寧波軌道交通某車站深基坑工程承壓水降壓抽水試驗(yàn)及數(shù)值模擬

張國良

（中鐵十三局集團(tuán)第三工程有限公司，124021，盤錦，遼寧省∥工程師）

寧波軌道交通1號(hào)線一期工程某車站位于中山東路下，為地下三層島式車站。車站為雙柱3跨結(jié)構(gòu)，長為172 m，寬為19.3 m，站臺(tái)中心處基坑最大開挖深度約24.4 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑深度為22.3～22.6 m，端頭井基坑深度為23.96 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1 000 mm厚的地下連續(xù)墻，在西端站臺(tái)處插入深度約42.0m（位于⑤5層砂質(zhì)粉土層底部），在標(biāo)準(zhǔn)段插入深度約40.0m（位于⑤5層砂質(zhì)粉土層），在東端頭井插入深度約43.0m（位于⑥2層粉質(zhì)黏土層頂部）。地下連續(xù)墻穿越主要地層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1所示。

本工程主體結(jié)構(gòu)的基坑采用6道支撐系統(tǒng)，首道為鋼筋混凝土支撐。下二層板采用逆作法施工，在下二層板及坑底采用抽條加裙邊進(jìn)行加固。

試驗(yàn)井所處地質(zhì)及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，周邊環(huán)境復(fù)雜，能否安全解決承壓水問題并有效控制對環(huán)境的影響，是本工程設(shè)計(jì)及施工的關(guān)鍵因素之一。

1 車站基坑突涌穩(wěn)定計(jì)算

基坑開挖范圍內(nèi)（①1－1層—⑤2層）多以淤泥質(zhì)及軟塑狀土層為主。根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告和設(shè)計(jì)圖紙，基坑坑底進(jìn)入④2層粉質(zhì)黏土底部，其下部第⑤3、⑤5層的承壓水有突涌的可能性。采用安全系數(shù)法對不同開挖深度的基坑進(jìn)行安全突涌可能性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表2。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在基坑開挖過程中，第⑤3、⑤5層承壓含水層會(huì)對車站主體結(jié)構(gòu)開挖有影響，可能造成突涌現(xiàn)象。為確保基坑施工安全，需對其進(jìn)行減壓處理。為有效控制地下水及減小降水對周邊環(huán)境的不利影響，需要準(zhǔn)確分析本工程場地的水文地質(zhì)特征，對承壓含水層進(jìn)行專項(xiàng)承壓水抽水試驗(yàn)。

2 抽水試驗(yàn)過程及分析

抽水試驗(yàn)利用基坑內(nèi)已有降水井進(jìn)行，編號(hào)為J1—J6、JG1、JG2，共有8口試驗(yàn)井，另外還有坑外觀測井G1、G2。抽水試驗(yàn)井位置見圖1，試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)見圖2。結(jié)合承壓含水層第⑤3、⑤5層單井涌水量小且降深較大，本試驗(yàn)進(jìn)行單落程非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)。

表1 地下連續(xù)墻穿越土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)

表2 基坑突涌可能性計(jì)算表

先采用單孔抽水試驗(yàn)，通過其它孔觀測承壓水水頭，以進(jìn)行非穩(wěn)定流抽水試驗(yàn)，獲取水文地質(zhì)參數(shù)。

當(dāng)單孔抽水試驗(yàn)結(jié)束后，水位完全恢復(fù)時(shí)，進(jìn)行4組群井抽水試驗(yàn)。群井抽水試驗(yàn)分為2口井試驗(yàn)、3口井群井試驗(yàn)和6口井群井試驗(yàn)，并通過觀測井觀測基坑內(nèi)外水位變化情況。

圖1 抽水試驗(yàn)井布置示意圖

圖2 抽水試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 單井抽水試驗(yàn)

根據(jù)單井抽水試驗(yàn)獲得的曲線（見圖3所示），利用Aquifer test抽水試驗(yàn)軟件，對試驗(yàn)期間的數(shù)據(jù)進(jìn)行參數(shù)求解，求得第⑤3、⑤5層滲透系數(shù)約3.74×10－4cm／s，貯水系數(shù)為2.97×10－4。

2.2 群井抽水試驗(yàn)

在單井試驗(yàn)后，進(jìn)行了兩組不同降深的6井群井抽水試驗(yàn)。抽水從2009年7月2日7：50開始至7月7日9：00結(jié)束，坑內(nèi)減壓降水24h，其余為水位恢復(fù)時(shí)間。水泵下入深度為30～35m，單井涌水量1.5～2.5m3／h。試驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。經(jīng)本組試驗(yàn)驗(yàn)證，在抽水24h后，基坑內(nèi)觀測孔水位降深達(dá)17.5m以上，能滿足基坑安全降深要求。

3 三維滲流數(shù)值模擬

采用國際上常用的Visual Modflow地下水滲流數(shù)值模擬軟件（4.0版）進(jìn)行水文模型數(shù)值模擬計(jì)算。根據(jù)場區(qū)的實(shí)際水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)條件及幾何形狀進(jìn)行三維剖分。因承壓含水層滲透性大，確定以基坑中心點(diǎn)為基點(diǎn)、各方向延伸1 000m作為模擬計(jì)算區(qū)域。模型的水文地質(zhì)參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告提供的地質(zhì)資料及試驗(yàn)取得的水文地質(zhì)參數(shù)等進(jìn)行實(shí)際等效處理，承壓含水層模型邊界采用通用水頭進(jìn)行處理。

利用抽水試驗(yàn)期間取得的觀測資料進(jìn)行驗(yàn)證，利用實(shí)際條件下抽水情況進(jìn)行模型計(jì)算，得出模型計(jì)算觀測孔水位與實(shí)測水位對比，如s－t（水位－時(shí)間）曲線圖，具體驗(yàn)證如下。

3.1 單井抽水試驗(yàn)數(shù)值模型識(shí)別與驗(yàn)證

單井試驗(yàn)時(shí)，J2井抽水時(shí)間為675min，單井涌水量約2.5m3／h，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工已完成。數(shù)值驗(yàn)證采用相同條件進(jìn)行驗(yàn)證。其觀測孔J3的實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算曲線擬合如圖6所示。

圖6 觀測孔J3的水位擬合曲線圖

通過對數(shù)值模型的識(shí)別與驗(yàn)證，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測的觀測井?dāng)?shù)據(jù)基本一致，該數(shù)值模型比較符合實(shí)際。

3.2 群井抽水試驗(yàn)數(shù)值模型識(shí)別與驗(yàn)證

群井試驗(yàn)時(shí)，J2—J5、JG1、JG2井的抽水時(shí)間為115h，單井涌水量約1.0～2.0m3／h，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工已完成。數(shù)值驗(yàn)證采用相同條件進(jìn)行驗(yàn)證。其坑內(nèi)觀測孔J6和坑外觀測孔G2的實(shí)測數(shù)據(jù)與模型計(jì)算曲線擬合如圖7、圖8所示。

通過對數(shù)值模型的識(shí)別與驗(yàn)證，數(shù)值模擬的結(jié)果與實(shí)測的觀測井?dāng)?shù)據(jù)基本一致，數(shù)值模型比較符合實(shí)際。

經(jīng)兩組抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模擬擬合驗(yàn)證，建立的三維滲流數(shù)值模型與實(shí)際抽水試驗(yàn)情況較吻合，能夠反映實(shí)際條件下的地下水滲流情況。因此，可采用三維滲流數(shù)值模擬的方法來驗(yàn)證降水方案的可行性，進(jìn)行各工況下按需降水模擬、減壓期間地下水動(dòng)態(tài)特征狀況預(yù)測，以及對周邊環(huán)境的影響性分析。

4 承壓水減壓方案設(shè)計(jì)

4.1 承壓水減壓方案

根據(jù)抽水試驗(yàn)期間地下水位觀測資料，按最不利條件下進(jìn)行減壓降水設(shè)計(jì)。實(shí)際施工時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行基坑降水控制，根據(jù)觀測孔水位來調(diào)整減壓運(yùn)行方案，在滿足基坑安全施工的同時(shí)，做到按需降水，減小對周邊環(huán)境的影響。本基坑內(nèi)共布置減壓井6口，觀測兼?zhèn)溆镁?口，具體平面位置同圖1，井的結(jié)構(gòu)同圖2。

圖9 各工況運(yùn)行控制（橫斷面）圖

表3 減壓降水各工況運(yùn)行控制表

根據(jù)施工工況編制表3及圖9，并以此為依據(jù)進(jìn)行減壓模擬預(yù)測。當(dāng)基坑開挖至－14.1m時(shí)，在下一層土開始開挖的前一天啟動(dòng)減壓井，直到基坑開挖至－17.9m，

承壓水水位控制在－9.7m；在下一層土開挖前繼續(xù)進(jìn)行減壓降水，在基坑開挖至－21.0m時(shí)，承壓水水位控制在－15.0m；在基坑開挖至底板及底板施工，

直到底板強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上時(shí)，承壓水水位控制在－20.7m。在底板強(qiáng)度尚未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上時(shí)Fs以1.10進(jìn)行控制。當(dāng)?shù)装鍙?qiáng)度達(dá)80%以上時(shí)，因下二層板逆作法施工，基坑安全水位可控制在－11.7m，當(dāng)下一層板施工時(shí)基坑安全水位可控制在－8.0m，直到頂板施工，基坑滿足抗浮要求后，停止減壓降水。此階段Fs以1.00進(jìn)行控制。

4.2 減壓方案數(shù)值模擬

4.2.1 開挖階段降水控制模擬

在基坑開挖至－14.1m時(shí)，根據(jù)突涌可能性計(jì)算需要開啟降壓井。在基坑開挖至－17.9m前基坑范圍內(nèi)第⑤3、⑤5層最小安全降深為6.4m（即水位埋深為－9.7m）。

開啟降壓井J1、J3、J6進(jìn)行降壓，單井涌水量20.0～25.0m3／d，預(yù)測此階段須減壓降水10d。

在持續(xù)減壓抽水10d后基坑內(nèi)降深為6.6m，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深在1.0～3.5m。此時(shí)基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖至17.9m的要求。

在基坑開挖至－17.9m～－21.0m時(shí)，第⑤3、⑤5層最小安全降深為11.7m（即水位埋深－15.0m）。開啟降壓井J1—J6進(jìn)行降壓，單井涌水量為20.0～25.0m3／d，水泵放置在降壓井20～25m深度附近。由數(shù)值計(jì)算可知，在持續(xù)減壓抽水20d后基坑內(nèi)降深在12.0m左右，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深在3.0～7.0m。此時(shí)基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖至－21.0m要求。

在基坑開挖至底板范圍內(nèi)第⑤3、⑤5層時(shí)，最小安全降深為17.4m（即水位埋深－20.7m）。開啟降壓井J1—J6進(jìn)行降壓，單井涌水量為30.0～60.0m3／d，在持續(xù)減壓抽水40d后基坑內(nèi)降深為18.2m，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深為4.0～10.0m。此時(shí)基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖和底板施工的要求。

4.2.2 底板澆筑階段降水控制模擬

在基坑底板施工直至其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%期間第⑤3、⑤5層最小安全降深為17.4m（即水位埋深－20.7m）。開啟降壓井J1—J6進(jìn)行降壓，單井涌水量為30.0～60.0m3／d，水泵在井內(nèi)放置在－30～－35m深度，在持續(xù)減壓抽水20d后基坑內(nèi)降深為18.2m，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深為4.0～10.0m。此時(shí)基坑內(nèi)承壓水水位能夠滿足基坑的安全開挖和底板的施工要求。

4.2.3 底板澆筑后的降水控制模擬

在底板澆筑后，底板強(qiáng)度達(dá)到一定強(qiáng)度，能夠抵抗部分承壓水頂托力時(shí)，宜減少啟動(dòng)的降壓井?dāng)?shù)量。具體開啟的降壓井?dāng)?shù)量宜由設(shè)計(jì)單位根據(jù)底板及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算后確定，具體水位降深和降壓性降水持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)計(jì)算后確定。

底板強(qiáng)度達(dá)設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%以上且在上一層板施工前，開啟降壓井J1、J3、J6進(jìn)行降壓。單井涌水量為30.0～40.0m3／d，水泵在井內(nèi)放置在－20～－25m深度，在持續(xù)減壓抽水30d后基坑內(nèi)降深為11.0m左右，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深為3.0～5.5m。

上一層板施工后，開啟降壓井J1、J6進(jìn)行降壓，單井涌水量為20.0～30.0m3／d，在持續(xù)減壓抽水20d后基坑內(nèi)降深為5.0m左右，基坑外側(cè)100m范圍內(nèi)降深為2.0～2.5m。

5 結(jié)語

1）通過降壓井的單井抽水試驗(yàn)，獲取第⑤3、⑤5層承壓含水層的滲透系數(shù)、貯存系數(shù)等參數(shù)，為進(jìn)行后續(xù)數(shù)值計(jì)算分析提供參數(shù)依據(jù)。

2）通過進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)，驗(yàn)證了承壓水布井方案的合理性。

3）采用Visual Modflow軟件對降壓井的開啟順序、抽水時(shí)機(jī)、抽水時(shí)間的長短等進(jìn)行了計(jì)算分析，實(shí)現(xiàn)了按需降壓，減少了降壓對周圍環(huán)境的影響。

4）目前，該基坑已封頂，在施工過程中未發(fā)生突水事件。

［1］曹巖，張衛(wèi)國，高世軒，等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程?hào)|門口站基坑降水方案［R］.上海：上海地礦工程勘察有限公司，2010.

［2］朱成兵，張衛(wèi)國，高世軒，等.寧波市軌道交通1號(hào)線一期工程TJ—Ⅲ標(biāo)東門口站抽水試驗(yàn)報(bào)告［R］.上海：上海地礦工程勘察有限公司，2010.

［3］JGJ／T 11—98建筑與市政降水工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］薛禹群，謝春紅.地下水?dāng)?shù)值模擬［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［5］姚天強(qiáng)，石振華.基坑降水手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

［6］崔濤.寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗(yàn)及數(shù)值分析［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：79.