止水帷幕失效情況下的地下水控制

姜渭漁 殷立鋒 王朝陽 晏 姝 王彭宇 羅軍濤 趙志銀

1. 上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200126；2. 上海長凱巖土工程有限公司 上海 200093

上海市某項(xiàng)目在基坑開挖前進(jìn)行生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在坑內(nèi)抽水的同時(shí)，坑外水位有所下降，初步判斷基坑外圍的止水帷幕有一定的缺陷，為保護(hù)基坑安全及周邊環(huán)境安全，一般在發(fā)生此類問題的情況下，需要進(jìn)行止水帷幕的修補(bǔ)工作，但是造價(jià)太高，因此需探求一種經(jīng)濟(jì)有效的解決方法。該項(xiàng)目在出現(xiàn)止水帷幕有缺陷的情況下，通過試驗(yàn)和模擬計(jì)算結(jié)合的方法，論證了在坑外布置回灌井的方式，人為制造帷幕，可以避免坑外地下水水位下降過大。這是減少由于降水引起的地表沉降的有效措施，使項(xiàng)目基坑周邊地面沉降得到有效控制[1]，既保護(hù)了周邊環(huán)境，也節(jié)省了人力、物力、財(cái)力。

1 工程概況

上海市某基坑位于上海市浦東新區(qū)，總建筑規(guī)模約410 261.76 m2，地上計(jì)容面積約264 222.50 m2，地下計(jì)容面積約143 373.28 m2，地下3層。地下1層主要布置地下商業(yè)、機(jī)機(jī)車庫、非機(jī)動車庫、設(shè)備用房等，地下2層布置機(jī)動車庫及設(shè)備用房，地下3層布置人防機(jī)動車庫及設(shè)備用房。該項(xiàng)目主要功能定位為商業(yè)、辦公、酒店等。周邊現(xiàn)有道路下管線密集，基坑北側(cè)開挖邊線距離道路紅線約4.2 m，道路下分布污水、雨水管線，管線距離基坑邊線分別為20.6、25.8 m。道路北側(cè)有軌交11號線區(qū)間隧道，距離基坑邊70.3～74.1 m；基坑?xùn)|側(cè)開挖邊線距離道路紅線約4.2 m，道路下分布雨水污水、燃?xì)狻㈦娏Φ裙芫€，其中較近的雨水和污水管線距離基坑邊線為18.7、40.7 m。

該基坑普通開挖深度為14.90 m，局部深坑落深4.20 m（開挖深度19.10 m），采用3道混凝土支撐?；影踩燃墳橐患?，環(huán)境保護(hù)等級為二級?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻圍護(hù)，坑內(nèi)豎向設(shè)置3道鋼筋混凝土水平支撐。其中北側(cè)靠近軌交11號線區(qū)間隧道100 m范圍內(nèi)采用1 m厚、46 m超深地下連續(xù)墻，結(jié)合三軸水泥土攪拌樁槽壁加固及RJP墻縫止水。其他區(qū)域采用800 mm厚地下連續(xù)墻，結(jié)合超深TRD止水帷幕（墻底埋深46 m）。

場地雜填土厚度一般為1.0～4.0 m，最厚達(dá)5.0 m，填土上部以碎石、磚塊為主，下部為黏性土為主。基坑開挖面從上到下土層主要為第②層灰黃色粉質(zhì)黏土、第③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、第④層灰色淤泥質(zhì)黏土。場地內(nèi)局部存在原有建筑拆除后的舊基礎(chǔ)和建筑垃圾。場地內(nèi)開挖面以下第⑤2-1層灰色砂質(zhì)粉土、第⑤2-3層灰色粉砂、第⑤3-2層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土為微承壓含水層，第⑦層灰色粉砂為承壓水，經(jīng)抗突涌驗(yàn)算（⑤2-1層、⑤2-3層以及⑤3-2層水頭埋深分別取4.5、5.0、6.0 m），大底板開挖時(shí)需要對⑤2-1層進(jìn)行降壓。當(dāng)開挖局部深坑時(shí)需要對⑤2-3層進(jìn)行降壓。⑤3-2層與第⑦層承壓含水層相連通，不存在坑底承壓水突涌問題。基坑圍護(hù)剖面見圖1。

圖1 基坑圍護(hù)剖面示意

第⑤2-2層與第⑤2-1層、第⑤2-3層存在一定的水力聯(lián)系，且第⑤2-2層為弱透水層，不具備微承壓性。根據(jù)巖土工程地質(zhì)勘察報(bào)告和水文地質(zhì)勘察成果，第⑤3-1層可作為隔水層，但因試驗(yàn)場地內(nèi)⑤3-1層部分缺失或?qū)雍褫^薄，故⑤2-3層與⑤3-2層存在直接水力聯(lián)系。該項(xiàng)目主要承壓含水層水文地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 水文地質(zhì)參數(shù)

水文地質(zhì)專項(xiàng)勘察期間，測得第⑤2-1層靜止水位埋深為4.10 m，穩(wěn)定單井出水量約1.10 m3/h，降水井停抽后，平均約400 min恢復(fù)10%，恢復(fù)速率較慢。測得第⑤2-3層靜止水位埋深為5.32 m，穩(wěn)定單井出水量約3.5 m3/h，降水井停抽后，平均約45 min恢復(fù)10%，恢復(fù)速率較快。

2 基坑降水分析

降水目的：降低基坑內(nèi)承壓含水層水位，防止開挖過程中產(chǎn)生管涌、流砂等不良現(xiàn)象，保證施工順利進(jìn)行；控制降水引起地面沉降，避免產(chǎn)生較大的差異沉降。

降水對策：采用坑內(nèi)布設(shè)減壓深井方式，降低坑內(nèi)承壓水水頭，對承壓水進(jìn)行“按需降水”?？刂扑唬豢油獠荚O(shè)水位觀測井及回灌井，在降水期間觀測坑外水位變化情況，必要時(shí)開啟回灌井，抑制周邊地表沉降。

降水井的設(shè)計(jì)：在坑內(nèi)布置8口減壓降水深井，2口觀測兼?zhèn)溆镁?，在坑外布?1口觀測井，井深控制為第⑤2-3層完整井。

3 抽水試驗(yàn)安排

在降水井全部施工完成后，針對各承壓含水層進(jìn)行生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，驗(yàn)證降水效果以及止水帷幕的封閉性。試驗(yàn)期間開啟坑內(nèi)減壓井（J1～J8），同步觀測坑內(nèi)觀測井（BG1、BG2）及坑外觀測井（G1～G11），實(shí)時(shí)記錄各時(shí)間段水位數(shù)據(jù)并繪制歷時(shí)曲線。

4 抽水試驗(yàn)情況及采取的措施

4.1 抽水試驗(yàn)結(jié)果

坑內(nèi)：在開始降水約7.5 d后，坑內(nèi)觀測井水位基本趨近平穩(wěn)，坑內(nèi)觀測井水位最大降深為4.60 m，但仍未達(dá)到基坑最大開挖深度時(shí)的安全水位。

坑外：在第⑤2-3層抽水試驗(yàn)期間，坑外東側(cè)、南側(cè)、西側(cè)觀測井水位尚未有平穩(wěn)趨勢，截至坑內(nèi)抽水井停止抽水，坑外觀測井水位東側(cè)最大下降2.69 m，南側(cè)最大下降3.93 m，西側(cè)最大下降2.87 m，北側(cè)最大下降0.04 m。抽水試驗(yàn)過程中第⑤2-3層觀測井水位變化歷時(shí)曲線見圖2～圖4。

圖2 第⑤2-3層坑外觀測井水位變化歷時(shí)曲線

圖3 第⑤2-3層坑內(nèi)觀測井水位變化歷時(shí)曲線

圖4 第⑤2-3層坑內(nèi)外觀測井降深平面示意

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

理想狀況下，在止水帷幕封閉的情況下，坑內(nèi)降水井抽水運(yùn)行，不會引起坑外較大的水位變化，但根據(jù)此次試驗(yàn)的結(jié)果看來，基坑?xùn)|側(cè)、南側(cè)及西側(cè)止水帷幕未達(dá)到理想效果，考慮對周邊環(huán)境的保護(hù)，需采取措施彌補(bǔ)止水帷幕失效帶來的后果。

為了探討一種性價(jià)比高的處理措施，需根據(jù)現(xiàn)場第⑤2-3層群井抽水試驗(yàn)的結(jié)果，在模型中對單井出水量進(jìn)行設(shè)置，對滲透系數(shù)不斷進(jìn)行反演計(jì)算，得出和現(xiàn)場實(shí)際情況大致相同的參數(shù)數(shù)值。通過模型反演后，坑內(nèi)觀測井水位處降深4.0～5.0 m，坑外觀測井水位降深北側(cè)約0.3 m，東側(cè)2.0～2.5 m，南側(cè)約3.2 m，西側(cè)約3.0 m，模型反演結(jié)果接近抽水試驗(yàn)結(jié)果，說明該反演模型可以反映真實(shí)降水情況，模型反演坑內(nèi)外水位降深等值線如圖5所示。

圖5 生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)反演得出水位降深等值線（單位：m）

4.3 坑內(nèi)處理措施

由于止水帷幕止水效果不佳，導(dǎo)致坑外承壓水源源不斷地對坑內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)給，使得坑內(nèi)現(xiàn)有減壓井?dāng)?shù)量不足以降低地下水水位至安全水位。為保證基坑安全開挖，需考慮增加坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量，在增加坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量后，經(jīng)過模型計(jì)算分析，坑內(nèi)觀測井位置水位降深7.0～7.5 m，滿足基坑最大開挖需求的安全水位。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，坑外觀測井處降深北側(cè)約0.52 m，東側(cè)約3.5 m，南側(cè)約4.6 m，西側(cè)3.5～4.6 m，坑外水位降深相比試驗(yàn)期間降深更大，坑內(nèi)外水位降深等值線如圖6所示。

圖6 增加坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量后坑內(nèi)外水位降深等值線（單位：m）

根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，計(jì)算降水引起的坑外地表沉降，由此減壓降水引起的坑外地表沉降等值線如圖7所示。圖中數(shù)據(jù)反映，靠近基坑位置北側(cè)地表沉降約4 mm，西側(cè)地表沉降約16 mm，南側(cè)靠近學(xué)校位置地表沉降2～4 mm，東側(cè)地表沉降約22 mm。因此，在止水帷幕滲水的情況下，坑內(nèi)降水將引起坑外地下水水位的下降，進(jìn)而導(dǎo)致坑外地表沉降，影響周邊環(huán)境安全。

圖7 增加減壓井?dāng)?shù)量后由減壓降水引起的坑外地表沉降等值線（單位：mm）

4.4 坑外處理措施

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，基坑周邊承壓水水位降深較大，考慮到基坑周邊環(huán)境的保護(hù)要求較高，故選擇在基坑周邊采取布置應(yīng)急回灌井的措施，人為抬升地下水水位，抑制周邊地表沉降[2]，坑外回灌井井結(jié)構(gòu)同坑內(nèi)抽水井井結(jié)構(gòu)，此方法主要為根據(jù)實(shí)際情況，建立新的地下水平衡，確保在坑內(nèi)滿足降水需求的前提下，減小由于深基坑引起的周邊保護(hù)建（構(gòu)）筑物區(qū)域地下水位變化及地面沉降。

回灌井的工作原理主要是把水注入回灌井里，井周圍的地下水位就會不斷地上升，上升后的水位稱為回灌水位。由于回灌井中的回灌水位與地下水位的靜水位之間形成一個(gè)水頭差，注入回灌井里的水有可能向含水層里滲流。當(dāng)滲流量與注入量保持平衡時(shí)，回灌水位就不再繼續(xù)上升而穩(wěn)定下來。此時(shí)，在回灌井周圍形成一個(gè)水位的上升錐，其形狀與抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反。在回灌井處的回灌水位最高，向四周回灌水位逐漸降低，直至與靜水位相重合，由重合點(diǎn)到回灌井中心軸線的距離稱為回灌影響半徑?；毓嗨慌c靜水位之差，稱為水位升幅。此外，回灌井的回灌量與含水層的滲透性有密切關(guān)系，在不同滲透性能的含水層中，井的回灌量差別很大。為了保持一定的回灌量，滲透性好的含水層，井中的回灌水位較?。环粗疂B透性愈差，井中所需的回灌水位就愈高。

因此，為了保持建立新的地下水均衡，需在基坑外圍設(shè)置回灌井，通過地下水的補(bǔ)給，維持坑外水位始終處于初始水位，減少地下水流失，抑制坑外地表沉降。

4.5 處理結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)及模擬計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在止水帷幕未達(dá)到理想效果時(shí)，坑外水位急劇下降，且將引起較大的地表沉降，在增加應(yīng)急回灌措施后，基坑周邊地表沉降明顯減小。增加應(yīng)急回灌井后，坑內(nèi)外水位降深等值線如圖8所示，圖8數(shù)據(jù)反映，在增加坑外應(yīng)急回灌井后，坑內(nèi)觀測井位置水位降深約7.0 m，滿足基坑開挖需求，坑外觀測井處降深北側(cè)約0.28 m，東側(cè)0.2～0.5 m，南側(cè)約3.0 m，西側(cè)3.0～4.0 m，坑外水位降深減小。

圖8 增加應(yīng)急回灌井后坑內(nèi)外水位降深等值線（單位：m）

根據(jù)以上模擬數(shù)據(jù)，對降水引起的坑外地表沉降進(jìn)行計(jì)算模擬，由此可得減壓降水及回灌后引起的坑外地表沉降等值線如圖9所示。地表沉降對比分析如表2所示。圖9數(shù)據(jù)反映在增加回灌井且運(yùn)行后，靠近基坑位置北側(cè)地表沉降約2 mm，西側(cè)地表沉降約14 mm，南側(cè)靠近學(xué)校位置地表沉降0～2 mm，東側(cè)地表沉降約4 mm。

表2 地表沉降對比分析

圖9 增加應(yīng)急回灌井后由減壓降水引起的坑外地表沉降等值線（單位：mm）

5 結(jié)語

在基坑工程中，止水帷幕失效而不能達(dá)到理想止水效果的事情是很常見的，一旦止水帷幕發(fā)生破壞，將給基坑帶來重大的危害。為了保證基坑安全，需要采取措施彌補(bǔ)止水帷幕失效帶來的損失，最常見的方法是進(jìn)行止水帷幕的修補(bǔ)。但是此種方法對人力、物力和財(cái)力的消耗過大。以上案例的成功實(shí)踐，為今后類似問題提供了有價(jià)值的參考。此后遇到類似問題時(shí)，可根據(jù)實(shí)際情況，判斷坑內(nèi)外水位情況及周邊環(huán)境保護(hù)要求，在保證基坑開挖安全的前提下，可在靠近重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域設(shè)置應(yīng)急回灌井，建議井間距不大于10 m/口。應(yīng)急回灌井運(yùn)行過程中，應(yīng)進(jìn)行回灌量和觀測井水位數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)的梳理分析。維持坑外水位始終位于初始水位位置，人為抬升地下水水位，抑制坑外地表及建筑物沉降[3]。從上述案例當(dāng)中可以看到，在止水帷幕失效的情況下，坑內(nèi)和坑外均增加降水井，在坑內(nèi)地下水可以到達(dá)安全水位的同時(shí)，坑外水位不至于有較大的水位下降，既保證了基坑安全，又避免降水對周邊環(huán)境的破壞[4-5]。該方法操作簡單，又節(jié)省人力、財(cái)力和物力，性價(jià)比較高。