,RJP工法嵌入⑦2層約20 m，在A區(qū)基坑外側(cè)形成雙層止水帷幕。

根據(jù)地層埋深、水文地質(zhì)參數(shù)，考慮基坑底板的突涌安全性，驗(yàn)算下部承壓水含水層的頂托力對(duì)基坑的穩(wěn)定性[2]。

γshs≥Frwhw。

其中，F(xiàn)為基坑底面突涌安全系數(shù)(取1.05)；hs為基坑底板至承壓含水層頂板垂向距離，m；hw為承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度，m；γs為基坑底板至承壓含水層頂板之間的土的平均重度,kN/m3；γw為地下水的重度(取10.0 kN/m3)。

根據(jù)計(jì)算，A區(qū)基坑開(kāi)挖到底時(shí)上覆土層的壓重為22 kPa，突涌安全系數(shù)僅為0.1，遠(yuǎn)小于1.05。在基坑到底時(shí)，距離承壓含水層頂板僅1.2 m，土層與地墻或坑內(nèi)樁、柱局部接觸不良，承壓水要求降至基底以下1.0 m。

基坑內(nèi)布置3口減壓降水井(詳見(jiàn)圖2，WA-1～WA-3)，其中1口為備用井、觀測(cè)井，井深48 m，過(guò)濾器長(zhǎng)15 m，井徑273 mm，孔徑650 mm。

坑外以間距15 m～20 m布置觀測(cè)井7口，井結(jié)構(gòu)同坑內(nèi)井(見(jiàn)圖2，H-1～H-6)。

2.4 驗(yàn)證性群井抽水試驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)成井施工完成后，利用坑內(nèi)2口井進(jìn)行群井抽水(WA2,WA3)，坑內(nèi)1口觀測(cè)井(WA1)、坑外6口觀測(cè)井(H1,H2,H3,H4,H6,H7)。

1)初始水位。

群井抽水試驗(yàn)之前，對(duì)第⑦層承壓含水層的水頭埋深進(jìn)行監(jiān)測(cè)，見(jiàn)表2。測(cè)得其初始水頭埋深比較穩(wěn)定，地面整平標(biāo)高為+4.150，初始水頭埋深在地面以下5.6 m。

表2 第⑦層初始水頭埋深統(tǒng)計(jì)值

2)試驗(yàn)流量及水位。

群井抽水試驗(yàn)共歷時(shí)24 h。其中，WA2井平均出水量約為7.87 m3/h；WA3井平均出水量約5.27 m3/h。2口抽水井均較為穩(wěn)定。

由圖3可見(jiàn)：

1)抽水期間，坑內(nèi)觀測(cè)井水位有明顯下降，水位基本已穩(wěn)定，坑內(nèi)最大水位降深已經(jīng)降至基底以下，完全滿(mǎn)足基坑安全所需。

2)坑外井內(nèi)地下水水位下降幅度差異明顯。H2井水位下降幅度最大，達(dá)5.58 m，H1井水位下降1.22 m，H3井水位下降0.67 m，H4井水位下降0.31 m，H6井水位下降0.51 m，H7井水位下降0.61 m。

根據(jù)水位異常趨勢(shì)，分析認(rèn)為A區(qū)東側(cè)H2井位附近止水帷幕存在異常，考慮目前群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)僅為短期抽水，后期基坑開(kāi)挖過(guò)程中降水正式運(yùn)行則是長(zhǎng)時(shí)間抽水，坑外地下水水位下降幅度會(huì)進(jìn)一步增加，且必將引起土層應(yīng)力增加，加劇周邊地鐵設(shè)施、共同溝等沉降變形。因此，需要對(duì)止水帷幕進(jìn)行排查并采取補(bǔ)救措施。

3)三維滲流模擬。

根據(jù)地質(zhì)資料以及抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Visual Modflow專(zhuān)業(yè)降水分析軟件，對(duì)基坑群井抽水過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬反演。

計(jì)算中涉及到建立多孔介質(zhì)和流體不可壓縮時(shí)非恒定達(dá)西滲流場(chǎng)求解的微分控制方程[3-5]：

其中，S為貯水系數(shù)；Sy為給水度；M為承壓含水層單元體厚度,m；B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度，m；kxx，kyy，kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)，m/d；H為點(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的水頭值，m；W為源匯項(xiàng)，d-1；H0(x,y,z,t)為點(diǎn)(x,y,z)處的初始水位，m；Γ1為類(lèi)邊界條件；H1(x,y,z,t)為點(diǎn)(x,y,z)在t時(shí)刻的邊界已知水位，m。

對(duì)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)資料進(jìn)行整理，將數(shù)據(jù)代入三維數(shù)值模型中(見(jiàn)圖4)，進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。

通過(guò)坑內(nèi)、坑外井實(shí)測(cè)降深曲線與數(shù)值模擬取得的計(jì)算降深曲線進(jìn)行對(duì)比分析，各觀測(cè)井水位對(duì)比見(jiàn)圖5，圖6。

根據(jù)三維滲流模擬計(jì)算，模擬計(jì)算的坑內(nèi)、外地下水水位變化趨勢(shì)、下降幅度與實(shí)測(cè)數(shù)值匹配良好，計(jì)算精度高。

2.5 水位異常分析

由于已施工雙層止水帷幕，在東側(cè)H2井出現(xiàn)水位變化異常，無(wú)法判斷是地墻還是TRD工法出現(xiàn)滲流，利用三維滲流模擬對(duì)地下水滲流場(chǎng)模擬，分析水位異常的原因。

1)假定條件。

a.基坑外側(cè)只有48 m深度的地下連續(xù)墻，外圈無(wú)TRD工法；b.地層參數(shù)等與群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)反演模型一致；c.地墻能達(dá)到良好的隔水效果，無(wú)滲漏；d.試算時(shí)間同前期生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)時(shí)間，抽水延續(xù)1 d，坑內(nèi)水位降幅約24 m～25 m。模擬結(jié)果如圖7所示。

2)假定條件。

a.基坑外側(cè)同時(shí)有48 m深度的地下連續(xù)墻及60 m深度的TRD工法；b.地層參數(shù)等與群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)反演模型一致；c.地墻、TRD能達(dá)到良好的隔水效果，無(wú)滲漏；d.試算時(shí)間同前期生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)時(shí)間，抽水延續(xù)1 d，坑內(nèi)水位降幅約24 m～25 m。模擬結(jié)果如圖8所示。

群井生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為1.22 m,5.58 m,0.67 m；三維滲流模擬計(jì)算只有地墻時(shí)的結(jié)果，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為2.50 m,2.80 m,2.60 m；三維滲流模擬計(jì)算同時(shí)有地墻+TRD時(shí)的結(jié)果，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為0.58 m,0.63 m,0.61 m。對(duì)比3組結(jié)果，H1,H3井內(nèi)實(shí)測(cè)水位小于只有地墻時(shí)的試算結(jié)果，說(shuō)明外側(cè)的TRD大部分區(qū)域繞流止水達(dá)到效果；H2井內(nèi)水位明顯大于試算結(jié)果，說(shuō)明在H2井附近的區(qū)域，地墻在30 m～48 m深度，對(duì)承壓水水平向的阻隔失效，出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，同時(shí)H2井附近的區(qū)域的TRD在30 m～60 m的深度止水效果也需進(jìn)一步排查。

2.6 止水帷幕排查

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)排查，在靠近H2井的“Z”型地墻成墻期間，存在超灌混凝土現(xiàn)象，形成鼓包，見(jiàn)圖9。

分析認(rèn)為，“Z”型地墻距離外圈TRD工法1 m～3 m，鼓包的形成也同時(shí)影響到后期TRD工法的施工，導(dǎo)致這一位置上出現(xiàn)坑內(nèi)外地下水局部聯(lián)通。

為控制后期基坑降水運(yùn)行對(duì)周邊環(huán)境的不利影響，在“Z”型地墻與TRD工法之間進(jìn)行RJP超高壓旋噴注漿處理，加固深度為地面以下30 m～50 m。

在注漿加固前后，分2次進(jìn)行坑內(nèi)群井抽水，并通過(guò)坑外觀測(cè)井進(jìn)行水位觀測(cè)，歷時(shí)均為5 h。

從表3可以看出，在坑內(nèi)水頭降至安全水位后，坑外觀測(cè)井水位最大僅下降0.17 m，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。表明RJP超高壓旋噴注漿有效解決了帷幕滲漏問(wèn)題，杜絕了后續(xù)施工安全及環(huán)境影響隱患。

表3 坑外觀測(cè)井水位變化統(tǒng)計(jì)值 m

2.7 實(shí)際降水運(yùn)行

根據(jù)抗突涌穩(wěn)定性計(jì)算，基坑開(kāi)挖至15.2 m為臨界挖深，基坑開(kāi)挖至基底26.4 m，水位需控制在27.4 m。

實(shí)際施工過(guò)程中，坑內(nèi)水位控制28.0 m左右，坑外水位下降幅度約0.1 m～0.3 m?；咏邓畬?duì)周邊環(huán)境的影響得到有效的控制，基坑降水運(yùn)行期間坑外水位變化歷時(shí)曲線見(jiàn)圖10。

3 結(jié)語(yǔ)

1)在富水地層中進(jìn)行深基坑開(kāi)挖施工時(shí)，有止水帷幕的繞流作用時(shí)，基坑降水對(duì)坑外環(huán)境的影響是可控的，一旦止水帷幕因?yàn)槭┕ひ蛩厥Щ蛘咧顾∧辉O(shè)計(jì)深度不夠，失去繞流阻隔的功能，則基坑降水對(duì)環(huán)境的影響是極為負(fù)面的。

2)對(duì)于施工環(huán)境復(fù)雜或環(huán)境保護(hù)要求高的敏感環(huán)境場(chǎng)地，在深基坑工程的止水帷幕封閉之后、正式開(kāi)挖之前有必要進(jìn)行群井驗(yàn)證性抽水試驗(yàn)，并結(jié)合合適的技術(shù)手段進(jìn)行止水帷幕的防滲檢測(cè)，對(duì)基坑地下水控制、環(huán)境保護(hù)有積極意義。

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