上海地區(qū)基坑地下水控制及真空混合管井的應(yīng)用

宋倩云，徐國興，王翠英

(1 湖北工業(yè)大學(xué)土木建筑與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430068；2 湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430300)

上海地區(qū)地處長江三角洲東部濱海平原，大部分地區(qū)為弱透水層，地下水類型較多，深基坑開挖時，需要進行地下水控制。以往的降水施工中，疏干井只對潛水工作，降壓井只對承壓水工作，布井過多，不能有效地利用每一口井，且井的數(shù)量增加，工作效率下降，過度降水導(dǎo)致基坑內(nèi)外土層下沉，影響環(huán)境。因此，選擇一種合理有效的降水方式有助于施工成本的降低與工藝的提高，部分學(xué)者對此做了相關(guān)研究，如王忠凱、陳偉[1]為加快滲流速度，采用多級濾管組成真空混合管井降水技術(shù)；肖瑞傳、賴俊鵬等人[2]闡述了真空管井復(fù)合降水技術(shù)能加快滲流速度，有效減少土層含水量；苗旺、鄒劍峰等人[3]發(fā)現(xiàn)真空管井降水技術(shù)能夠有效排出土體中的毛細水和重力水，降低土體含水量等優(yōu)點；馬祥，羅江波[4]通過分析管井出水含砂量以及鄰近建筑物的沉降、位移的監(jiān)測，驗證了采用大口徑管井降水方案在深基坑工程中的應(yīng)用有效可靠。筆者考慮到管井的工作效率，將疏干井與降壓井混合在一起，引入“真空混合管井”，既能排出潛水起疏干井作用，又能降微承壓水起降壓井作用；闡述了上海地區(qū)地下水控制理念，并采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水方法。以上海古北某基坑工程為例，建立了基坑降水?dāng)?shù)值模型，對降水方案進行優(yōu)化設(shè)計，既解決了布井?dāng)?shù)量過多的難題，也提高了單個管井的使用效率；該方法對類似地層地下水控制具有鑒借作用。

1 上海地區(qū)地下水控制理念和主要方法

1.1 上海地區(qū)地下水類型及水文地質(zhì)特征

上海地區(qū)地處長江三角洲東部濱海平原，地下水類型具有三角洲的水文地質(zhì)特點，可分為淺部上層滯水、互層土中弱透水、微承壓的層間水和深部砂層較高水頭的承壓水。對基坑工程有直接影響的主要是50～60 m以上的上層滯水和層間水。

上層滯水，主要存在于表層填土和淤泥質(zhì)軟土層中，其滲透系數(shù)K<10-6cm/s，分布局限；層間水，埋藏于互層土內(nèi)的粉土或粉砂層中，弱透水性，滲透系數(shù)K<10-4cm/s，具微承壓性，與地表水體無直接水力聯(lián)系；深層承壓水，含在50～60 m以下的更新世(Q3)的陸相沖積砂層中，砂中粘粒含量較高，透水性弱(K≤10-4cm/s)，受古河道控制，承壓水頭較高。

1.2 上海地區(qū)地下水控制理念和主要方法

1)地下水控制理念 針對上部50～60 m內(nèi)含水層具有互層性、弱透水、微承壓和含水層本身及相鄰地層均欠固結(jié)的特點，下部承壓含水層埋深大，只對超深基坑有基底突涌影響的現(xiàn)象，地下水控制的基本概念可概括為：上部的上層滯水和層間水以帷幕隔滲為主，坑內(nèi)降水疏干，不宜采用坑外降水疏干措施；深部承壓含水層屬超固結(jié)、低壓縮性地層，且隔水底板很深，故只需采用深井減壓降水措施。

2)地下水控制方法 地下水控制的主要方法是：上部采用各種工法的豎向隔滲帷幕隔斷坑外水以控制坑外地面沉降，坑內(nèi)采用輕型井點或真空管井等強力降水措施疏干弱透水層；下部采用超深管井降低承壓水頭。

上海地區(qū)對上部層間水“以隔滲為主降疏為輔”，且重點是防止深厚的欠固結(jié)土地層失水導(dǎo)致地面不均勻沉降。位于長江三角洲上的上海，地層為海陸交互相互層結(jié)構(gòu)，微承壓含水層特點是厚度小、弱透水(K=10-5～10-4cm/s)，且具較高壓縮性，影響半徑小且隨降深加大不再繼續(xù)擴大，因而降水過程中地面沉降量大，尤其是沉降差普遍大于3‰。由于地貌單元和地質(zhì)條件的特點，普遍采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水，避免在坑外開放式降水。

2 真空混合管井降水

降水管井中輔助真空，弱透水層、微承壓含水層設(shè)置濾管，其既能排出潛水起疏干井作用，又能降微承壓水起降壓井作用，“兩井合一”的真空混合管井[1]。真空混合管井結(jié)構(gòu)見圖1。

1-自然地坪;2,7-濾頭;3-真空降水;4-扶正器;5-降壓泵抽水;6-降壓泵;8-井管;9-孔壁;10-扶正器圖1 地層及真空混合井結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 輔助真空的作用

真空管井降水主要是排出基坑中的自由水。自由水以液態(tài)存在于地層中，受重力、壓力水頭差及毛細作用自由運動；當(dāng)土層滲透性差時土中的自由水則很難自然排出或排出緩慢，僅用管井降水效率低下，在這種情況下可以通過施加外力來加快地下水的排出速度。在輔助真空作用下，土體受到外部負壓力作用，形成的真空負壓抵消表面張力產(chǎn)生的負孔隙水壓力，打破了原有的平衡狀態(tài)，從而毛細水被大量抽出，增加出水量。

采用真空裝置將井管內(nèi)空氣排出，井管內(nèi)外會產(chǎn)生一個氣壓差-u，這部分氣壓差增加了水力梯度，同時基坑內(nèi)井管周圍軟弱粘土層隨著等向應(yīng)力-u的增加而固結(jié)，有效疏干潛水，使得給水度增大，增大了出水量，即疏干降水。圖2為輔助真空的深井降水系統(tǒng)示意圖。采用真空泵或其它設(shè)備來增加深井井管和填料中的真空度。真空度的大小可以通過調(diào)整真空泵的功率和數(shù)量實現(xiàn)。

1-出口管;2-密封蓋;3-粘土封墻;4-中粗砂填料;5-減壓管;6-井管、真空管;7-無輔助真空降深曲線;8-輔助真空降深曲線;9-潛水泵;10-真空泵圖2 輔助真空的深井降水系統(tǒng)示意圖

2.2 真空混合管井構(gòu)造

混合井根據(jù)潛水含水層及微承壓含水層的埋深及分層挖土深度，合理設(shè)置3個濾管，濾管長度2 m，采用圓孔過濾器，外包40目濾網(wǎng)，以確保有效降水。根據(jù)土方開挖深度，在淺部潛水層內(nèi)，混合井前期起疏干井作用，井口密封，井身在開挖外露后及時妥善封閉，加真空，利用真空虹吸原理進行潛水疏干，方便土方開挖；隨土方開挖深度加大，在微承壓含水層內(nèi)，起降壓井作用，井內(nèi)布置潛水泵進行抽水降壓，防止基坑突涌，確保安全；潛水含水層土方開挖、井身外露后，對濾管有可靠的封閉措施，確保井身真空度，確?；旌暇褂霉δ軓氖韪身樌D(zhuǎn)變?yōu)榻祲骸；旌暇畼?gòu)造見圖3。

圖3 真空混合井構(gòu)造示意圖 mm

3 滲流計算基本理論

3.1 滲流非穩(wěn)定流方程

非穩(wěn)定滲流微分方程[8]為：

式中：μ為給水度；kxx、,kyy、kzz為x、y、z方向滲透系數(shù),m/d；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值,m；W為源匯項,t/h；

3.2 定解條件

初始條件：H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0)

邊界條件：H(x,y,z,t)|?S1=H1(x,y,z,t)

式中：H0(x,y,z,t)為點(x,y,z)處降水前的初始水位(m)；t為時間(d)；S1為一類邊界條件，基坑外的邊界取降水影響半徑邊緣，為第一類邊界條件；H1(x,y,z,t)為第一類邊界條件處水位,m。邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

4 工程實例

4.1 工程概況

上海古北某工程擬建一幢甲級辦公樓及商業(yè)裙房組成的綜合商業(yè)樓，地下三層，基坑面積16 572 m2，開挖深度20.30 m，開挖前場地標高3.9 m；基坑形狀近似呈長方形，南北長約120～190 m，東西方向?qū)捈s110 m，地層結(jié)構(gòu)見圖1。

4.2 水文地質(zhì)條件

基坑淺部屬于潛水類型，潛水水位0.5～1.2 m；第⑦層土層為上海地區(qū)常規(guī)的第一承壓水含水層，埋深在40.0～42.0 m之間，承壓水水位埋深7.84～8.32 m，呈周期性變化。

4.3 降水方案設(shè)計

因混合井必須同時滿足疏干潛水及降低微承壓水頭的要求，所以首先按照疏干井及微承壓降壓井互相獨立的原則分別計算數(shù)量，然后按“兩井合一”的原則進行疊加合并，確定最終的布井?dāng)?shù)量，可以全部采用混合井，也可以是少量疏干井結(jié)合大量混合井。

4.3.1 疏干井?dāng)?shù)量計算根據(jù)潛水層純疏干井的思路，疏干井?dāng)?shù)量計算公式：

n=A/a

(1)

式中：n為井?dāng)?shù)(口)；A為基坑降水面積，m2；a為單井有效抽水面積，m2。

單井有效抽水面積a在上海地區(qū)取200 m2，由式(1)得：n=A/a=16572/200=82.86口，因施工現(xiàn)場不確定因素較多，為安全儲備一口井，取84口井。

基坑內(nèi)淺水疏干井建議采用多段濾管真空深井，根據(jù)本工程特點和土層地質(zhì)資料，擬定200～300 m2布置一口疏干井，避開支撐、立柱。

4.3.2 微承壓降壓井?dāng)?shù)量計算根據(jù)前期水位地質(zhì)勘探資料及現(xiàn)場抽水試驗取得的技術(shù)參數(shù)，以地下水滲流數(shù)值模擬及地面沉降預(yù)測與控制理論為指導(dǎo)，通過專業(yè)軟件Visual modflow，確定微承壓降壓井?dāng)?shù)量。

1)基坑降水?dāng)?shù)值模擬模型建立 根據(jù)基坑的地理信息，以基坑為中心，降水井影響半徑以外為邊界，在Visual modflow中建立模型(圖4)。

圖4 含水層三維數(shù)值模擬圖

2)微承壓降壓井?dāng)?shù)量計算 通過Visual modflow計算得出降壓井6口。n疏(疏干井)﹥n微承壓(微承壓井)，則總降水井?dāng)?shù)量n=84-6=78口，其中針對潛水及微承壓水(開挖深度19～20 m)的混合井74口，針對塔樓電梯井承臺坑中坑(開挖深度24 m)的降壓井4口。降水井點平面布置圖見圖5。

圖5 降水井點平面布置圖

4.3.3 降深預(yù)測等值線圖

1)Visual modflow軟件降深預(yù)測 采用Visual modflow軟件模擬第⑤3層含水層水頭最終降深預(yù)測等值線見圖6。數(shù)值模擬結(jié)果：水位降深超過開挖深度以下1.0 m，滿足土方開挖要求；提前降水30 d，保證微承壓水頭降至安全高度。

2)天漢軟件降深預(yù)測等值線 通過天漢軟件計算得出第⑤3層含水層水頭降幅等值線見圖7。結(jié)果：降深能滿足開挖要求。

圖6 Visual modflow預(yù)測 第⑤3層降深等值線

圖7 天漢軟件預(yù)測 第⑤3層降深等值線

4.3.4 混合井井深確定因潛水層埋深小于微承壓含水層，故混合井井深以降微承壓水為目的進行確定，其中第⑦層微承壓水埋深在40.0～42.0 m之間，則：h(混合井)=微承壓含水層層頂埋深+2.00m(濾頭長度)-開挖前場地標高=40.0+2.0-3.9=38.1m，取井深38 m；在第⑦層微承壓水中應(yīng)有2.0 m的濾管。

4.4 預(yù)測地面沉降

降水引起的地面沉降理論公式：

式中：γw為水的重度，kN/m3；Esi為壓縮模量；S0i為初始厚度，m。

1)采用Visual modflow預(yù)測 采用Visual modflow有限差分法，由滲流方程求出某一時刻的水位降深，并對土方開挖到基坑底工況時，對降水引起周邊地表沉降進行計算，計算結(jié)果沉降等值線見圖8。

2)采用天漢軟件預(yù)測 通過天漢軟件計算得出地面沉降等值線見圖9。

圖8 Visual modflow預(yù)測降水引起地表沉降等值線

圖9 天漢軟件預(yù)測降水引起地表沉降等值線

由上述計算得出，采用真空混合井降水，基坑內(nèi)沉降量在13～20 mm之間，距基坑邊0～2h(h為基坑開挖深度)，地表沉降量為5～12 mm，距基坑邊距離>2h，由于測得地表沉降量小于5 mm，則該布井方式滿足基坑安全及周邊環(huán)境的要求。綜上得出混合井方案滿足本工程降水要求。

5 地下水位監(jiān)測

基坑外水位監(jiān)測點布設(shè)12點，原則上在基坑每側(cè)每隔20-50 m設(shè)置一孔，本工程根據(jù)實際情況，基坑內(nèi)西面、北面約30 m設(shè)置一孔，東面、南面約50 m設(shè)置一孔，基坑內(nèi)水位監(jiān)測布置7孔，水位監(jiān)測孔平面布置見圖5；基坑內(nèi)微承壓水位監(jiān)測結(jié)果見圖10，基坑外西、南側(cè)水位監(jiān)測結(jié)果見圖11。

圖10 基坑內(nèi)微承壓水位監(jiān)測結(jié)果

圖11 基坑外西、南側(cè)水位監(jiān)測圖

圖10結(jié)果顯示，基坑內(nèi)微承壓水觀測孔水位均在基坑底1.0 m以下，滿足施工要求水位低于開挖深度1.0 m以上，很好地保證了土方開挖及基坑的安全；圖11結(jié)果顯示，在降水的前兩個月，基坑外水位下降較大，基坑降水結(jié)束后，水位變化較小，并逐漸回升，整個水位變化在報警值之內(nèi)，有效控制了降水引起周邊地表的沉降，降水對周邊環(huán)境的不利影響降低到最小，采用的真空混合井降水方法取得了很好的效果。

降水的同時基坑也在開挖，基坑周邊地表的沉降監(jiān)測值為降水、基坑開挖共同引起的沉降量，不易分開，故本文未表述降水引起地表沉降的監(jiān)測結(jié)果。

6 小結(jié)

1)上海地區(qū)地下水淺部為上層滯水、互層土中弱透水、微承壓的層間水和深部砂層微承壓水，且含水層都屬于弱透水層。地下水控制的理念為：上層滯水和層間水以帷幕隔滲為主，坑內(nèi)降水疏干，承壓含水層采用減壓降水；即采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水。

2)以上海古北某基坑工程為例，采用地下連續(xù)墻+真空混合管井的降水方法，按單井有效抽水面積計算疏干井?dāng)?shù)量；建立了基坑降水?dāng)?shù)值模型，利用Visual modflow軟件，計算微承壓降壓井?dāng)?shù)量；最后采用真空混合管井74口，坑中坑降壓井4口，總降水井?dāng)?shù)量78口。

3)分別用Visual modflow、天漢軟件預(yù)測了降深及降水引起的地表沉降，并給出降深、地表沉降等值線圖。水位監(jiān)測結(jié)果顯示，基坑內(nèi)微承壓水均在基坑底1.0 m以下，滿足施工要求，基坑外水位為平緩狀態(tài)，有效控制了降水引起的地表沉降。