上海第⑨層承壓水的短濾管減壓井試驗研究

崔永高

1. 上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司環(huán)境巖土中心 上海 200444；

2. 上?；庸こ汰h(huán)境安全控制工程技術研究中心 上海 200022

上海張江國家科學中心基地建造的硬X射線自由電子激光裝置，是目前世界上最為先進的X射線光源。該裝置沿線設置5個豎井，其中5號豎井開挖深度達45.45 m。為實現(xiàn)基坑本體安全開挖，⑨層承壓水（第二承壓含水層）需減壓16.0 m；距離5號豎井90.7 m處有正在運營的磁浮線，沉降要求控制在2.0 mm以內，環(huán)境保護要求極高。

場地第二承壓含水層層頂埋深約78.0 m，場地缺失標準的第⑩層黏性土隔水層，第二、第三承壓含水層直接連通，第三承壓含水層層底埋深138.0 m，含水層組厚度達60.0 m。采用深89.8 m、厚1.2 m地下連續(xù)墻圍護，地下連續(xù)墻未隔斷降水目的含水層組，為懸掛式帷幕減壓降水。

上海地區(qū)第二、第三承壓含水層滲透系數(shù)大，滿足基坑本體安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗擴展范圍廣。采用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬進行流場預分析，磁浮線處第二承壓含水層降深將達到2.4 m，不能滿足沉降控制2.0 mm的要求。

項目決定在現(xiàn)場進行單井和群井的抽水試驗，獲得合理的含水層水力學參數(shù)，并對不同濾管長度的減壓井降深進行比較，為工程設計提供依據(jù)。為保證成井施工質量，管井成孔采用氣舉反循環(huán)工藝。

本文介紹了在張江硬X射線工地現(xiàn)場開展的不同濾管長度減壓試驗井單井抽水試驗，成果表明短濾管減壓井可以減小深部含水層的水位降深，適用于基坑懸掛式帷幕減壓降水，可以有效地保護環(huán)境。文末對上海深層地下空間開發(fā)超深豎井開挖懸掛式帷幕深層減壓降水的一些技術難點進行了討論。

1 現(xiàn)場單井抽水試驗

1.1 場地地層組合

試驗在硬X射線5號井場地進行。地層組合如表1所示。

表1 地層參數(shù)

表1中含水層的水平向滲透系數(shù)，是根據(jù)5號豎井現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)，采用Visual modflow軟件反演得到的，含水層滲透性呈各向異性，豎向滲透系數(shù)約為水平向滲透系數(shù)的1/10。

1.2 短濾管減壓井的內涵

為控制5號豎井懸掛式帷幕減壓降水導致的坑外磁浮線處含水層的水位下降和地層壓縮，可供選擇的技術措施有：加長截水帷幕的深度、縮短減壓井的濾管長度等。增加截水帷幕深度的工程費用較高，縮短減壓井濾管長度，可以增加濾管底和截水帷幕底的高差，有效地控制坑外降深和環(huán)境沉降，工程造價比增加截水帷幕深度經(jīng)濟。所以，開展短濾管減壓井的試驗和理論研究，有很強的現(xiàn)實意義。

現(xiàn)對短濾管減壓井內涵作如下說明：設計理念以最大程度增加減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差為目的；濾管一般設置在粉砂含水層（如上海地區(qū)的⑦2或⑨層）中，濾管長度一般為3.0～6.0 m；無隔水帷幕試驗條件下單井抽水試驗證明距離抽水井25.0 m處的降深一般不小于1.5 m；采用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬，懸掛式帷幕群井減壓降水的坑內降深滿足抗突涌安全系數(shù)要求。

為確定合適的短濾管減壓井的濾管長度，現(xiàn)場需要布置多口不同濾管長度的試驗井，這勢必會增加工程費用和試驗周期，遂開發(fā)了利用一口試驗井進行多個濾管長度單井抽水試驗的濾管縮短裝置。

1.3 濾管縮短新型裝置和地下水頂托力自平衡裝置的開發(fā)

1.3.1 濾管縮短新型裝置

針對需要布置多口不同濾管長度的試驗井的問題，發(fā)明了一種減壓降水試驗井部分濾管段的密封裝置，解決試驗費用高、施工周期長的問題。

濾管縮短新型裝置[1]由以下主要部件組成：上下抵抗浮力的壓重鐵板、上下鐵板中間纏繞在鋼管上的干海帶。利用干海帶膨脹后的阻水性將原長濾管試驗井下部濾管段堵塞。

對原先施工的較長濾管的井進行抽水試驗后，獲知較長濾管的試驗井單井涌水量較大、觀察井降深效果明顯，說明濾管有縮短的可能。對該濾管較長、降深能力較強的試驗井，采用本濾管縮短裝置，堵塞濾管的下部，從而進行較短濾管長度的單井抽水試驗，并進行長短濾管井降深的比較，確認短濾管減壓井用于擬建工程的可行性。

1.3.2 地下水頂托力自平衡裝置

在第1次試驗過程中，發(fā)現(xiàn)濾管縮短裝置上浮。分析原因如下，當對設置了濾管縮短裝置的試驗井抽水時，濾管縮短裝置頂部水壓力急劇減小，濾管縮短裝置頂?shù)酌嬷g產(chǎn)生明顯水壓力差，從而導致濾管縮短裝置上浮。

為解決上述問題，發(fā)明了一種減壓試驗井地下水頂托力自平衡裝置[2]，其原理是通過潛水泵上的泵管，將濾管縮短裝置承受的地下水頂托力，傳遞給井管試驗井外側的土體，由井管外側的土體摩擦力與地下水頂托力實現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。

1.4 6.0 m濾管與9.0 m 濾管的降深效果比較

5Y9-3井深為87.0 m，濾管深度76.0～85.0 m，濾管位于⑨層（靜力觸探貫入阻力Ps平均值約20.0 MPa）中，初始濾管長度9.0 m。抽水試驗采用非穩(wěn)定流方法[3]。

抽水試驗數(shù)據(jù)如表2所示。由表2得知，5Y9-3試驗井在9.0 m濾管條件下，單井涌水量249.0 m3/h，⑨層觀察井降深為3.48～8.82 m，降水效果良好。同時，11層觀察井的降深也達到了1.09～1.18 m。這說明該試驗井濾管長度有縮短的可能。

表2 5Y9-3單井抽水數(shù)據(jù)比較

對該試驗井設置濾管縮短裝置，保留上部濾管長度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次進行短濾管條件下的抽水試驗。潛水泵下至82.0 m（濾管縮短裝置頂），單井涌水量為95.0 m3/h。

由表2得知，在對5Y9-3（6.0 m濾管）進行單井抽水時，⑨層觀察井降深為1.18～3.45 m，在群井效應下，單井降深能力可以滿足工程⑨層的降深需求；同時，11層觀察井的降深為0.30～0.34 m，與9.0 m濾管長度的試驗井相比，11層觀察井的降深有明顯減小。

11層觀察井降深的減小，可以控制坑外含水層組的降深和降落漏斗的擴展范圍，進而可有效控制磁懸浮線的沉降。

1.5 6.0 m濾管與13.0 m濾管的降深效果比較

只有1組6.0 m濾管長度單井抽水試驗成果對工程決策的依據(jù)還不充分。進一步對5Y9-2（濾管初始長度13.0 m）下部濾管進行封堵，保留濾管長度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次進行短濾管試驗井的抽水試驗（表3）。潛水泵下至82.0 m，穩(wěn)定的單井涌水量為72.0 m3/h，而堵管前流量為260.0 m3/h。

表3 5Y9-2單井抽水數(shù)據(jù)比較

由表3得知，在對5Y9-2（6.0 m濾管）進行抽水時，距離抽水井13.9～45.4 m的⑨層觀測井5Y9-1和5Y9-3內水位降深為1.29～2.37 m；距離抽水井（5Y9-2）10.0 m左右的11層降深為0.27～0.30 m，與13.0 m濾管長度的試驗井相比，11層觀察井的降深有明顯減小，減少比率達77.0%。這對控制磁浮線處的沉降非常有利。

2 關于上海深層地下空間開發(fā)豎井深層承壓含水層減壓降水的討論

2.1 懸掛式帷幕減壓降水的流場特征

對于懸掛式帷幕減壓降水而言，滿足基坑安全開挖的坑內承壓水位下降幅度越大，坑外含水層的水位下降幅度一般也越大，環(huán)境的風險也隨之升高[4]。上海地區(qū)已經(jīng)有大量的第一承壓含水層懸掛式帷幕減壓降水的工程實踐。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，其坑外降深與坑內降深的比值一般為0.1～0.6，該比值與帷幕防滲質量、含水層的滲透各向異性、濾管底與帷幕底的高差等有密切關系，值得注意的是，降水區(qū)域面積越大，坑外降深與坑內降深的比值也越大，表現(xiàn)出明顯的平面尺度效應。

懸掛式帷幕減壓降水流態(tài)的空間分布規(guī)律較為復雜，坑外降深的大小及豎向分布形態(tài)，除了與保護對象至基坑降水區(qū)域的距離密切相關外，還與坑內降深、減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差、地層結構、水文地質參數(shù)等有關。懸掛式帷幕降水時，隔水帷幕附近為三維流，止水帷幕插入含水層的深度越大，三維流特征越明顯。

概括而言，懸掛式帷幕降水的坑外降深有如下特征：1）觀察點離基坑降水區(qū)域越遠，含水層組豎向不同深度的承壓水位降深均越小。

2）坑外水位降深在隔水帷幕趾端最大，靠近承壓含水層頂部的水位降深最小，從隔水帷幕趾端向下，水位降深也逐漸減小。

3）觀察點離降水區(qū)域越近，承壓水位降深沿深度的分布越不均勻，地下水三維流特征越明顯。觀察點離降水區(qū)域越遠，承壓水位降深沿深度的分布越均勻，地下水近似呈水平流。

4）觀察點離降水區(qū)域越近，水平面內降落漏斗的斜率也越大。

減壓降水井的濾管長度決定了減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差，是減壓降水設計的重點之一。上海地區(qū)還缺少第二承壓含水層短濾管減壓井試驗數(shù)據(jù)。對具體項目，應通過現(xiàn)場抽水試驗，確定濾管長度。

2.2 上海深層承壓水控制的技術難點分析

上海深層地下空間開發(fā)正在迅猛發(fā)展，豎井的開挖深度不斷加深，超深基坑減壓降水必須滿足基坑本體和環(huán)境的雙安全[5]。上海蘇州河蓄水隧道云嶺工作井開挖深度已達到56.0 m。上海深層地下空間開發(fā)必然會遇到上海地區(qū)第二承壓含水層及第三承壓含水層減壓降水，強透水性承壓水降水及其導致的坑外環(huán)境沉降控制已成為上海深層地下空間開發(fā)的一個技術難點[6]。

含水層水文地質參數(shù)經(jīng)驗值如表4所示。由表4可知，上海地區(qū)第二承壓含水層、第三承壓含水層滲透系數(shù)較大，采用懸掛式帷幕減壓降水時，單井涌水量大，坑外降落漏斗范圍廣，環(huán)境影響大。

表4 含水層水文地質參數(shù)經(jīng)驗值

上海第二承壓含水層層頂埋深65.0～70.0 m，相應減壓井的深度為74.0～85.0 m。一般把深度超過70.0 m的降水井稱為超深管井。為保證超深管井的施工質量，需采用反循環(huán)工藝成孔，需要專業(yè)隊伍進行施工。

目前上海地區(qū)超深豎井的隔水帷幕建造方法有：地下連續(xù)墻、等厚度水泥土攪拌墻（包括TRD、CSM）。超深帷幕施工技術難度高，也難免存在缺陷，目前還沒有對超深帷幕缺陷檢測的成熟技術，開挖過程中承壓水的滲漏和底側突涌還時有發(fā)生，需制定針對性的預案。

2.3 上海深層地下空間開發(fā)減壓降水采用短濾管減壓井的必要性及設計流程

在超深基坑采用懸掛式帷幕減壓降水時，采用短濾管減壓井，可以減少基坑豎向下臥的承壓含水層的降深，進而會減少坑外含水層的降深和地層壓縮，保護環(huán)境。焦點問題是，濾管縮短后，能否實現(xiàn)坑內減壓的設計需求。這需要在類似工程經(jīng)驗的基礎上，針對擬建場地的地質條件，進行現(xiàn)場抽水試驗，通過試驗時觀察井的降深，對短濾管試驗井的降深能力加以判斷。

以試驗確定的較短的濾管長度，建立實際工程懸掛式帷幕下的三維非穩(wěn)定滲流模擬，分析井的數(shù)量和平面位置。采用短濾管減壓井結構，井的數(shù)量會多一些。由于井數(shù)量的增加而增加的工程費用相對于增加帷幕長度而言，還是經(jīng)濟的。值得注意的是，采用短濾管減壓井減少了單井涌水量，也節(jié)約了水資源，符合綠色施工的時代要求。

3 結語

超深豎井開挖推動了承壓水控制技術的發(fā)展。本次試驗得到以下結論：

1）采用短濾管減壓井，可以減少含水層深部的水位下降，可有效地保護環(huán)境，節(jié)約水資源。

2）開發(fā)的濾管縮短裝置可以減少試驗費用，縮短試驗周期。

3）地下水頂托力自平衡裝置為試驗完成創(chuàng)造了條件。

關于上海深層地下空間開發(fā)遇到的第二、第三承壓水控制，下一步應加強工程原型監(jiān)測，總結實踐經(jīng)驗，并進一步完善原水回灌技術。