上海第九層承壓水減壓控制措施

成 杰

(上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司,上海 200002)

0 引言

在基坑工程超大、超深化的趨勢(shì)下，承壓水問題日益成為各基坑工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)問題，而深層承壓水控制技術(shù)更是其中的重中之重，稍有處理不慎，則會(huì)造成坑底突涌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水帷幕滲漏等基坑失穩(wěn)現(xiàn)象[1-3]，進(jìn)而引發(fā)一系列的環(huán)境巖土工程問題[4]。

目前上海地區(qū)對(duì)于微承壓水和第一承壓水層的工程實(shí)例和研究較多，但涉及第二承壓水層的研究較少，僅涉及承壓水的分類和一點(diǎn)降水結(jié)果，并不能指導(dǎo)實(shí)際工程方案設(shè)計(jì)。本文結(jié)合上海市軌道交通中間風(fēng)井基坑工程的施工案例，重點(diǎn)介紹上海市⑨層承壓水的減壓控制措施和相應(yīng)設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

上海軌道交通17號(hào)線地下盾構(gòu)區(qū)間的中間風(fēng)井位于此段盾構(gòu)區(qū)間的最低點(diǎn)，兼有區(qū)間泵站及區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道的功能。工程分為主體及附屬兩部分，基坑最大挖深約27.50 m，為地下3層結(jié)構(gòu)；附屬風(fēng)道為地下1層結(jié)構(gòu)，開挖深度約10.0 m。工程外包尺寸為南北寬28.8 m，東西長(zhǎng)30 m；圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用疊合墻形式，地下連續(xù)墻深48 m～49 m，明挖順筑法施工。

勘察顯示擬建場(chǎng)地有⑦層、⑨層承壓含水層，勘探揭示⑦層頂板標(biāo)高為-21.93 m～-24.04 m，⑨層頂板標(biāo)高為-43.34 m～-50.75 m?？辈炱陂g分別對(duì)⑦層、⑨層承壓含水層進(jìn)行了實(shí)測(cè)，結(jié)果顯示擬建場(chǎng)地第⑦層承壓含水層水位埋深為3.50 m(標(biāo)高-0.54 m),⑨層承壓含水層水位埋深為10.80 m(標(biāo)高-7.84 m)。

2 承壓水突涌驗(yàn)算

本工程開挖深度達(dá)27.5 m，而根據(jù)勘查結(jié)果，可知基坑開挖已經(jīng)進(jìn)入第⑦層承壓水層，而基坑底部與第⑨承壓水層還有一定間距，故需要通過承壓水突涌驗(yàn)算得到第⑦層承壓水作用下基坑開挖的臨界深度以及初步驗(yàn)算是否需要對(duì)第⑨層承壓水進(jìn)行減壓控制。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定[5]，當(dāng)上部為不透水層，坑底下某深度處有承壓水層時(shí)，按以下模型和公式驗(yàn)算(見圖1)。

其中，γs為承壓水作業(yè)分項(xiàng)系數(shù)，取1.0；pwk為承壓含水層頂部的水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa。

2.1 第⑦層承壓含水層驗(yàn)算

根據(jù)上式，計(jì)算得到基坑開挖的臨界深度h0=13.30 m。即：靜止承壓水位埋深在3.50 m的情況下，當(dāng)基坑開挖深度大于13.30 m時(shí)，需降低承壓水水位。大底板開挖時(shí)水位需降至開挖面以下1 m。

計(jì)算得到的工作井基坑開挖深度與第⑦層承壓水層安全水位關(guān)系如表1所示。

表1 工作井基坑開挖深度與第⑦層安全承壓水位關(guān)系 m

2.2 ⑨層承壓含水層承壓水驗(yàn)算

根據(jù)考察結(jié)果，第⑨層承壓含水層層頂最淺埋深為51.50 m，第⑨層承壓含水層水位埋深為10.80 m。計(jì)算得到當(dāng)基坑開挖至埋深27.50 m時(shí)，安全系數(shù)γ=1.09>1.05,即經(jīng)初步驗(yàn)算，不需對(duì)第⑨層承壓水進(jìn)行處理。而在實(shí)際施工過程中卻發(fā)現(xiàn)此驗(yàn)算結(jié)果并不成立，仍需對(duì)⑨層承壓水進(jìn)行處理。具體原因和承壓水減壓控制措施將在后文進(jìn)行詳述。

3 承壓水降水方案設(shè)計(jì)

3.1 ⑦層承壓水降水方案設(shè)計(jì)

根據(jù)穩(wěn)定性分析，基坑挖到底時(shí)，要求疏干⑦層承壓水到28.47 m以下。根據(jù)計(jì)算，基坑內(nèi)布置4口井深為43 m的⑦層疏干井(J1,J2,H1,H2)，降水30 d后⑦層水位埋深能夠達(dá)到要求。另設(shè)兩口坑外⑦層水位觀測(cè)井(J3,J4)，井點(diǎn)布置如圖2所示。

3.2 ⑨層承壓水分析計(jì)算及降水方案設(shè)計(jì)

雖然根據(jù)2.2節(jié)的分析結(jié)果，基坑底以下的土體⑨層承壓水抗突涌穩(wěn)定系數(shù)為1.09，基坑挖到底時(shí)⑨層承壓水不會(huì)產(chǎn)生突涌。但是，考慮到承壓水頭埋深受季節(jié)性變化的影響，承壓含水層承壓水水頭埋深一般地面以下3 m～11 m波動(dòng)，并不一定是工程勘察報(bào)告所顯示的10.8 m。驗(yàn)算結(jié)果顯示，承壓水在水頭浮動(dòng)范圍內(nèi)可能對(duì)基坑底板穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。為了防止高水頭承壓水從最不利點(diǎn)產(chǎn)生突涌，對(duì)基坑造成危害，在第2道混凝土支撐施工完成養(yǎng)護(hù)期間，于基坑外布置了2個(gè)⑨層承壓水觀測(cè)井(J5, J6)，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)⑨層承壓水水位，并作生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)。降水深井的結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 ⑨層承壓水觀測(cè)井結(jié)構(gòu)一覽表

井類型編號(hào)孔徑/mm井徑/mm濾管埋深/m井深/m坑外第⑨層觀測(cè)井J5,J665027355～6465

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)⑨層承壓水穩(wěn)定水位平均埋深為4.51 m(J5為4.61 m，J6為4.41 m)，與勘察期間測(cè)得的本工程⑨層承壓含水層水位埋深為10.80 m，有明顯的差距。

根據(jù)本工程勘查結(jié)果，第⑨層承壓含水層層頂最淺埋深為51.50 m(標(biāo)高-48.20 m)，承壓含埋深取本次實(shí)測(cè)埋深4.51 m(標(biāo)高-1.21 m)，重新對(duì)第⑨層承壓水進(jìn)行突涌驗(yàn)算，不能滿足安全要求，并得到基坑開挖深度與第⑨層承壓水的安全水頭埋深關(guān)系(見圖3)。

由圖3可知，本工程⑨層承壓水初始水頭埋深4.51 m時(shí)，臨界安全開挖深度為24.50 m，基坑超過24 m時(shí)(第8道鋼支撐往下時(shí))，應(yīng)加強(qiáng)⑨層承壓水觀測(cè)，并按需降水。

由于本場(chǎng)區(qū)⑨層承壓含水層厚度大，含水量豐富，單井抽水引起水位降小，為了滿足本工程開挖到底27.5 m時(shí)，要求水位控制到10.36 m以下，根據(jù)模擬計(jì)算，須在基坑外布置6個(gè)降壓井(J5～J10，此階段J5,J6作為降壓井使用，另設(shè)觀察井J11，見圖2；降水井結(jié)構(gòu)如表3所示)才能滿足降水要求(見滲流場(chǎng)分析圖4)。降水設(shè)計(jì)方案如表4所示。

4 降水效果

4.1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

4.1.1第⑦層承壓水抽水試驗(yàn)

開啟坑內(nèi)J1降壓深井抽水，并對(duì)坑內(nèi)的未抽水井J2,H1,H2和坑外的J3,J4進(jìn)行同步觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)果：

1)坑內(nèi)水位變化情況?？觾?nèi)的觀測(cè)井J2,H1,H2的水位基本穩(wěn)定，坑內(nèi)的水位埋深基本穩(wěn)定在31 m左右，完全能夠滿足基坑開挖27.50 m時(shí)降深的要求。

表4 基坑開挖工況與抽水運(yùn)行水位控制對(duì)應(yīng)關(guān)系

序號(hào)工況開挖深度hS/m安全承壓水位埋深D/m開啟降水深井觀測(cè)井1第1道混凝土支撐2.85—不降壓J5,J62第2道板撐3.50—不降壓J5,J63第3道鋼支撐6.80—不降壓J5,J6第4道板撐10.40—不降壓J5,J64第5道鋼支撐13.71—不降壓J5,J65第6道板撐17.36—不降壓J5,J63第7道混凝土支撐20.86—不降壓J5,J64第8道鋼支撐24.164.63J5～J9J10,J115大底板27.5010.36J5～J10J11

2)坑外水位變化情況?？油獾挠^測(cè)水位基本趨于穩(wěn)定，整體上講，坑內(nèi)降水對(duì)坑外基本上沒有影響，說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)將⑦層承壓水完全隔斷，并且圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身無明顯滲漏現(xiàn)象。

4.1.2第⑨層承壓水抽水試驗(yàn)

抽水前先測(cè)定各個(gè)觀測(cè)井的初始水位并完成各項(xiàng)準(zhǔn)備工作以后，開啟J6降壓神經(jīng)抽水，水泵額定流量50 t/h，揚(yáng)程60 m，并對(duì)坑外相距近37 m的未抽水井J5進(jìn)行同步觀測(cè)并記錄數(shù)據(jù)。

在抽水12 h后，觀測(cè)井J5的水位基本穩(wěn)定，水位埋深從4.61 m(標(biāo)高-1.01 m)下降到了4.99 m(標(biāo)高-1.39 m)基本穩(wěn)定，下降了0.38 m。這表明本工程⑨層承壓水含水量豐富，影響半徑小，本工程⑨層承壓水要求降深大，基坑挖到24 m以下時(shí)本工程⑨層承壓水有較大的突涌風(fēng)險(xiǎn)。因此，須嚴(yán)格按照3.2節(jié)對(duì)第⑨層承壓水的分析計(jì)算及降水方案執(zhí)行。

4.2 降水效果

4.2.1第⑦層承壓水降水效果

基坑開挖前開始4個(gè)井抽水，潛水泵流量6 t/h，揚(yáng)程60 m，單井平均出水量4.9 t/h。開挖后采取基坑內(nèi)3個(gè)⑦層降水井抽水，留H1井觀測(cè)，抽水結(jié)果顯示H1觀測(cè)井水位深度穩(wěn)定在34.45 m，滿足坑內(nèi)⑦層水位降深要求。同時(shí)觀察記錄基坑外J3～J4，G1～G2的水位情況，結(jié)果表明，坑內(nèi)降水時(shí)，坑外水位變化不明顯，坑內(nèi)降水對(duì)坑外基本無影響。

4.2.2第⑨層承壓水降水效果

基坑開挖到24 m時(shí)，開啟J5～J9深井泵抽水，50 t流量，70 m揚(yáng)程，J10和J11作為觀測(cè)井；第8道鋼支撐完成后，同時(shí)開啟J5～J10深井泵抽水，J11作為觀測(cè)井，直至大底板施工完成。通過觀測(cè)井的水位觀察，在降水過程中第⑨層承壓水的水位始終保持在安全承壓水位以下。

5 結(jié)語

通過上海軌道交通17號(hào)線地下盾構(gòu)區(qū)間的中間風(fēng)井基坑工程的深層承壓水減壓控制方案設(shè)計(jì)過程可以得到以下結(jié)論：

1)對(duì)⑦層承壓水，在可能的條件下應(yīng)該與圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)相結(jié)合，盡可能隔斷承壓水層，進(jìn)行坑內(nèi)疏干降壓；

2)由于⑨層承壓水含水量豐富，影響半徑小，對(duì)工程安全影響大；且水位隨季節(jié)呈幅度不等的周期性變化，因此在降水設(shè)計(jì)時(shí)不能完全依賴勘察報(bào)告的數(shù)據(jù)，應(yīng)布置一定量的觀察井，對(duì)更深層的承壓水位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止意外事故的發(fā)生；

3)深層承壓水尤其是⑨層承壓水，在承壓水減壓控制方案設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)滲流模型進(jìn)行分析，幫助得到更加合理的井點(diǎn)布置；同時(shí)有必要進(jìn)行抽水試驗(yàn)，以得到更加準(zhǔn)確地降水參數(shù)，確保方案的正確性。