軟土地區(qū)深基坑多層地下水處理措施分析

姚武松 （上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

根據(jù)國家的建設(shè)規(guī)劃，上海作為中國國際經(jīng)濟、金融、貿(mào)易和科技創(chuàng)新中心，城市地下空間的開挖利用逐漸更大、更深化。近年來建設(shè)的商業(yè)綜合體、軌交等深大基坑普遍達到了地下四～五層。上海地區(qū)是典型的長江三角洲沖擊平原，是海拔相對較低的濱海城市，地處軟土地區(qū)，具有潛水、微承壓水和承壓水等豐富的多層地下水，地下水處理成為深大基坑最為顯著的問題。在工程建設(shè)過程中，如何有效地處理開挖范圍內(nèi)的軟弱黏性土、避免深層承壓水突涌，確保基坑安全施工，同時減小降水對周邊環(huán)境影響，是設(shè)計和施工過程中需側(cè)重考慮的問題[1]。

本文以上海市某深基坑為例，采用分層降水+回灌的方式處理地下水，滿足基坑開挖的同時，避免多抽、超降對周邊環(huán)境造成影響。采用新型工藝氣動真空疏干降水處理上部軟弱黏性土，深層未完全隔斷的承壓水采用減壓井懸掛式減壓降水，結(jié)合抽灌一體化技術(shù)對周邊環(huán)境進行保護處理的思路，進行基坑降水的設(shè)計和施工工作[2]。本文對軟土地區(qū)深基坑多層地下水的典型案例進行總結(jié)和歸納，以供類似工程參考和借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

上海某城市快速路新建工程整體呈東西走向，采用地道+高架的組合形式，建設(shè)規(guī)模為雙向6 車道。工程基坑包含工作井和明挖區(qū)間，基坑長195.00m、寬24.40m，挖深13.71～28.11m。圍護型式采用0.8m/1.2m 厚的地墻，墻深31～52m，4～5 道混凝土支撐+鋼支撐支護。坑內(nèi)采用裙邊加固和抽條加固進行淤泥質(zhì)軟土處理。整體采用明挖順作法施工，局部采用蓋挖法施工。工程周邊臨近多個小區(qū)和辦公區(qū)，特別是基坑南側(cè)環(huán)境較復雜，建筑距離基坑約8～20m，位于1 倍開挖深度范圍內(nèi)，普遍為天然基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，并且基坑周邊管線也較為復雜?；影踩燃墳橐患墸h(huán)境保護等級為二級。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)

工程所處位置按地貌單元劃分屬于濱海平原地貌類型。地面以下85m 以內(nèi)分布的土層自上而下依次為①1 層雜填土、②1 層粉質(zhì)粘土、②3A 層粘質(zhì)粉土、③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④層淤泥質(zhì)粘土、⑤1 層粉質(zhì)粘土、⑥層粉質(zhì)粘土、⑦1層砂質(zhì)粉土、⑦2 層粉細砂、⑧1 層粉質(zhì)粘土夾粉砂、⑧1T 層粉質(zhì)粘土與粉砂互層、⑨粉細砂層。

地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水和深部的第⑦層、⑧1T 層、⑨層的承壓水。潛水含水層水位埋深一般為2.1～2.3m，受潮汐、降水量、季節(jié)、氣候等因素影響而變化。對工程有影響的承壓水主要為第⑦層承壓水，層厚約32m，水位呈周期性變化，實測水位埋深3.82m。

基坑落底于第⑤1 層和⑥層，開挖范圍內(nèi)主要為軟弱粘性土，具明顯觸變及流變特性，并且滲透系數(shù)較小，短時間內(nèi)難以疏干?？拥着R近揭穿第⑦層承壓水，承壓水具有突涌的風險，需進行減壓處理。圍護采用地墻作為止水帷幕，墻底位于第⑦2 層，進入承壓水10～22m，未完全隔斷承壓水，屬于懸掛式減壓降水，坑內(nèi)減壓降水期間必然引起坑外水位的下降，從而導致周邊環(huán)境的沉降。為減小坑內(nèi)降水期間坑外的水位變化，需采取有效的保護措施，可采用加深地墻隔斷承壓水或回灌的措施進行保護，從施工難度、工期長短和經(jīng)濟性考慮，回灌是最經(jīng)濟、簡單且有效的措施[3]。

2 技術(shù)難點

2.1 難點分析

為確?；禹樌_挖，需降低基坑開挖深度范圍內(nèi)的土體含水量，基坑開挖范圍內(nèi)主要為淤泥質(zhì)軟弱粘性土，具有較明顯的觸變及流變特性，在動力作用下土體強度極易降低。第②3A 層為粘質(zhì)粉土層，含水層豐富，粘性土含量較高，開挖過程中易出現(xiàn)流砂現(xiàn)象。

基坑下伏承壓含水層主要為第⑦層，存在突涌風險，含水層較厚，滲透系數(shù)較大。圍護結(jié)構(gòu)未完全隔斷第⑦層承壓含水層，屬于懸掛式減壓降水。

基坑周邊環(huán)境較復雜，受減壓降水的影響。

基坑開挖深度較深，懸掛式減壓降水風險相對較大，現(xiàn)場需配備雙電源，預防停電產(chǎn)生承壓水突涌的現(xiàn)象，同時做好信息化施工并及時預警。

2.2 處理措施

對開挖范圍內(nèi)的潛水采用新型降水方式氣動真空進行疏干降水，同時確?；娱_挖前預降水時間不少于20天。

利用Visual ModFlow 建立水文地質(zhì)概念模型，進行三維滲流數(shù)值法計算分析，在基坑內(nèi)布設(shè)第⑦層減壓降水井，基坑開挖過程中分層按需降低承壓水水頭，確?；影踩?/p>

基坑外側(cè)布置第⑦層承壓水回灌兼觀測井，進行抽灌一體化運行，減小減壓降水對周邊環(huán)境的影響。

現(xiàn)場施工配備具有自動切換功能的備用電源；水位監(jiān)測采用自動化監(jiān)測，實行信息化施工，進行水位監(jiān)測和預警。

2.3 基坑抗突涌穩(wěn)定性驗算

基坑開挖面以下存在第⑦層、⑧1層和⑨層承壓含水層，必須進行基坑突涌穩(wěn)定性分析。開挖過程中，有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發(fā)生突涌事故。通過計算可知，基坑不滿足第⑦層抗突涌驗算，需對第⑦層減壓，臨界開挖深度為13.98m?；拥装寰嚯x第⑦層承壓含水層頂1.68m，隔水層不到2.00m，為確?；影踩_挖至大底板時需將第⑦層水頭降至坑底以下1.00m，安全水頭埋深29.11m，需降深25.29m。經(jīng)計算第⑧1層和⑨層臨界開挖深度為29.71m，基坑滿足抗突涌驗算，無需對第⑧1 層和⑨層進行減壓處理。

3 降水井設(shè)計

3.1 疏干井布置

為確?；禹樌_挖，需降低基坑開挖深度范圍內(nèi)的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括①1 雜填土、②1 粉質(zhì)粘土、②3A 層粘質(zhì)粉土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④淤泥質(zhì)粘土、⑤1 粉質(zhì)粘土。根據(jù)上海區(qū)域工程經(jīng)驗，坑內(nèi)疏干深井數(shù)量確定公式為：

式中：n-井數(shù)(口)；A-基坑需疏干面積(m2)；a井-單井有效疏干面積(m2)。

基坑總面積3577m2，分4 個坑施工。開挖范圍內(nèi)需要疏干的層位主要為淤泥質(zhì)軟弱粘性土和粘質(zhì)粉土，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗綜合考慮疏干管井單井有效疏干面積按約200m2/口布置，且井深不進入第⑥層（俗稱“硬殼層”），設(shè)置1m 沉淀管、分段設(shè)置過濾器，過濾器避開支撐和底板，平面位置避開支撐、棧橋、加固、工程樁。共布置真空疏干深井19 口，其中2 口20m、5 口22m、4 口24m、8 口26m?？讖?50mm，井徑273mm，鋼管材質(zhì)，外包單層60 目密目網(wǎng)，濾料選用中粗砂，采用黏性土封孔。

3.2 坑內(nèi)減壓井和觀測備用井布置

根據(jù)擬建場地的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件、基坑圍護結(jié)構(gòu)特點以及開挖深度等因素，降水設(shè)計采用軟件Visual ModFlow 進行三維滲流數(shù)值法計算，為降水設(shè)計與施工提供理論依據(jù)。

地下水滲流系統(tǒng)符合質(zhì)量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點，地下水運動可概化成空間三維流；地下水系統(tǒng)的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題；地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成水平向各向同性。

綜上所述，模擬區(qū)可概化成非均質(zhì)水平向各向同性的三維非穩(wěn)定地下水滲流系統(tǒng)。模擬區(qū)水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)通過概化、單元剖分，即可形成為地下水三維非穩(wěn)定滲流模型[4]。

對整個滲流區(qū)進行離散后，采用有限差分法將上述數(shù)學模型進行離散得到數(shù)值模型，以此為基礎(chǔ)編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。

圖1 離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖

根據(jù)模擬計算結(jié)果，坑內(nèi)減壓井共布置11 口，井深設(shè)置為40m、44m、45m、47m，孔 徑 650mm，井 徑273mm。鋼管材質(zhì)，外包單層60 目密目網(wǎng)，濾料選用中粗砂，濾料上部填筑不少于5m的粘土球并采用黏性土封孔。

在基坑土方開挖過程中，挖機可能會挖壞或碰壞降水井，運行過程中也可能會出現(xiàn)水泵故障等情況，導致無法正常運行。因此在以上降水計算的基礎(chǔ)上，應在坑內(nèi)設(shè)置約20%的應急備用井。同時，降水過程中，基坑內(nèi)水位觀測非常必要，根據(jù)開挖進度分級降水，做到按需降水、降水最小化。確保水位控制滿足基坑安全需要的同時減少降水對周邊環(huán)境的影響。根據(jù)分區(qū)概況，坑內(nèi)共布置4 口第⑦層承壓水觀測兼?zhèn)溆镁?0m、44m、45m，孔徑650mm，井徑273mm，井結(jié)構(gòu)同坑內(nèi)減壓井。

3.3 坑外回灌兼觀測井布置

基坑周邊環(huán)境較復雜，止水帷幕未隔斷第⑦層承壓水，屬于懸掛式減壓降水。在后期基坑開挖過程中坑內(nèi)長時間、大幅度抽降承壓水，必將引起坑外地面沉降變形。

為減少坑內(nèi)減壓降水對周邊環(huán)境的影響，坑外需布置承壓水回灌兼觀測井。坑外水位或環(huán)境監(jiān)測達到降水預警值時及時開啟回灌，通過抽灌一體化運行，減緩沉降變形，減小對周邊環(huán)境的影響。

在基坑北側(cè)按照30m/口間距布置第⑦層承壓水回灌兼觀測井，基坑南側(cè)按照10m/口間距進行布置，共布置25口，其中19 口井深45m，6 口井深54m、孔徑650mm、井徑273mm。

4 降水運行

4.1 真空疏干井運行

本工程采用氣動真空降水進行疏干處理。氣動降水工藝是一種利用壓縮氣體動能排水的新型降水工藝。該工藝通過抽水控制中心連接空壓機和土體疏干井，一臺空壓機最多可連接4 個控制箱，每個控制箱可連接12 口土體疏干井。啟動抽水時，抽水控制中心控制空壓機輸入壓縮空氣將井內(nèi)地下水排出井外；井內(nèi)液面降低后，抽水控制中心可自動停止該降水井輸氣，通過真空加快地下水匯集。通過降水控制柜的調(diào)配，使多口疏干井可以同時形成負壓和氣舉降水以達到疏干土體的效果?；娱_挖期間現(xiàn)場氣動降水共使用1 臺真空泵，真空泵功率22kW，同時帶動12 口疏干井抽真空，真空度可達到0.07MPa，滿足設(shè)計要求，疏干效果很好。

真空疏干深井預降水應在基坑開挖前20d 或更早進行，以保證有效降低開挖土體中的含水量，確保基坑開挖施工的順利進行。并加真空運行，加快集水效率和擴大單井影響范圍。井管隨土方開挖逐層切割，并及時恢復真空運行。原則上24h 連續(xù)加真空運行，確?；娱_挖至大底板時水位控制在基坑底板面以下0.5～1.0m。

4.2 減壓井運行

承壓水根據(jù)開挖工況分層按需降水，降水最小化?；优R界開挖深度為13.98m，開挖第1～4 道支撐時無需開啟，開挖第5 道支撐時需開啟減壓降水，一直運行至基坑大底板澆筑完成且滿足抗承壓水穩(wěn)定后再停止抽水，累計抽水85天。

減壓井抽水運行期間，40m 減壓井平均單井出水量10m3/h，44m/45m 減壓井平均出水量20～44m3/h。群井效應下坑內(nèi)減壓井的出水量會隨周邊水頭下降而減小，主要是由于坑內(nèi)水頭的下降會導致抽水井周邊水壓力下降，從而引起抽水井進水能力發(fā)生改變，可見抽水井的出水能力受井邊水壓力的影響。根據(jù)本工程對抽水井出水量和同層觀測井靜止水頭數(shù)據(jù)的對比分析，發(fā)現(xiàn)抽水井的出水量衰減量和周邊水頭高度減小量成正比。

圖2 出水量與觀測井水頭高度的關(guān)系圖

4.3 回灌井運行

由于本項目屬于懸掛式減壓降水，坑內(nèi)外存在較強的水力聯(lián)系，為減小降水對周邊環(huán)境的影響，采用抽灌一體化技術(shù)來維持坑外水位穩(wěn)定、減緩沉降變形[5]。

抽灌一體化系統(tǒng)包括抽水系統(tǒng)、水質(zhì)處理系統(tǒng)和回灌系統(tǒng)。坑內(nèi)抽出的地下水經(jīng)水質(zhì)處理系統(tǒng)處理滿足回灌水質(zhì)要求后，回灌至坑外回灌井內(nèi)，通過人工補給地下水來維持承壓水水頭的穩(wěn)定?；毓嗑畠?nèi)安裝自動回灌控制裝置，實現(xiàn)自動化控制，同時進行定期回揚維護處理。

回灌運行期間平均單井回灌井約2～4m3/h，最大總回灌量約30～50m3/h，約占坑內(nèi)抽水量的30%～50%?；毓噙\行期間坑外水位基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，周邊環(huán)境沉降監(jiān)測未超過報警值，達到了回灌的目的，起到了回灌保護的作用。

4.4 運行安全保障措施

①生產(chǎn)性抽水試驗

基坑開挖前進行現(xiàn)場生產(chǎn)性抽水試驗，驗證群井降水效果是否滿足設(shè)計要求，檢驗止水帷幕的隔水效果，檢驗排水系統(tǒng)是否滿足最大排水需求。根據(jù)試驗結(jié)果深化降水設(shè)計，細化降水運行方案。

②雙電源保障

由于本項目屬于懸掛式減壓降水，坑內(nèi)外水力聯(lián)系較強，根據(jù)現(xiàn)場試驗情況，減壓井停抽30min，水位恢復68.63%，水位恢復迅速。為預防停電引起基坑內(nèi)水位迅速回升造成基坑突涌現(xiàn)象，減壓降水運行期間應對運行水泵配置兩路電源，一路市電、一路發(fā)電機。常用的市電停電后備用發(fā)電機自動啟動。根據(jù)現(xiàn)場運行水泵情況，現(xiàn)場配備1 臺120kW 發(fā)電機，并且發(fā)電機具備可自動啟動功能，配備備用電源智能切換系統(tǒng)，雙電源自動切換控制時間不應超過1min。定期進行斷電切換演練，確保備用電源可以在應急情況下正常運轉(zhuǎn)。

③降水自動化監(jiān)測

本工程降水風險較大，水泵損壞后短時間內(nèi)來不及更換，備用井內(nèi)提前下好備用水泵，隨時可應急開啟。水位觀測至關(guān)重要，采用水位自動監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測水位，可遠程監(jiān)控、顯示水位，水位異常達到報警值時及時預警。

5 結(jié)論

上海區(qū)域等軟土地區(qū)上部潛水采用氣動真空降水具有一定的可行性，相比傳統(tǒng)降水更加安全、環(huán)保。

懸掛式減壓降水結(jié)合圍護結(jié)構(gòu)和水文地質(zhì)參數(shù)，利用Visual ModFlow 建立水文地質(zhì)概念模型進行三維滲流數(shù)值法計算分析較為科學準確。群井效應下抽水井出水量會隨水頭高度降低而成比例減小。

通過回灌措施可有效地維持坑外水位穩(wěn)定，起到保護周邊環(huán)境的作用。

合理的安全保障措施可有效地減小基坑的風險，確保安全施工。