跨海隧道深基坑穿越臨海斷裂帶處理方案優(yōu)化

萬 波

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

0 引言

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，可利用的土地資源日益減少，越來越多的土地開發(fā)轉(zhuǎn)向臨海地區(qū)，而以臨海區(qū)域大規(guī)模地下交通改善城市交通已成為一種必然[1]。在這一背景下，對斷層碎裂帶地區(qū)進(jìn)行超深基坑施工難以完全避免。針對此類特殊地層條件下開挖深基坑，防止開挖過程中出現(xiàn)涌水、涌砂，甚至坑底突涌，確保基坑安全，減小對周邊環(huán)境的影響是目前基坑工程設(shè)計施工中面臨的一大難題[2]。

本文以媽灣跨海通道某盾構(gòu)始發(fā)井為例，闡述在破碎帶地層實際施工中，如何結(jié)合基坑的現(xiàn)場情況，對基坑防涌水措施進(jìn)行設(shè)計、優(yōu)化，為今后類似工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1 工程概況

媽灣跨海通道某盾構(gòu)始發(fā)井距離前海灣約180 m，位于臨海大道與媽灣大道交叉口北側(cè)。工作井采用明挖順作法，基坑里程K 2+126—K 2+282,基坑長156 m，寬46.2～58.5 m，深28.4～40.1 m，開挖土石方量約281 000 m3，圖1 所示

圖1 工作井位置圖

基坑深度范圍存在填石、淤泥、砂層、黏性土、全～ 微風(fēng)化巖層，采用1.2 m厚地下連續(xù)墻的圍護(hù)形式，墻深隨地質(zhì)條件和開挖深度漸變，深度40.25～44.37 m之間，最深處進(jìn)入微風(fēng)化約16 m，槽段間接頭洞門圈位置采用銑接法接頭，其他位置采用H 型鋼接頭。支撐采用鋼筋混凝土，最深處設(shè)置有8 道支撐，如圖2 所示。

2 工程水文、地質(zhì)條件

2.1 地質(zhì)條件

根據(jù)勘察報告，本工程場地勘察深度范圍內(nèi)主要分布巖土層從上至下依次為：人工填土，第四系全新統(tǒng)海陸交互沉積淤泥，全新統(tǒng)沖洪積黏土、中粗砂，上更新統(tǒng)湖沼沉積淤泥質(zhì)黏土，沖洪積細(xì)砂（含淤泥）、黏土、粗砂，中更新統(tǒng)殘積砂質(zhì)黏性土、構(gòu)造巖及全～微風(fēng)化薊縣系的混合花崗巖，見圖3。

圖3 工程地質(zhì)斷面圖

根據(jù)詳勘結(jié)合補(bǔ)勘、工程物探資料以及區(qū)域地質(zhì)資料對F1 斷裂帶描述如下：

（1）該段為盾構(gòu)始發(fā)井明挖基坑，主要地層為人工填土、第四系全新統(tǒng)海積層淤泥、全新統(tǒng)沖洪積層黏土、中砂、中更新統(tǒng)殘積層砂質(zhì)黏性土、薊縣系變質(zhì)巖混合花崗巖的全、強(qiáng)風(fēng)化層。

（2）位于線路K 2+160—K 2+270 盾構(gòu)始發(fā)井明挖基坑范圍內(nèi)斷裂F1 隸屬于蛇口斷裂帶，走向北西30°～44°，傾向南西，傾角約65°～70°，影響寬度約10～20 m，以壓扭性為主、局部反扭。巖體在斷裂影響范圍內(nèi)，巖性體現(xiàn)為構(gòu)造破碎帶、碎裂巖，構(gòu)造裂隙等特征，其多為壓扭閉合裂隙；由于反扭作用，可能存在少量微張裂隙。前者透水性較弱，后者透水性相對來說較強(qiáng)[3]。

（3）基坑開挖后，由于地下連續(xù)墻阻隔，地下水主要為基巖裂隙水，賦存于中風(fēng)化帶及構(gòu)造碎裂巖中，其滲透性受巖體完整性、斷裂構(gòu)造影響，體現(xiàn)為各向異性。勘察期間未發(fā)現(xiàn)地下水涌出孔口等水位異?，F(xiàn)象，該區(qū)段地下水性質(zhì)為微承壓[4]。

（4）根據(jù)注漿加固先導(dǎo)孔地層揭露情況，推測了受斷裂（F1）影響的大致平面范圍和鉆孔影響深度范圍，見圖4、圖5。

圖4 斷裂帶平面范圍

圖5 斷裂帶1-1 縱斷面圖

2.2 水文條件

根據(jù)工程勘察資料，場區(qū)內(nèi)地下水分為上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種。第一種為上層滯水：主要賦存表層素填土、填砂、填石層中，水量小，主要靠大氣降水補(bǔ)給，水位因季節(jié)、降雨情況而異。第二種為孔隙承壓水：主要賦存于第四系全新統(tǒng)沖洪積細(xì)砂層，第四系上更新統(tǒng)沖洪積粗砂及礫砂層中，主要靠大氣降水補(bǔ)給，具承壓性，與海水有一定的水力聯(lián)系，孔隙承壓水水位高程為0.2 m，水位變幅為2～5 m。第三種為基巖裂隙承壓水：主要賦存于基坑范圍內(nèi)的斷裂帶中，水位高程為-0.5 m，水位變幅為1～3 m。

3 斷裂帶處理方案選擇

根據(jù)媽灣跨海通道工程勘察成果等相關(guān)資料揭露的情況，對K 2+160—K 2+270 段斷裂F1 工程地質(zhì)條件得到進(jìn)一步結(jié)論如下：

斷裂（F1）構(gòu)造裂隙多為壓扭閉合裂隙，透水性較弱，僅局部出現(xiàn)張裂隙，透水性相對較強(qiáng)，結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，出現(xiàn)“形成承壓水滲透通道”情況可能性甚微。所以，考慮將原設(shè)計注漿方案變更為僅采用降水方式進(jìn)行基坑開挖。

3.1 原設(shè)計方案

根據(jù)詳勘報告中對于斷裂帶的平面位置、范圍、滲透系數(shù)、水頭高度的描述，為防止基坑開挖期間由于斷裂帶水量及壓力過大出現(xiàn)坑底突涌等風(fēng)險，原設(shè)計方案是在基坑內(nèi)的斷裂帶范圍內(nèi)進(jìn)行帷幕注漿，注漿平面范圍為斷裂帶平面范圍，注漿深度為基坑底至斷裂帶底部以下1 m，如圖6、圖7。

圖6 帷幕注漿布置范圍

圖7 帷幕注漿橫斷面

注漿相關(guān)設(shè)計參數(shù)詳見表1。

表1 帷幕注漿參數(shù)表

根據(jù)設(shè)計圖紙要求，帷幕注漿先施工先導(dǎo)孔，先導(dǎo)孔按三角形布置，排內(nèi)孔距為16～24 m。先導(dǎo)孔施工完成后，及時將先導(dǎo)孔探查的斷裂帶分布情況反饋給勘察單位和設(shè)計單位，然后設(shè)計單位根據(jù)勘察單位確認(rèn)的斷裂帶分布動態(tài)布置注漿鉆孔，再實施注漿。

圖8 帷幕注漿施工流程

3.2 優(yōu)化后方案

（1）設(shè)計原則

根據(jù)斷裂帶情況擬采用加深F1 構(gòu)造斷裂帶范圍內(nèi)疏干井深度進(jìn)行疏干降壓的處理方式，其中K 2+120—K 2+160 段地墻未隔斷基坑內(nèi)外基巖裂隙水，且中風(fēng)化帶與斷裂帶存在一定的水力聯(lián)系，易形成補(bǔ)給通道，故此區(qū)域坑內(nèi)疏干井深度以揭穿中風(fēng)化巖進(jìn)入下部⑩4 微風(fēng)化基巖面頂部控制，以降低基巖裂隙水向坑內(nèi)的徑流補(bǔ)給。并在斷裂帶區(qū)域基坑內(nèi)增加備用兼觀測井，加強(qiáng)抽水，降低斷裂帶基巖裂隙水至基坑開挖面以下。

（2）設(shè)計方案

a.降水井?dāng)?shù)量及深度

經(jīng)勘查先導(dǎo)孔確認(rèn)，東側(cè)地墻已隔斷斷裂帶，西側(cè)地墻未完全隔斷斷裂帶，根據(jù)上述設(shè)計思路，設(shè)置基坑內(nèi)斷裂帶降水井，共14 口，其中12 口為混合井，2 口為降壓井；基坑外斷裂帶降水井共設(shè)置7 口，6 口位于基坑西側(cè)，1 口位于東側(cè)，都為降壓井，如圖9 所示?？觾?nèi)斷裂帶降水井深度為進(jìn)入底板以下5 m或到斷裂帶底?？油鈹嗔褞Ы邓疃葹檫M(jìn)入地墻底以下5 m。

圖9 斷裂帶降水井平面布置圖

b.降水井結(jié)構(gòu)

混合井除底部1 m與頂部2 m為實管外，其他范圍均為濾管，同時作為降坑內(nèi)地層潛水與基巖裂隙水的作用。降壓井除在斷裂帶范圍內(nèi)為濾管外，其他范圍均為實管，僅作為降斷裂帶基巖裂隙水使用，如圖10 所示。

圖10 斷裂帶降水井縱斷面示意圖

3.3 優(yōu)化方案數(shù)值模擬分析

本工程圍護(hù)結(jié)構(gòu)對地下水具有繞流作用，滲流條件復(fù)雜，解析公式已無法滿足計算要求，而數(shù)值法通過程序化運(yùn)算可模擬不同復(fù)雜條件下的地下水流狀況，能有效解決因隔水帷幕對地下水流動造成的影響。本次利用《V isualM odFlow》軟件，建立本工程地下水三維滲流數(shù)值模型，對降水進(jìn)行計算分析。

（1）模型建立及網(wǎng)格劃分

根據(jù)已有的巖土工程勘察報告、水文地質(zhì)條件、鉆孔資料，本次以基坑各邊向外擴(kuò)展約500 m作為本次的模擬邊界，模擬范圍為2 000 m×2 000 m。剖面上，利用勘探鉆孔資料，將場區(qū)在垂向上概化為10個模擬層，見圖11。

圖11 地層剖面分層示意

對研究區(qū)進(jìn)行三維剖分，將其劃分為規(guī)則的40×40 有限差分網(wǎng)格。為了取得更精細(xì)的模擬結(jié)果，對包含擬建基坑的敏感區(qū)網(wǎng)格進(jìn)行加密剖分。最終將研究區(qū)在平面上剖分為192×216 個網(wǎng)格單元，見圖12。

圖12 網(wǎng)格劃分示意圖

（2）參數(shù)設(shè)置

a.地層滲透系數(shù)

地下水流數(shù)學(xué)模型涉及的模型參數(shù)主要為滲透系數(shù)（K xx、K yy、K zz），其值的大小直接決定概念模型與實際水文地質(zhì)模型的擬合程度以及基坑涌水量預(yù)測的大小。各地層滲透系數(shù)如表2。

表2 模型參數(shù)取值表

b.地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻在模型中可利用Wall模塊表示，可設(shè)置墻的厚度及滲透性能，以賦予墻體滲透性，模擬墻體可能出現(xiàn)的滲漏，地墻模型如圖13。

圖13 地連墻三維立體概化圖

c.模型抽水井及觀測井設(shè)定

按照降水方案中降水井的剖面構(gòu)造對模型的抽水井進(jìn)行設(shè)定，共設(shè)置坑內(nèi)抽水井43 口，坑外6 口。模型抽水井和觀測井的平面位置見圖14，單井抽水速率設(shè)定為48.0 m3/d。

圖14 模型抽水井及觀測井平面布置

d.邊界條件

場地周邊為大海，海水與地下水存在直接水力聯(lián)系，為定水頭補(bǔ)給邊界。根據(jù)地勘資料、對各土層分別根據(jù)經(jīng)驗賦予其不同的初始水頭埋深，具體如下表3。

表3 各地層初始水頭參數(shù)

（3）模型計算結(jié)果

在上述條件設(shè)定及其他各項模型條件設(shè)定完成后，選擇適當(dāng)?shù)那蠼庖孢\(yùn)行并輸出可視化結(jié)果。本次模擬了在擬建項目基坑內(nèi)設(shè)置43 口降水井同時運(yùn)行30 d 的工況，模擬結(jié)果如下：

a.在持續(xù)抽水7d 后，基坑內(nèi)斷裂帶處的水位降深為30.0～35.0 m，對應(yīng)水位埋深約為35.0～40.0 m；在持續(xù)抽水30 d 后，基坑內(nèi)斷裂帶處的水位降深為35.0～40.0 m，對應(yīng)水位埋深約為40.0～45.0 m。具體見圖15。

圖15 數(shù)值模擬水位降深等值線圖

b.在持續(xù)抽水7 d、30 d 后，將觀測井O B 1、O B 2的測壓水頭統(tǒng)計如表4，水頭下降曲線如圖16。

圖16 觀測井OB1、OB2 水位降深曲線

c.在持續(xù)抽水30 d 后，受降水影響基坑外地表沉降約為0.0～5.5 mm，如圖17。

圖17 抽水30 d 坑外地表沉降

綜上，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果降水深度以及地表沉降可以滿足規(guī)范要求，方案初步具備可行性。

3.4 降水實驗驗證

（1）靜水位觀測

根據(jù)靜止水位觀測結(jié)果，試驗前混合水靜止水位埋深為4.31～6.03 m，相應(yīng)標(biāo)高為+0.37～+0.83 m。試驗前斷裂帶基巖裂隙水靜止水位埋深為4.90～7.14 m，相應(yīng)標(biāo)高為-0.35～-0.92 m。

表5 靜止水位觀測結(jié)果統(tǒng)計表

（2）單井降水實驗

a.抽水約18 h，抽水井水位穩(wěn)定在29.7 m，水位降深25.05 m,實際出水量約1.7 m3/h,觀測井水位下降1.0 m。

b.停止抽水約2 h 后，抽水井水位恢復(fù)上升15.5 m，觀測井水位恢復(fù)上升75 cm，水位恢復(fù)比較迅速；停止抽水約24 h 后，抽水井水位基本恢復(fù)至初始水位，如圖18 所示。

圖18 單井實驗井位

（3）群井試驗

a.抽水歷時約4 d，24 口抽水井水位降深基本穩(wěn)定，抽水歷時約10 d，觀測井水位基本穩(wěn)定，J1-22水位降至28 m，J1-10 水位降至27 m。

b.停止抽水約2 h 后，抽水井水位平均恢復(fù)上升約5 m，水位恢復(fù)比較緩慢；停止抽水約24 h 后，抽水井水位基本恢復(fù)穩(wěn)定，水位穩(wěn)定在地面以下22 m，如圖19 所示。

圖19 群井實驗井位

（4）結(jié)論

根據(jù)單井降水實驗以及群井降水實驗結(jié)果，斷裂帶補(bǔ)水速度相對緩慢，同時僅采取降水井的方式可以有效的將坑內(nèi)水位下降，降水方案技術(shù)上基本可行。

3.5 方案工期成本對比分析

經(jīng)對比分析（見表6），工期成本優(yōu)化后方案具有顯著優(yōu)勢，同時，數(shù)值分析結(jié)合前期現(xiàn)場情況，優(yōu)化后方案具有可行性，后續(xù)現(xiàn)場決定采取優(yōu)化后方案。

表6 工期成本對比表

4 現(xiàn)場實施效果

4.1 工期分析

施工機(jī)械設(shè)備選用工程鉆機(jī)及其配套設(shè)備。成孔時采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝。具體施工過程如圖20 所示，根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計數(shù)據(jù)，成井平均工效為19 h/口，斷裂帶內(nèi)全部降水井施工總計45 d，比計劃工期多17 d，但比原方案計劃工期節(jié)約50 d，施工過程詳見圖20。

圖20 成井現(xiàn)場照片

4.2 降水效果分析

（1）開挖前群井實驗

a.觀測井水位

由于現(xiàn)場施工進(jìn)度與數(shù)值模擬時有所出入，進(jìn)而現(xiàn)場降水井開啟數(shù)量需根據(jù)實際開挖深度以及現(xiàn)場情況綜合確定，導(dǎo)致觀測井水位在降水同等天數(shù)時水位有所卻別，但可以發(fā)現(xiàn)在降水井全面開啟時，觀測井J1-22 水位基本與數(shù)值模擬結(jié)果吻合。J1-22與數(shù)值模擬結(jié)果偏差相對較大，主要是該處地墻未完全隔斷地下水，補(bǔ)水速度相對較快，導(dǎo)致在數(shù)值模擬中未能有效模擬，具體見圖21。

圖21 觀測井實測結(jié)果與數(shù)值模擬對比

b.周邊地面沉降

降水過程中對周邊地面進(jìn)行地表沉降觀測，由于監(jiān)測是從基坑開挖時進(jìn)行檢測的，所以僅選取前期開挖一個月的數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬進(jìn)行對比分析，盡量減少開挖帶來的沉降對觀測結(jié)果的影響。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果：

一是基坑臨邊監(jiān)測點(diǎn)（即MWD-DBC1-1～MWDDBC1-10）除個別點(diǎn)位以外，沉降量基本在5 mm 以內(nèi)，與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。

二是徑向地表沉降規(guī)律與數(shù)值模擬不同，未呈現(xiàn)由基坑邊向外沉降逐漸減少的規(guī)律。主要因為部分地層為填石層地層，且骨架間填土較少，開挖擾動該地層帶來的不均勻沉降導(dǎo)致，而數(shù)值模擬中對該地層難以有效模擬導(dǎo)致呈現(xiàn)規(guī)律不一致。

由于監(jiān)控點(diǎn)較多，僅提取部分監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖22 及圖23，具體監(jiān)測點(diǎn)位布置如圖24 所示。

圖22 基坑臨邊監(jiān)測點(diǎn)地表沉降數(shù)據(jù)1

圖23 基坑徑向監(jiān)測點(diǎn)地表沉降數(shù)據(jù)2

圖24 監(jiān)測點(diǎn)位置

（2）開挖過程降水效果

將觀測井實測結(jié)果與開挖深度曲線對比后可以發(fā)現(xiàn)，基坑開挖過程中降水水位一直在開挖線以下兩米，優(yōu)化后方案實施效果良好，如圖25 所示。

5 結(jié)論

（1）在斷裂帶處理過程中注重地質(zhì)勘查工作，在原有地勘及設(shè)計資料的基礎(chǔ)上進(jìn)一步分析斷裂帶的性質(zhì)以及水力聯(lián)系情況，進(jìn)而優(yōu)化斷裂帶處理方案。

圖25 觀測井實測結(jié)果開挖深度對比

（2）對于以壓扭性為主、局部反扭的斷裂帶而言，可考慮采用純降水方式進(jìn)行斷裂段處理，工期、成本方面對比注漿具有一定優(yōu)勢，同時處理效果可滿足施工以及規(guī)范要求。

（3）Visual ModFlow 數(shù)值模擬計算結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果有較好的吻合性，可以在一定程度上指導(dǎo)現(xiàn)場施工，驗證方案可行性，地表沉降誤差在10% 以內(nèi)。