武漢臨江地區(qū)深基坑工程中群井抽水試驗(yàn)的應(yīng)用

龍治國，宋增輝，李翔

(武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司，湖北 武漢 430022)

1 引 言

武漢市內(nèi)江河縱橫、湖港交織，水域面積占全市總面積的四分之一。近年來，隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，長江、漢江兩岸高樓林立，大型濱江商務(wù)區(qū)相繼開建。漢口臨江地區(qū)在地貌單元上多表現(xiàn)為長江沖積Ⅰ級階地，第四系覆蓋層具典型的上細(xì)下粗的二元結(jié)構(gòu)，上覆以黏性土為主，往下逐漸出現(xiàn)砂土，且顆粒由細(xì)變粗，砂土中地下水含量豐富，與長江、漢江具有較強(qiáng)的水力聯(lián)系[1]。為保持該區(qū)域深基坑工程在干燥、安全的環(huán)境下開挖施工，通常要通過降水使地下水位下降到開挖面以下。地下水的抽取，必然使基坑周圍地下水滲流場發(fā)生改變，會在基坑周圍形成漏斗狀的彎曲水面，即所謂的“降水漏斗”[2]。降水漏斗的曲面趨于穩(wěn)定后，就必然造成基坑周圍地面的不均勻固結(jié)沉降，嚴(yán)重時會引起周圍建筑物、地下管線的傾斜或開裂，會給周圍環(huán)境帶來巨大的風(fēng)險(xiǎn)。

本文結(jié)合武漢臨江地區(qū)周大福金融中心深基坑抽水試驗(yàn)，計(jì)算獲得武漢臨江地區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，并通過地面監(jiān)測成果及數(shù)值模擬反演驗(yàn)證結(jié)果合理性。最后，在此基礎(chǔ)上分析預(yù)測了基坑降水階段對周邊環(huán)境的影響。

2 工程概況

周大福金融中心項(xiàng)目位于武漢市江岸區(qū)漢口濱江國際商務(wù)區(qū)內(nèi)，長江二橋與二七長江大橋之間，東鄰沿江大道，西鄰解放大道，南鄰二七路。擬建項(xiàng)目1#辦公大樓層數(shù)85F，高度約 442.3 m，建筑高度 475.0 m，修建后將成為武漢臨江地區(qū)濱江商務(wù)區(qū)標(biāo)志性建筑?；娱_挖面積達(dá)到6萬平方米，挖深達(dá) 30 m～32 m，為超大超深基坑。基坑北側(cè)緊鄰運(yùn)營中的軌道交通1號線，北側(cè)及西側(cè)緊貼濱江商務(wù)區(qū)地下環(huán)路，周邊環(huán)境極其復(fù)雜?；拥茁湓?4-2-1)層粉質(zhì)黏土夾粉土粉砂、(4-3)層細(xì)中砂上，南側(cè)距離長江堤防不足 500 m，砂礫石層中的地下水與長江有較強(qiáng)的互補(bǔ)關(guān)系。地下水降水對基坑周邊環(huán)境的影響，是本基坑工程的重點(diǎn)之一。本工程具體地層結(jié)構(gòu)如表1所示。

地層結(jié)構(gòu)表 表1

3 單井抽水試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算分析

單井抽水試驗(yàn)的目的主要查明砂礫層(承壓含水層)的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)、彈性釋水系數(shù)等相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)。單井抽水試驗(yàn)共布設(shè)兩組，每組3口井，即1個抽水井，2個觀測井，每組3個落程。各井平面位置如圖1所示。

其中，單井抽水試驗(yàn)井間距與井身結(jié)構(gòu)如下：抽水井與觀測井間距 30.0 m～50.0 m，井深 40 m～45 m，井徑 300 mm，成孔孔徑 600 mm；上部 10 m為實(shí)管，中部 30 m～45 m為過濾管，底部 2 m為沉淀管。井孔間上部填充材料為黏土球，中下部為中粗砂；深井泵置于井深 22 m～25 m處。抽水試驗(yàn)井井身結(jié)構(gòu)信息如表2所示。

圖1 各井平面位置圖

井身結(jié)構(gòu)信息表 表2

每組單井抽水試驗(yàn)單井抽水歷時 24 h，穩(wěn)定觀測 9 h。根據(jù)井管井身結(jié)構(gòu)圖，濾水管和含水層比值大于0.9，按完整井考慮。依據(jù)《基坑降水手冊》[3]，利用抽水井流量及水位下降資料，計(jì)算相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)如表3所示。

單井抽水試驗(yàn)成果表 表3

綜上，場地承壓含水層滲透系數(shù)K介于 15.30 m/d～26.51 m/d之間，取綜合平均值K=20.86 m/d；其影響半徑R介于 157 m～331 m之間，取綜合平均值R=231 m；導(dǎo)水系數(shù)T于 459 m2/d～795 m2/d之間，取綜合平均值T=626 m2/d。

4 群井抽水試驗(yàn)

群井抽水試驗(yàn)共布設(shè)一組，共7口井，即4個抽水井，3個觀測井。Q1、Q2、Q3、Q4抽水井，Q5、Q6、Q7觀測井，各井平面位置如圖1所示。群井抽水歷時10天，穩(wěn)定觀測8天。

地表沉降監(jiān)測與抽水試驗(yàn)同步進(jìn)行，地面沉降觀測點(diǎn)布設(shè)成網(wǎng)狀形式，布置范圍為以群井試驗(yàn)區(qū)為中心的 80 m×80 m范圍內(nèi)。按監(jiān)測點(diǎn)間距 10 m，地面沉降標(biāo)數(shù)量為9×9=81個。每天監(jiān)測1次，水位穩(wěn)定后觀測頻率為2天1次，并連續(xù)觀測不少于2次。地表沉降觀測測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 地表沉降觀測測點(diǎn)布置圖

試驗(yàn)期間，當(dāng)承壓含水層抽水時，承壓水位在起始階段快速下降，其后逐漸平緩且趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)抽水井水量大，兩組單井抽水試驗(yàn)流量在 44.5 m3/h～73.8 m3/h之間，降深在 3.07 m～8.47 m之間。離抽水區(qū)域近的觀測井承壓水位降深大，位置相對較遠(yuǎn)的觀測井承壓水位降深小。抽水時觀測井水位響應(yīng)速率快，地下水位反應(yīng)靈敏。抽水井流量較為穩(wěn)定，且抽水井在停止抽水后地下水位恢復(fù)快，表明地下承壓水補(bǔ)給量大、徑流、排泄條件好。雖多口降水井同時抽水時可使地下水位降深變大，但相互之間存在影響，不是單純的降水效果的疊加，存在著群井抽水的阻力系數(shù)。抽水歷時10天，穩(wěn)定觀測8天后，地表監(jiān)測點(diǎn)以群井試驗(yàn)區(qū)為中心，呈現(xiàn)越靠近降水試驗(yàn)區(qū)，地表監(jiān)測點(diǎn)累積沉降越大的漏斗趨勢，沉降中心累積沉降量最大值為 10.9 mm。地表沉降累積值三維立體圖如圖3所示。

圖3 地表沉降累積值三維立體圖

采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120-2012)中降水引起的地層變形計(jì)算公式對本工程進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式如下：

計(jì)算結(jié)果表明，沉降中心累積沉降量最大值為 10.2 mm，與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致。

5 三維數(shù)值模擬反演分析

采用有限元軟件進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的反演計(jì)算，取得有限元計(jì)算模型的相關(guān)參數(shù)。根據(jù)勘察結(jié)果，將工程場地地層由上至下依次概化為4層：①填土，層厚 6.0 m；②黏土，層厚 4.0 m；③砂層，層厚 35.0 m；④巖層，層厚 35 m?；娱_挖深度為 30 m，場地初始地下水位埋深 -12.0 m，以基坑開挖深度3倍～5倍影響范圍為原則，建立計(jì)算模型[5]。模型計(jì)算參數(shù)如表4所示。

模型計(jì)算參數(shù)表 表4

根據(jù)群井抽水試驗(yàn)，布設(shè)4口抽水井，單井抽水量 65 m3/天，共降水10天。群井抽水試驗(yàn)反演計(jì)算模型如圖4所示。

圖4 群井抽水試驗(yàn)反演計(jì)算模型

降水10天并穩(wěn)定8天后的沉降位移量云圖如圖5所示。

圖5 群井抽水后的沉降位移量云圖

最大沉降位于群井中心，位移量為 9.51 mm。位移量以群井中心為圓心外擴(kuò)，位移量逐漸減小至 0 mm。模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測基本一致，模型參數(shù)合理，驗(yàn)證模型構(gòu)建正確。

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果、規(guī)范公式理論計(jì)算、數(shù)值模擬三種方法得出的最大沉降量如表5所示。

三種方法的最大沉降量結(jié)果對比 表5

結(jié)果表明，現(xiàn)場監(jiān)測的沉降量最大，規(guī)范公式計(jì)算的結(jié)果次之，數(shù)值模擬的結(jié)果最小。

6 預(yù)估基坑降水對周邊環(huán)境的影響

根據(jù)降水建議方案，本工程基坑外圍布設(shè)落底式止水帷幕，坑內(nèi)水位最終降至開挖深度下 1 m?；颖眰?cè)緊鄰運(yùn)營中的軌道交通1號線，北側(cè)及西側(cè)緊貼濱江商務(wù)區(qū)地下環(huán)路，計(jì)算模型構(gòu)建如圖6所示。

圖6 對臨近環(huán)境影響計(jì)算模型

對基坑模型進(jìn)行三維滲流-應(yīng)力耦合計(jì)算，降水后地表沉降量最大 21.30 mm，沉降主要以坑內(nèi)擬開挖土體為主。沉降量等值線如圖7所示。

圖7 降水后地表沉降量等值線圖

將計(jì)算模型中輕軌網(wǎng)格單獨(dú)隔離，計(jì)算輕軌沉降量如圖8所示。

圖8 降水后輕軌區(qū)間沉降量云圖

計(jì)算結(jié)果表明，輕軌的較大沉降分布于輕軌各橋墩位置，最大位移沉降量為 0.64 mm。

將計(jì)算模型中地下環(huán)路網(wǎng)格單獨(dú)隔離，計(jì)算地下環(huán)路沉降量如圖9所示。

圖9 降水后地下環(huán)路沉降量云圖

計(jì)算結(jié)果表明，沉降區(qū)域主要為基坑開挖范圍內(nèi)，最大位移沉降量為 3.36 mm。

7 結(jié) 語

隨著武漢臨江地區(qū)工程建設(shè)的快速發(fā)展，深基坑工程的降水設(shè)計(jì)施工不容忽視。通過群井抽水試驗(yàn)獲得準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，結(jié)合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證三維滲流—應(yīng)力耦合模型，合理預(yù)測施工降水期間的地表沉降量。本文結(jié)合武漢臨江地區(qū)地標(biāo)項(xiàng)目—周大福金融中心，通過抽水試驗(yàn)獲取水文地質(zhì)參數(shù)，建立有限元計(jì)算模型，預(yù)測基坑降水對周邊輕軌及地下環(huán)路的影響，以期為后期武漢臨江地區(qū)類似工程基坑降水設(shè)計(jì)提供參考及指導(dǎo)。