天津微承壓水特征和工程控制方案

□文/李養平

城市地下空間向深度開發，致使基坑深度越來越大。資料顯示，超過70%的基坑工程事故是由于地下水引起的。地下水的存在極大改變了土的物理力學參數與性能，增加了工程方案的不確定性。如果工程措施不力，輕者可能造成管涌、基坑坍塌，重者還可能危及周邊環境和人員生命財產安全。天津市區屬于軟土地層，地下水豐富，水位高；此外，第II陸相層以下的粉土與粉砂層中地下水具有微承壓性，對基坑工程影響較大。因此，微承壓水的控制在深基坑施工中應該引起高度重視。

工程地質與水文地質概況

工程地質

天津市區地層為陸相層和海相層相互交替，每層厚度很薄，每個地質層內無規律地分布著粘土、砂土、粉土、粉質粘土和砂質粉土等。地層從上至下依次為第四系全新統人工填土層（）、第I陸相層（）、第I海相層（） 、第II陸相層（）以及上更新統第III陸相層（） 、第II海相層（）、第IV陸相層（） 的部分地層等。工程場地類型為軟弱～中硬第四系松散堆集物，具有典型的軟土地質特性，土質松軟、強度低、壓縮性高，易發生沉降、邊坡失穩、流泥、涌砂等現象，工程性質差是天津市區的主要地質特征。

水文地質

天津市區地下水豐富、水位高。地下水埋深為1.5～2.1 m，水位變幅為1.0～2.0 m，地下水補給主要為大氣降水。天津市區淺層地下水為孔隙潛水—微承壓水，賦存于第四系粘性土、粉土及砂土層中，各地層含水率（空隙率）與透水性不一且沒有絕對的隔水層。其中：第II陸相層下的粉土與粉砂層中，地下水具有一定微承壓性，其水位一般低于潛水位。

天津市區微承壓水的特征

根據天津地鐵工程地質勘察成果以及實踐驗證，天津市區淺層地下水為孔隙潛水—微承壓水。以第II陸相層頂部的粘性土為界（埋深約15～18 m），其上為潛水，主要賦存于粉土及粉質粘土中。第II陸相層及其以下的粉土、粉砂層中的地下水具有微承壓性，常被粘性土分隔為多層，各含水層在空間分布上不太穩定。從區域看，以第II陸相層頂部湖沼相粘性土為主要隔水頂板，其隔水底板大致在60 m以下。天津地區受海河水系各條河流河道的擺動以及古地貌的影響，常形成古溝或故河道（古河道），造成局部湖沼相粘性土缺失，從而使該層和上部潛水連通，形成密切的水力聯系，致使微承壓水層的水位接近于上部潛水的靜水位，但低于潛水位。此外，該地下水層不具有微承壓水的典型特征，僅在工程上才更加突顯承壓性。例如：抽水引起了地下水動力條件變化，在上部地層失水后由于上下層垂向滲透能力的差異，致使下部水層中地下水不能及時排出，其承壓性更加明顯。

微承壓水控制方案

天津地鐵1號線工程埋深較大的車站，如：小白樓站、南樓站、西南角站、營口道站等，基坑開挖深度16.0～22.0 m，基底下2.0～8.0 m存在微承壓水層。可以選用的工程控制方案見表1。

表1 工程控制方案比選

實踐表明，降壓方案是較為技術經濟合理的微承壓水治理方案，必要時可以輔助封底等方案聯合使用。

降壓原理

基坑施工中，基底至微承壓水層的覆土壓力能否抵抗微承壓水的水頭壓力是基坑穩定的關鍵。利用微承壓水基坑安全穩定性公式，計算出不同開挖深度時的安全水位埋深，進而在實際操作中達到按需降壓。微承壓水基坑安全穩定性公式如式（1）

式中：F——基坑底面突涌安全系數（安全系數的取值按各地經驗決定，在天津對于開挖深度超過14.0m的基坑，按1.2取值；低于14.0m的基坑，按1.1取值）；

hs——基坑底面至承壓含水層頂板之間的距離，計算時承壓含水層頂板埋深取最小值，m；

hw——微承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度，m；

γs——基坑底面至微承壓含水層頂板之間的土層厚加權平均重度，N/m3；

γw——地下水的重度，kN/m3。

在微承壓水層中布置單獨的降壓井，隨開挖深度的不同嚴格控制抽水量，以滿足微承壓水水位達到相應的安全水位要求，消除底部微承壓水對基底的不利影響。另在淺層布置疏干井，降低基坑內潛水水位，保證基底與基坑土干燥，同時還可減少坑內土體含水量，提高與改善土體物理力學性能指標，對提高基坑支護體系的穩定度，保證基坑與周圍環境安全具有重要作用。基坑疏干降水和微承壓水降壓抽水分屬于各自獨立的系統，也即分層抽水，能最大限度地控制抽水量，對周邊環境的影響達到相對最小。

降壓井的構造

井管位于微承壓水層內部的段落采用無砂管，外包3層120目細目網，外加一層土工布包裹,其與井壁之間的環狀間隙內回填3～7mm的濾料。微承壓水層之下采用無砂管外填石料作沉淀管用；之上用水泥管，外填粘土球止水，通過水位變化證明上下水沒有連通方可降水。微承壓水與潛水分界面上1.0 m到地表采用水泥管。

降壓井的設置

（1）降壓井的位置。抽水降壓要根據地質條件、微承壓水埋深、隔水帷幕深度、基坑開挖深度與微承壓水層的關系等情況，合理選擇降壓方法以及降壓井的布置。按上述條件的不同，降壓井布置于基坑內部或基坑外部或坑內坑外聯合布井。

（2）降壓井的數量。通過現場抽水試驗確定現場的水文地質參數，依據水文地質條件、隔水帷幕與降壓井設置等情況建立地下水三維滲流模型，通過計算確定降壓井的數量及間距。

（3）降壓井過濾器位置。降壓井的深度、過濾器的位置等構造，應根據地質條件確定并應經試抽水檢驗。一般情況下井管過濾器應全部設置在承壓含水層中。

技術要點

（1）在降壓井施工前，應進行詳細水文地質勘察，確定微承壓水層埋深、水頭以及土層滲透性等參數，獲得工程場地的水文地質參數，為降水減壓井的設計提供可靠的依據。

（2）在抽水降壓前應對降壓井及設備試運行，檢驗降壓井的施工質量及設備匹配情況。抽水泵應與設計出水量匹配，抽水泵的選取除出水量外，一個很重要的參數是水泵的揚程。

（3）降壓井應確保抽取的水為微承壓水層中的水，抽水不抽砂，達到壓力平衡后要嚴格控制抽水量，以避免周圍環境沉降。

（4）基坑外可按與降壓井相同的深度、管徑等標準設置觀測井，這樣在發生降壓井抽水能力不足問題時，可以將觀測井及時轉為降壓井使用。

（5）抽水降壓要根據工程進度按需要進行，依據施工作業面大小，啟動不同數量的井，遵循分層降水、按需降水、動態控制的原則開展。

（6）抽水降壓是確保基底穩定的關鍵，必須保持抽水的連續性，盡量避免間歇性和反復性的不連續抽水。因此，施工中需考慮備用電源設備，以應對可能發生的臨時斷電等突發情況。

（7）為減輕抽水降壓引起環境過大沉降，可在基坑外設置回灌井。在井點降水的同時，通過回灌井點向土層中補充足夠的水，使降水井點的影響半徑不超過回灌井的范圍，從而在井點和建筑物之間形成一道隔水帷幕，可有效地防止建筑物等下沉或開裂。回灌水量根據地下水位的變化及時調節，保持抽降平衡。

（8）抽水降壓期間必須加強基坑與環境的監測，做到信息化施工。一旦發現異常應立即采取措施，確保工程與周圍環境安全。

結語

地下微承壓水的有效控制是深基坑工程成敗的關鍵之一，應該引起建設者的高度重視。抽水降壓是經濟合理的微承壓水控制方案，應有專業隊伍編制專業的降水方案。降壓井應由專業隊伍并嚴格按照工藝標準施工。抽水降壓要根據工程進度按需要進行，依據施工作業面大小，啟動不同數量的井，遵循分層降水、按需降水、動態控制的原則開展。

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