富水層深基坑工程減壓降水設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

陳瀲

（中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001）

1 工程概況

某項(xiàng)目工程位于長(zhǎng)興島北環(huán)河北側(cè)的農(nóng)田內(nèi)，沿南北向布置，為地上2層、地下2層（局部地下4層）單柱雙跨混凝土箱形結(jié)構(gòu)。本區(qū)域基坑工程共分為南端頭、標(biāo)準(zhǔn)段、機(jī)架段和北端頭4個(gè)區(qū)域，南端頭井基坑開挖深度約25.8 m，標(biāo)準(zhǔn)段及機(jī)架段基坑開挖深度約24.11～28.16 m，北端頭井基坑開挖深度約31.7 m。場(chǎng)地整平后地面標(biāo)高為+3.60 m。本工程基坑性質(zhì)如表1所示。經(jīng)本次勘察揭露，場(chǎng)地地基土在85.29 m深度范圍內(nèi)均為第四紀(jì)松散沉積物，主要由飽和粘性土、粉土和粉砂組成，一般具有成層分布特點(diǎn)。擬建場(chǎng)地地基土自上而下分布及特征如表2所示。

表1 基坑工程施工內(nèi)容概況

表2 場(chǎng)地土層分布及特征

表2（續(xù)）

影響本基坑開挖范圍的主要承壓含水層為第⑤3-2層、第⑦1-2層、第⑦2層、第⑨層。⑦1-2層水位埋深為2.19 m，標(biāo)高為+1.41 m；⑦3層水位埋深為1.97 m，標(biāo)高為+1.63 m；⑨1層水位埋深為1.77 m，標(biāo)高為+1.83 m。前期水文地質(zhì)勘察結(jié)果表明各承壓水層性質(zhì)，如表3所示。

表3 不同含水層性質(zhì)一覽表

2 減壓降水設(shè)計(jì)

2.1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算[1]

基坑底板抗突涌穩(wěn)定性條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力。即：

式（1）中：h為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m；γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的厚度加權(quán)平均重度，kN/m3；Fs為抗突涌安全系數(shù)，取1.05；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；H為承壓含水層頂板以上承壓水頭高度，m。

依據(jù)勘察報(bào)告及水勘報(bào)告，對(duì)本工程影響的承壓含水層主要為⑤3-2、⑦層，應(yīng)根據(jù)基坑不同位置及最不利鉆孔進(jìn)行驗(yàn)算，⑤3-2層水位取標(biāo)高+1.42 m，⑦層水位取標(biāo)高+1.4 m。具體基坑各部位底板抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果如表4所示。

表4 基坑底抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算表

上述驗(yàn)算結(jié)果表明，本基坑工程全段均需要減壓降水。

2.2 設(shè)計(jì)思路

本基坑工程的止水帷幕深入⑦2層，隔斷⑤3-2、⑦1-2層，未隔斷⑦2層。因此針對(duì)⑤3-2、⑦1-2層為懸掛式降水[2-4]，于坑內(nèi)布置減壓井，坑內(nèi)觀測(cè)。⑦2層為敞開式，在坑外設(shè)置⑦2層單獨(dú)的減壓井，坑外設(shè)置⑦2層獨(dú)立觀測(cè)井。

2.3 工程難點(diǎn)

本工程承壓含水層降壓范圍為⑤3-2、⑦1-2、⑦2層，且前期水勘資料表明⑦2層為強(qiáng)富水層[5-6]，滲透系數(shù)大，對(duì)減壓降水提出了一定的難度；本工程全區(qū)段均需減壓降水，基坑周邊有一定的環(huán)境保護(hù)要求，需控制降水引起的周邊環(huán)境變形[7-8]，而⑦2層敞開式減壓降水對(duì)減壓設(shè)計(jì)以及降水運(yùn)行管理提出了較高的要求；本工程⑦2層敞開式減壓降水運(yùn)營(yíng)期間，水位恢復(fù)迅速，要求備用電源啟用前的允許斷電時(shí)間間隔不大于2 min，這不僅加大了承壓水控制難度，同時(shí)也給后續(xù)降水運(yùn)行管理提出了較高的要求。

2.4 抽水試驗(yàn)

2.4.1 抽水井概況

根據(jù)工程安排，在降水井施工結(jié)束后進(jìn)行群井試驗(yàn)，群井試驗(yàn)分為三階段，即三井群抽、九井群抽和十四井群抽。三井群抽和九井群抽階段主要針對(duì)⑤3-2、⑦1-2層減壓降水進(jìn)行，十四井群抽是在九井群抽的基礎(chǔ)上增開坑外五口⑦2層減壓井針對(duì)⑦2層減壓降水。抽水試驗(yàn)減壓井平面位置示意圖及井結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 減壓井平面示意圖

圖2 抽水試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.2 試驗(yàn)結(jié)果

三井群抽階段單井出水量平均約為11.66 m3/h，九井群抽階段單井出水量平均為6.8～12.6 m3/h。抽水井動(dòng)水位埋深為39.2～46.3 m。三井群抽階段坑內(nèi)觀測(cè)井YG1水位埋深為12.8 m，九井群抽穩(wěn)定后坑內(nèi)南端頭及標(biāo)準(zhǔn)段處觀測(cè)井水位埋深為27.15 m（安全水位控制埋深為15.19～16.83 m）；機(jī)架段處觀測(cè)井水位埋深為25.97 m（安全水位控制埋深為20.64 m）；北端頭井觀測(cè)井水位埋深為28.01 m（安全水位控制埋深為26.8 m）。各區(qū)域水位均滿足相應(yīng)區(qū)域的⑤3-2、⑦1-2層安全水位控制需求。

九井群抽階段，YW4、YW8單井平均流量為73.5～76 m3/h，YW3、YW5、YW6單井平均流量為25.7～35.9 m3/h。抽水穩(wěn)定后，在坑內(nèi)9口⑤3-2、⑦1-2層減壓井+坑外5口⑦2層減壓井聯(lián)合抽水的基礎(chǔ)上，本工程南端頭及標(biāo)準(zhǔn)段處觀測(cè)井水位埋深為13.41 m（安全水位控制埋深為6.96～8.57 m）；機(jī)架段處觀測(cè)井水位埋深為14.55 m（安全水位控制埋深為12.41 m）；北端頭井⑦2層觀測(cè)井水位埋深為11.35 m（安全水位控制埋深為18.62 m）。南端頭及標(biāo)準(zhǔn)段、機(jī)架段水位均滿足相應(yīng)的⑦2層安全水位控制需求，北端頭處因有2口減壓井YW1、YW2尚未施工，需待端頭加固施工完畢后方可施工。由三維數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可知，待YW1、YW2施工完畢，在坑內(nèi)9口⑤3-2、⑦1-2層減壓井+坑外8口⑦2層減壓井聯(lián)合抽水，可滿足北端頭井處⑦2層安全水位控制要求。抽水試驗(yàn)期間各觀測(cè)井內(nèi)水位變化如圖3所示。

圖3 不同群井抽水試驗(yàn)階段觀測(cè)井水位變化曲線

2.4.3 試驗(yàn)結(jié)論

根據(jù)本工程抽水試驗(yàn)結(jié)果與分析，可以得出以下結(jié)論：①本工程的承壓水抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，基坑內(nèi)⑤3-2、⑦1-2層減壓井群抽可滿足基坑開挖至底時(shí)⑤3-2、⑦1-2層最大安全水位埋深需求。⑦2層減壓井群抽滿足南端頭、標(biāo)準(zhǔn)段、機(jī)架段區(qū)域?qū)Β?層的水位控制需求，北端頭因尚有2口減壓井YW1、YW2未施工，需待端頭加固施工完畢后方可施工，經(jīng)數(shù)值模擬計(jì)算表明，待北端頭2口減壓井施工完畢，坑內(nèi)⑤3-2、⑦1-2層群抽+坑外⑦2層群抽也可滿足北端頭對(duì)⑦2層的水位控制需求。②根據(jù)前期水文地質(zhì)勘察報(bào)告可知，本工程⑦2層水位恢復(fù)迅速，要求備用電源啟用前的允許斷電時(shí)間間隔不大于2 min，運(yùn)行高峰期排水量大、用電量高，現(xiàn)場(chǎng)需采取群抽狀態(tài)下的大流量排水措施和用電保障措施。③后期需合理配置抽水井內(nèi)的深水泵，并按照擬定減壓井運(yùn)行工況，秉承“按需降水、分層減壓”原則，嚴(yán)格控制基坑內(nèi)⑤3-2、⑦1-2層、⑦2層水位降深，避免少降或超降。

3 減壓降水運(yùn)行管理

為了控制減壓降水對(duì)工程周邊環(huán)境及工程自身的影響，根據(jù)降水方案及抽水試驗(yàn)、試降水工況，結(jié)合基坑開挖工況，制定了詳細(xì)的減壓降水工況，如表5所示。

表5 減壓降水運(yùn)行工況

根據(jù)表5可知，每個(gè)開挖工況提前1～2 d開啟相應(yīng)的降水井進(jìn)行降水，同時(shí)采用回水閥控制減壓井出水量，做到按需減壓。

4 結(jié)論

本工程作為長(zhǎng)興島內(nèi)鄰近長(zhǎng)江的某項(xiàng)目深基坑工程，承壓含水層為強(qiáng)富水層，工程地質(zhì)條件復(fù)雜；基坑全區(qū)段均需減壓降水，開挖深度最大的部位距離承壓水層頂僅6.57 m，減壓降水風(fēng)險(xiǎn)高。在正式減壓降水前通過抽水試驗(yàn)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了減壓降水的安全設(shè)計(jì)，解決了工程施工過程中的難點(diǎn)，滿足了基坑開挖的安全需求。結(jié)合基坑開挖工況制定詳細(xì)的減壓運(yùn)行工況，做到“按需減壓”[3]，控制減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。在減壓降水運(yùn)行期間，采取備用電源及備用井等一系列的配套措施，是控制減壓降水運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)最有效的措施。本工程的順利實(shí)施，為后續(xù)其他標(biāo)段及其他類似臨近深基坑工程提供了良好的參考。