深基坑不同工況條件下地下水控制思路及其實(shí)施效果分析

李 昊

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況及水文地質(zhì)情況

1.1 深基坑一工程概況

蘇南某城市地鐵控制中心深基坑工程，基坑平均挖深約17 m，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 m 厚地下連續(xù)墻，深度30~40 m，部分地墻底未進(jìn)入相對(duì)隔水層。

1.2 深基坑一工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

工程基坑底位于粉砂夾粉土地層。

地層地下水含水量充沛，主要分為上層孔隙潛水，基底地層的微承壓水以及深層承壓水。基底④2粉砂夾粉土層（滲透系數(shù)3.0×10-3）的微承壓水水頭埋深約2.6 m，承壓水含水層主要為基底以下的⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土（滲透系數(shù)3.5×10-4）、⑦2粉砂夾粉土（滲透系數(shù)3.5×10-3）、⑦4粉砂夾粉土及下部粉土、粉砂層，穩(wěn)定水頭埋深約5.5 m。

1.3 深基坑二工程概況

華中某城市地鐵盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)井深基坑距長(zhǎng)江約1500 m，其中主基坑開挖深度約36 m，附屬基坑開挖深度約16 m。

主基坑地下連續(xù)墻深57~59 m，厚度1.2 m，墻底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖3~5 m。

附屬基坑地下連續(xù)墻深55~59 m，厚度1.0 m，墻底進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化泥巖3~5 m，考慮附屬基坑挖深僅約16 m，附屬基坑地下連續(xù)墻22 m 以下僅考慮止水需要，設(shè)計(jì)為素混凝土澆筑。

1.4 深基坑二工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

區(qū)間風(fēng)井深基坑地層自上而下分別為①2素填土、①3淤泥、⑥1粉質(zhì)黏土、⑥1a粉質(zhì)黏土、⑩1黏土、?1含黏性土粉細(xì)砂、?2含黏性土中細(xì)砂。其中，附屬基坑基底位于⑩1黏土、?1含黏性土粉細(xì)砂地層中，主基坑基底位于?2含黏性土中細(xì)砂地層中?；拥剡B墻墻底位于?2a中風(fēng)化泥巖地層，入巖深度3~5 m。

深基坑二地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水3 種類型?；臃秶鷥?nèi)的承壓水主要賦存于?1含黏性土粉細(xì)砂層（滲透系數(shù) 4.1×10-）3、?2含黏性土中細(xì)砂層（滲透系數(shù)1.7×10-2）和中粗砂混礫卵石層（滲透系數(shù)2.3×10-2）中。

2 不同工況條件下深基坑地下水控制思路分析

2.1 深基坑一地下水控制思路

深基坑一地下水含量充沛，其類型主要分為上層孔隙潛水、基底地層的微承壓水以及深層承壓水，針對(duì)這3 類地下水的控制思路，主要體現(xiàn)為“分層控制”的理念[1]。

（1）針對(duì)上層孔隙潛水的控制，地下連續(xù)墻進(jìn)入⑤1粉質(zhì)黏土，該層土滲透系數(shù)8.5×10-6，隔水性能較好，地下連續(xù)墻能夠較好地隔斷坑內(nèi)上層潛水與坑外潛水的水力聯(lián)系，在這一基礎(chǔ)上，鑒于開挖范圍內(nèi)主要為弱透水層，透水性差、含水高，同時(shí)④2粉砂夾粉土層底板距離基底較近，降水過(guò)程中容易產(chǎn)生滯水，基坑內(nèi)按照單井有效抽水面積200 m2，共設(shè)置60口疏干井，基坑挖前采用真空進(jìn)行抽水，減少地層的滯水，加快地層的疏干，盡量降低地層含水量。同時(shí)由于地下連續(xù)墻的相對(duì)物理隔斷，也減少了長(zhǎng)時(shí)間坑內(nèi)降淺層潛水過(guò)程中對(duì)坑外環(huán)境的影響，特別是對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物的變形影響。

（2）針對(duì)基底④2粉砂夾粉土層的微承壓水的控制，該層土滲透系數(shù)3.0×10-3，深基坑底板位于該層土。經(jīng)驗(yàn)算，當(dāng)基坑開挖至6.7 m 時(shí)，坑內(nèi)地基土抗④2承壓水穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)（抗承壓水分項(xiàng)系數(shù)1.05），基坑開挖不滿足抗④2層承壓水穩(wěn)定性的要求。而由于該層土位于基坑底板位置，需開挖地層，且地下連續(xù)墻底進(jìn)入④2層以下的⑤1粉質(zhì)黏土，理論上已隔斷該層承壓水的基坑內(nèi)、外水力聯(lián)系，因此只需綜合降上層潛水需求共同設(shè)置疏干井，井深23~25 m，將疏干井深入基底約6 m，即可在降潛水的同時(shí)對(duì)該層微承壓含水層進(jìn)行疏干。

（3）對(duì)于⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土層的承壓水和⑦2粉砂夾粉土層的承壓水，該層土滲透系數(shù)3.5×10-4，基坑北側(cè)地下連續(xù)墻未能穿透該層進(jìn)入其下的⑦粉質(zhì)黏土（滲透系數(shù)2.3×10-5）相對(duì)隔水層。

隨著基坑開挖深度的增加，基底至承壓含水層之間的覆土厚度減小，下部承壓水有引發(fā)基底突涌的風(fēng)險(xiǎn)[2]。基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件為：基坑底板至承壓含水層頂板間的土重力應(yīng)大于承壓水的頂托力，計(jì)算如式（1）所示：

式中：Kh——突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，Kh不應(yīng)小于1.1；D——承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m，D=Ha-Hb；γ——承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度，kN/m3；hw——承壓含水層頂面的壓力水頭高度，m；γw——水的重度，10 kN/m3。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，⑦2承壓含水層的水位標(biāo)高為-2.73 m，⑤1a承壓含水層水位標(biāo)高為-2.03 m，土重度為18.4 kN/m3。

通過(guò)計(jì)算分析，基底抗⑤1a承壓含水層突涌系數(shù)均小于0.9，不滿足抗突涌要求，承壓水位需降低4.64~10.41 m；基底抗⑦2承壓含水層系數(shù)在控制中心主樓坑中坑處為1.0、其余部位均大于1.05，若安全系數(shù)按1.0 考慮，則本工程無(wú)須考慮⑦2層減壓降水問(wèn)題，但從安全角度考慮，本次安全系數(shù)取1.1，控制中心主樓承壓水位需降低3.04 m，其余部位需降低0.96~1.21 m。為詳細(xì)分析⑤1a和⑦2層承壓水的控制參數(shù)，對(duì)降水井?dāng)?shù)量、水位降深等參數(shù)進(jìn)行分析、驗(yàn)證，根據(jù)場(chǎng)地水文地質(zhì)特征，對(duì)水文地質(zhì)條件進(jìn)行概化，通過(guò)概念模型運(yùn)算分析，基坑各部分⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土承壓含水層水位降低至安全水位時(shí)，基坑總涌水量約為400 m3/d，共布置10 口⑤1a層降壓井（包含2 口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?，井?3 m，底部設(shè)置3 m 橋式濾水管，其上再回填5 m 黏土球進(jìn)行隔離止水，防止與上層地下水通過(guò)鉆孔產(chǎn)生水力聯(lián)系，坑外水位下降最大約2.0 m。

通過(guò)計(jì)算，基坑內(nèi)共需10 口⑦2層降壓井，考慮到抗突涌穩(wěn)定，安全系數(shù)按1.1 取值，實(shí)際布置6 口⑦2層降壓井，4 口布置在控制中心主樓，主變電站及控制中心附樓各布置1 口，井深45 m，底部設(shè)置6 m橋式濾水管，其上再回填5 m 黏土球進(jìn)行隔離止水，防止與上層地下水通過(guò)鉆孔產(chǎn)生水力聯(lián)系。該部分井主要以觀測(cè)備用為主。

2.2 深基坑二地下水控制思路

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，深基坑二地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水3 種類型。

不同于蘇南地區(qū)深基坑地下水控制思路，位于華中地區(qū)的深基坑二因地下連續(xù)墻進(jìn)入隔水中風(fēng)化泥巖，地下控制則只考慮對(duì)“孔隙承壓水”進(jìn)行疏干；對(duì)于上層滯水則采取坑內(nèi)明排方式處理；對(duì)于基巖裂隙水，由于主要由基巖上部的承壓水下滲補(bǔ)給，其水量較為匱乏，對(duì)本工程基本無(wú)影響，則未予考慮。總結(jié)深基坑二的地下水控制思路，則可歸納為以下兩點(diǎn)。

（1）鑒于該基坑地下水量豐富，承壓水與長(zhǎng)江水力聯(lián)系密切，豐水期長(zhǎng)江水補(bǔ)給孔隙承壓水，且緊鄰紫陽(yáng)湖布置，圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，地下水的控制就成了一個(gè)極為重要的因素。設(shè)計(jì)方案采用了落底式（墻底進(jìn)入中風(fēng)化泥巖）地下連續(xù)墻，主基坑因挖深約36 m，設(shè)計(jì)墻厚1.2 m，外側(cè)結(jié)合盾構(gòu)端頭加固設(shè)置0.8 m 厚止水素墻，兩墻均落底。附屬基坑挖深約16 m，設(shè)計(jì)墻厚1.0 m，同樣按落底設(shè)計(jì)，理論上可較好地隔離基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

（2）根據(jù)地下水類型及基坑面積、降水深度、布井方式等因素，按“大井”法承壓非完整井公式計(jì)算基坑涌水量Q=7905 m3/d；根據(jù)水文地質(zhì)勘查結(jié)果，按照單井出水量公式計(jì)算單井出水量為718 m3/d，實(shí)際為480 m3/d，考慮地下連續(xù)墻落底折減系數(shù)0.6，共需布置降水井11 口，經(jīng)軟件模擬計(jì)算優(yōu)化，實(shí)際布置8 口降水井（其中主基坑2 口，附屬基坑3 口，盾構(gòu)端頭固區(qū)內(nèi)3 口），可將各分區(qū)承壓水降至基坑底板下。井深45 m，濾管設(shè)置在?1層含黏性土粉細(xì)砂（滲透系數(shù) 4.1×10-3）、?2層含黏性土中細(xì)砂（滲透系數(shù) 1.7×10-2）和中粗砂混礫卵石層（滲透系數(shù) 2.3×10-2）承壓水層中，深基坑底板以上不設(shè)置濾管。

3 地下水控制效果分析

3.1 深基坑一地下水控制效果分析

（1）深基坑一實(shí)施過(guò)程中，坑內(nèi)布置的疏干井起到較好的疏干作用，⑤1a粉土夾粉質(zhì)黏土承壓水層的降壓井降壓效果也非常有效，基坑開挖作業(yè)較為順利，未受地下水影響。

但在坑底坑中坑開挖過(guò)程中，基底④2粉砂夾粉土層中的含水較多，現(xiàn)場(chǎng)采用了坑中坑部位增加臨時(shí)輕型井點(diǎn)的方式進(jìn)行處理，也確保了深基坑作業(yè)的順利實(shí)施。

（2）由于基坑北側(cè)地下連續(xù)墻未能穿透⑤1a承壓含水層進(jìn)入其下的⑦層粉質(zhì)黏土層隔斷深基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，在進(jìn)行⑤1a承壓水降壓過(guò)程中，坑外東、西兩側(cè)的港華燃?xì)夂蜋C(jī)場(chǎng)路加油站建筑物均出現(xiàn)了沉降變形量超限問(wèn)題，造成了建筑物裝修層損壞情況。分析其原因是在坑內(nèi)進(jìn)行承壓水降壓作業(yè)過(guò)程中，地下連續(xù)墻未能隔斷坑內(nèi)外承壓水層，在坑外承壓水水位下降過(guò)程中，淺層潛水通過(guò)相對(duì)隔水層與承壓水層聯(lián)系并隨之出現(xiàn)一定程度的下降，造成淺表地層失水固結(jié)沉降，進(jìn)而導(dǎo)致坑外建（構(gòu)）筑物的沉降變形[3]。

3.2 深基坑二地下水控制效果分析

深基坑二實(shí)施過(guò)程中，地下水的控制效果也達(dá)到了基坑安全開挖的目的。

但在坑內(nèi)降水實(shí)施過(guò)程上也出現(xiàn)了一些問(wèn)題，主要體現(xiàn)在以下3 個(gè)方面。

（1）主基坑內(nèi)2 口降水井在抽水過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其中1 口井出水量不足，為確保超深基坑（挖深約36 m）開挖過(guò)程中的地下水控制效果，在基坑開挖至第二道支撐（挖深約11 m）時(shí)，坑內(nèi)補(bǔ)充增設(shè)了1 口降水井，后經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，降水效果變化明顯，主基坑開挖至基底時(shí)，其中2 口井已基本不出水，僅1 口井間斷少量出水，該現(xiàn)象說(shuō)明主基坑兩墻落底的地下連續(xù)墻止水效果較好，有效地隔斷了坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

（2）附屬基坑內(nèi)3 口井因需要保留至盾構(gòu)穿越主基坑時(shí)進(jìn)行主基坑洞門外降水使用，周期長(zhǎng)達(dá)1~2 年，為確保主基坑破除盾構(gòu)洞門安全，在實(shí)際實(shí)施過(guò)程中增設(shè)了2 口井，作為備用井使用。實(shí)際在附屬基坑開挖過(guò)程，經(jīng)抽水試驗(yàn)，3 口井可將承壓水降至附屬基坑底板（深底約16 m）以下，但由于單井出水量大于480 m3/d，20 m3/h 的水泵無(wú)法將附屬基坑承壓水降至盾構(gòu)隧道洞門（深度約33 m）以下，后經(jīng)更換50 m3/h 的水泵，方達(dá)到預(yù)期降深目標(biāo)。

（3）附屬基坑坑外觀測(cè)井（承壓水觀測(cè)井）水位在坑內(nèi)疏干降水過(guò)程中出現(xiàn)了2~3 m 的降深，但在附屬基坑的長(zhǎng)期抽水過(guò)程中基本維持在這一降深，且坑外環(huán)境變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)未出現(xiàn)較明顯變化。分析附屬基坑地下連續(xù)墻存在一定范圍的滲漏，但在附屬基坑開挖過(guò)程中并未發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻的明顯滲漏，推斷滲漏部位位于其底板以下，而由于區(qū)域上部的黏土地層隔水性能較好，坑外“上層滯水”未受深層承壓水降深影響，環(huán)境變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)也未有明顯變化。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上兩個(gè)不同工況條件下的深基坑地下水控制思路及其實(shí)施效果分析，總結(jié)深基坑地下水的控制應(yīng)從以下4 個(gè)方面考慮。

（1）深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段應(yīng)兼顧對(duì)地下水的坑內(nèi)外物理隔斷效果，包括淺層水和承壓水，在充分考慮經(jīng)濟(jì)性和坑外周邊環(huán)境的情況下，盡可能地隔斷需控制的各層地下水[4]，減少深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)。

（2）在隔水地層隔水性能相對(duì)不完全情況下，由于淺層潛水與承壓水的豎向水力聯(lián)系，在坑內(nèi)對(duì)未隔斷承壓水進(jìn)行降壓過(guò)程中，坑外承壓水和潛水水位也會(huì)隨之下降，進(jìn)而對(duì)周邊環(huán)境造成沉降變形影響，因此對(duì)于對(duì)周邊環(huán)境變形極為敏感的深基坑工程，更應(yīng)充分考慮不同工況條件下圍護(hù)結(jié)構(gòu)的隔水性能。

（3）深基坑工程在設(shè)計(jì)和施工階段均應(yīng)詳細(xì)分析不同工況條件下各層地下水的有效控制措施，在兼顧安全性、便利性和經(jīng)濟(jì)性的條件下，以“分層控制”理念有針對(duì)性地制定地下水控制方法。

（4）深基坑工程實(shí)施過(guò)程中要密切關(guān)注地下水控制措施的實(shí)施有效性，及時(shí)分析地下水控制狀態(tài)[5]，并在出現(xiàn)異常情況時(shí)，保持足夠的敏感性，必要時(shí)果斷采取補(bǔ)救措施，確保深基坑施工安全。