引滲疏干技術(shù)在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下深大基坑降水中的應(yīng)用

李　兵

(中鐵十四局大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210031)

0　引言

引滲疏干技術(shù)是一種將基底以上的地下水通過鉆孔引導(dǎo)自行滲入到下部含水層中，從而達(dá)到疏干上部地層水的一種降水方法。該方法適用于場(chǎng)地內(nèi)存在多層地下水的基坑工程，且基底以下存在穩(wěn)定的、透水性好的含水層，該含水層水位需低于基底，可以是其天然水位低于基底(引滲自降)或通過抽水降低該層水位至基底(引滲抽降)，原理參見圖1。引滲井可以是裸井，即成孔后直接在孔內(nèi)回填洗凈的砂、礫或砂礫混合濾料；也可以是管井，即成孔后在孔內(nèi)安裝濾水管，井周根據(jù)情況填入濾料。

在南京長(zhǎng)江漫灘地區(qū)，受沉積環(huán)境的影響，地層上存在有典型的二元地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，上部的粘性土層夾有薄層的粉土、粉砂；而下部巨厚的砂性土中又夾有薄層的粉質(zhì)粘土，整體上是一個(gè)多含水層的含水系統(tǒng)?？山Y(jié)合基坑開挖深度、圍護(hù)結(jié)構(gòu)特征、水文地質(zhì)條件等，充分利用引滲疏干技術(shù)對(duì)開挖范圍內(nèi)的土體進(jìn)行疏干。

圖1　引滲原理示意圖

1　工程概況

南京梅子洲過江通道及青奧軸線地下交通系統(tǒng)及相關(guān)工程是2014年青奧會(huì)的主要配套工程之一，主要由梅子洲過江通道連接線、濱江大道下穿隧道、互通匝道和青奧軸線廣場(chǎng)地下空間4部分組成，工程地處長(zhǎng)江漫灘，水系發(fā)育，地層條件復(fù)雜，基坑工程受地下水威脅嚴(yán)重，降水難度大，工程的核心控制性區(qū)域B2-J1區(qū)為地下立交段施工，由梅子洲主線隧道、濱江大道及互通匝道和地下空間疊落交錯(cuò)組成，為局部地下3層框架結(jié)構(gòu)，主要采用明挖暗埋法施工，“坑中坑”設(shè)計(jì)為其主要特點(diǎn)，采用大放坡開挖的地下空間基坑內(nèi)套直立開挖的隧道基坑的形式，基坑最大開挖深度達(dá)27 m，最大開挖寬度(東西向)約258 m，最大開挖長(zhǎng)度(南北向)約320 m。地面下8 m為放坡+懸臂開挖區(qū)，合計(jì)開挖土方約34萬m3；放坡開挖8 m深度后，再在坑底垂直開挖主隧道及4條匝道，合計(jì)開挖土方約20萬m3。本工程地處長(zhǎng)江邊強(qiáng)透水地質(zhì)條件下，基坑開挖深、面積大，涌水量大，開挖期間每天的涌水量達(dá)20萬m3，整個(gè)工程下來，要抽出6000萬m3水，相當(dāng)于10個(gè)玄武湖[1-4]。B2-J1區(qū)平面及空間布置見圖2。

根據(jù)基坑開挖深度不同，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)分別采用放坡、鉆孔樁、地下連續(xù)墻等形式，除有部分圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系外，其余均為“懸掛式”圍護(hù)結(jié)構(gòu)，坑內(nèi)外地下水具有水力聯(lián)系。本文以B2-J1為例，詳細(xì)介紹本工程的引滲疏干降水技術(shù)。

2　地質(zhì)及水文地質(zhì)條件[1,5-7]

2.1　地形地貌

圖2　B2-J1區(qū)平面布置圖

工程位于長(zhǎng)江夾江東南岸，屬長(zhǎng)江古河道漫灘地貌區(qū)，長(zhǎng)江為本區(qū)最大的地表水體，場(chǎng)地附近的夾江寬約400 m，另外場(chǎng)地附近還分布有紅旗南河、韓二河、江東南河。

2.2　巖土工程地質(zhì)條件

南京長(zhǎng)江漫灘地區(qū)第四系土層厚度50～60 m，局部深度>70 m。工程區(qū)第四系沉積物主要為河流相沉積，具有典型的二元結(jié)構(gòu)特征，因此，自上而下形成多個(gè)含水層。其中近地表為淺層孔隙潛水含水層，主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土，透水性差，層厚16.2～26.7 m，滲透系數(shù)0.05～1.5 m/d；以下為承壓含水層，承壓水層表現(xiàn)為由上向下依次為粉土、中砂和粉質(zhì)粘土混粗砂卵礫石等。本區(qū)地層結(jié)構(gòu)見圖3。

2.3　水文地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料以及本工程巖土工程勘察資料，按照地基巖土層的含水層巖性、埋藏條件和地下水賦存條件、水力特征，場(chǎng)區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙潛水、松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水。

圖3工程地質(zhì)剖面圖

第四系松散巖類孔隙潛水主要賦存于長(zhǎng)江漫灘區(qū)上部地層，含水介質(zhì)為粘性土、淤泥質(zhì)土及粉土，厚度6～30 m。其滲透性和富水性差，含水量貧乏，單井出水量一般小于50 m3/d，滲透系數(shù)多小于0.1 m/d。地下水位埋深為1.45～2.90 m，水位標(biāo)高4.55～8.47 m，水位變化主要受大氣降水和長(zhǎng)江水位的影響，年水位變幅一般為0.5～1.0 m。

松散巖類孔隙承壓水主要分布于基巖上部松散層中，其沉積物多呈二元或多元結(jié)構(gòu)，上細(xì)下粗，在漫灘區(qū)由于上部覆蓋淤泥質(zhì)土及粘性土隔水層或弱透水層，下部多為承壓含水層，含水介質(zhì)主要為粉細(xì)砂、底部為卵礫石層，厚度40～60 m，在長(zhǎng)江河道區(qū)直接與江水相通。含水層的滲透性和富水性良好，單井涌水量在500～1000 m3/d，上部粉細(xì)砂滲透系數(shù)為8.5～25.0 m/d，下部卵礫石層的滲透系數(shù)為30.0～50.0 m/d，水位埋深2.0～5.0 m，水位標(biāo)高3.50～6.20 m。上、下段之間局部有④層粉質(zhì)粘土夾粉砂分布，厚0～8 m，極不穩(wěn)定，可視為相對(duì)隔水層。勘察期間水位埋深1.50～5.50 m，水位標(biāo)高3.50～6.20 m，近長(zhǎng)江處水位隨江水位變化明顯。

3　引滲疏干井設(shè)計(jì)

B2-J1區(qū)基坑開挖面積約5萬m2，整個(gè)基坑先放坡開挖至地面下8 m，形成盆式基坑，再進(jìn)行主線隧道及匝道基坑的施工。

3.1　放坡開挖引滲井設(shè)計(jì)

盆式基坑開挖范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，含水量高、透水性差，對(duì)土方開挖運(yùn)行影響大；坑底下1～2 m則為③層粉砂、粉細(xì)砂承壓含水層，透水性好、涌水量大。因此，盆式基坑開挖過程中，需要考慮開挖范圍內(nèi)的土體疏干以及下部承壓含水層的減壓降水問題。

整個(gè)盆式基坑面積大，無任何支撐體系，降水井的運(yùn)行管理難度大，若每口降水井都安裝水泵抽水，則場(chǎng)地內(nèi)管線密布，對(duì)土方開挖影響很大，同時(shí)抽水的連續(xù)性也受土方開挖影響，勢(shì)必會(huì)造成降水效果差的同時(shí)土方開挖進(jìn)度慢等一系列問題。

為確保基坑安全，承壓水位需降低至基底以下1 m，而基底距離下部承壓含水層較近，因此，可利用引滲疏干技術(shù)將開挖范圍內(nèi)的地下水引滲至下部承壓含水層中，達(dá)到對(duì)開挖范圍內(nèi)的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土進(jìn)行疏干的目的。

3.1.1降壓井布置

放坡開挖屬于敞開式降水，因此可采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)中的解析公式預(yù)測(cè)出總涌水量及單井出水能力，最后確定降壓井?dāng)?shù)量。

3.1.1.1基坑涌水量預(yù)測(cè)

根據(jù)水文地質(zhì)條件分析，選用承壓含水層非完整井穩(wěn)定流計(jì)算公式[1,6]：

3.1.1.2單井出水能力計(jì)算

可按下式進(jìn)行計(jì)算[5]：

式中：q——單井出水能力，m3/d；r——濾管半徑，取0.15 m；l——有效濾管長(zhǎng)度，取9 m；K——含水層滲透系數(shù)。

群井干擾抽水時(shí)，單井出水能力會(huì)大大減小，計(jì)算時(shí)取單井出水能力q=1000 m3/d。

3.1.1.3降壓井?dāng)?shù)量計(jì)算

可根據(jù)下式計(jì)算：

n=1.1Q/q≈50口

式中：Q——總涌水量，m3/d；q——單井出水能力，m3/d；1.1——安全備用系數(shù)。

由于基坑開挖過程中，降壓井必須保持連續(xù)抽水，因此井位應(yīng)盡量少受現(xiàn)場(chǎng)施工影響。根據(jù)場(chǎng)地平面布置圖，降壓井分兩圈布設(shè)，第一圈沿基坑邊坡二級(jí)平臺(tái)間距15 m布置39口；第二圈11口布置在主線隧道基坑外，可作為后期主線隧道基坑的坑外備用井使用。

二級(jí)平臺(tái)上的降壓井深25 m，主線隧道基坑外降壓井深40 m；泥孔徑為750 mm；邊坡上降水井易于保護(hù)，因此，采用造價(jià)低的內(nèi)徑400 mm、外徑500 mm的無砂混凝土濾管，而主線隧道的降壓井則采用鋼管，井結(jié)構(gòu)見圖4。

圖4降水井結(jié)構(gòu)示意圖

3.1.2引滲井布置

為便于土方開挖、運(yùn)行及坑內(nèi)施工作業(yè)，需對(duì)開挖范圍內(nèi)的土體進(jìn)行疏干，提供一個(gè)干燥的作業(yè)環(huán)境。淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層透水性差，其間地下水主要賦存在粉土、粉砂夾層中，不屬于傳統(tǒng)意義上的含水層，無解析公式可適用。因此，對(duì)此類地層的疏干通常根據(jù)單井有效疏干面積a井的經(jīng)驗(yàn)值來確定，而經(jīng)驗(yàn)值又根據(jù)疏干土體的特性及基坑的平面形狀來確定，一般為150～250 m2。本次布置引滲疏干井時(shí)a井取250 m2，整個(gè)盆式基坑共布置110口疏干井(坑中坑區(qū)域除外)。

為便于洗井，增強(qiáng)引滲疏干井的質(zhì)量，必要時(shí)也可對(duì)引滲井進(jìn)行抽水。因此，本次采用安設(shè)井管的引滲井。考慮到土方開挖過程中，井管需不斷拆除，本次管材選用單節(jié)長(zhǎng)度為1 m的無砂混凝土管。

引滲井深16 m，進(jìn)入下部承壓含水層4～5 m，泥孔徑為600 mm；全孔為內(nèi)徑300 mm、外徑360 mm的無砂混凝土濾管，外包80目錦綸濾網(wǎng)；全孔投濾料。井結(jié)構(gòu)見圖4。

3.2　坑中坑區(qū)域引滲井設(shè)計(jì)

坑中坑區(qū)域包括主線隧道及匝道，其中主線隧道圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，匝道采用灌注樁+三軸攪拌樁止水，基底均進(jìn)入到③2層粉細(xì)砂承壓含水層中，水位需降低至基底以下1 m。理論上，基坑內(nèi)地下水位降低至基底以下1 m后，開挖范圍內(nèi)砂層中就不存在地下水。但根據(jù)地勘資料，③2粉細(xì)砂層中“局部夾少量粉質(zhì)粘土薄層，單層厚度1～20 mm不等”，粉質(zhì)粘土夾層的存在，再加上圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水作用，造成了含水層在垂直方向上的水力聯(lián)系變差，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度范圍內(nèi)形成多層地下水，會(huì)出現(xiàn)觀測(cè)井水位已經(jīng)位于基底，而開挖范圍內(nèi)卻出現(xiàn)滯水的現(xiàn)象。

坑內(nèi)降水井布置時(shí)，首先考慮的是將地下水位降低至基底以下。對(duì)基底以上地層的疏干問題，若增加疏干井，無疑將加大成本投入；若采用混合井，將增加降水井封井問題。因此，針對(duì)此種狀況，坑中坑區(qū)域在降水井結(jié)構(gòu)上采用引滲技術(shù)，濾管只設(shè)置在基底以下地層中，開挖范圍內(nèi)采用鋼實(shí)管，濾料回填至初始地下水位附近，基底以下地下水通過濾管進(jìn)入降水井，而開挖范圍內(nèi)的地下水則通過濾料滲入基底以下，即可達(dá)到將地下水位降低至基底以下，又可對(duì)開挖范圍內(nèi)土體進(jìn)行疏干的目的，同時(shí)解決減少降水井后期封井問題(參見圖4)。

由于坑中坑降水受圍護(hù)結(jié)構(gòu)阻礙作用，地下水滲流較為復(fù)雜，降水計(jì)算需借助數(shù)值法，本文不展開詳細(xì)論述。

4　結(jié)論

引滲疏干降水在本工程的成功應(yīng)用，可以得出以下結(jié)論：

(1)基坑降水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分分析場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，合理利用地層條件進(jìn)行降水設(shè)計(jì)。

(2)在多含水層系統(tǒng)、砂性土與粘性土互層區(qū)域，可結(jié)合基坑開挖條件、圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件，采取引滲疏干技術(shù)。

(3)引滲井一般不下泵、不抽水，不存在用電、管線鋪設(shè)、封井等問題，大大降低了材料及管理費(fèi)用，在保證基坑疏干效果的同時(shí)，降低了工程造價(jià)。

根據(jù)本工程基坑不同部位開挖深度，結(jié)合上部地層主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層的特點(diǎn)，在其邊坡上和一些開挖較淺基坑底部設(shè)置了引滲疏干井。引滲井的設(shè)置，保證了基坑疏干效果和邊坡穩(wěn)定；利于土方順利快速開挖，同時(shí)還有利于基坑底板的快速澆筑，有效地保證了基坑快速封底，確保了基坑開挖安全。該深大基坑工程引滲降水技術(shù)的成功實(shí)施對(duì)今后類似工程具有重大的參考意義。