群井驗證性抽水試驗在敏感環境下基坑工程中的應用

楊 應 義

(上海匯谷巖土工程技術有限公司，上海 200082)

隨著經濟的騰飛，國內基礎設施建設也迎來大發展，各地地鐵建設、橋隧工程、商住高層建筑等遍地開花，基坑工程技術也得到了長足的進步和發展。基坑工程深度越來越深，軟土地層中最大開挖深度超過30 m～40 m；規模愈來愈大，甚至一個項目分為幾個基坑先后或同步實施的情況也屢見不鮮，單坑面積能達10 000 m2以上。在沿海沿江一帶富水地區開挖深基坑的過程中，往往會面臨嚴峻的地下水問題，特別是承壓水引發的問題、事故，輕則影響施工進度，重則影響環境安全甚至引發嚴重的社會影響，如圍護結構失效、基坑周邊房屋道路開裂、基坑積水、坍塌等事故時有發生，地下水引發的事故在基坑事故中所占比例之大[1]、影響之大可見一斑。

合理的止水帷幕設計、可控的施工質量以及有效的基坑降水均是地下水處理過程中必不可少的關鍵環節。地下水處理過程中如何降低對環境的影響，特別是對敏感環境影響，是深大基坑開挖過程中最受關注的內容。

本文以上海地區某深基坑工程為例，在基坑正式施工之前，采用群井驗證性抽水試驗，驗證降水井的降水能力，驗證止水帷幕的隔水效果，為降水對周邊環境影響做出及時判斷，并為止水帷幕的修補提供可參考的數據。

1 驗證性群井抽水試驗

1.1 地下水處理形式

對于地下水，埋深較淺的上層滯水、潛水這類無壓水，通常含水介質顆粒較細，滲透系數較小，補給條件有限，采用疏干處理，可以降低地層中的含水量，便于施工開挖。

但是對埋藏深度較大，含水介質通常為砂類、礫類、滲透性質良好，富水性較好的地層中的承壓水，通常采用止水帷幕結合按需減壓降水思路進行“按需降水”處理，才能避免承壓水出現突涌、流砂等不良地質現象。

1.2 群井驗證性抽水形式

這實則是原位模擬基坑開挖到基底時，降水降至安全水位的過程。

在現場完成坑內、外降水井成井施工之后，通常留坑內井數的20%做備用余量，其余井悉數參與群井驗證性抽水。坑外井可視周邊環境間距按10 m～50 m布置，對于敏感環境，坑外井加密布置間距10 m～20 m，基本在2～3幅地墻布置1口觀測井，以判定坑外地下水水位波動情況。

根據地下水處理形式的不同，群井驗證性抽水試驗可以分為疏干井群井抽水、減壓井群井抽水。疏干井群井抽水可以結合預抽水過程完成，抽水時間較長，一般2周，由于主要針對無壓水，水量有限，開挖深度范圍內止水帷幕質量較為可控、可靠，坑內抽水過程中，坑外地下水水位下降幅度通常小于1.0 m。減壓井驗證性群井抽水則是時間較短，抽水8 h～48 h水位即可穩定，但是承壓水含水層埋深較大，止水帷幕對其隔水效果往往極具不確定性，一旦開挖過程中再暴露出止水不良，則補救代價非常大。所以非常有必要對深部承壓含水層進行驗證性群井抽水試驗，可以對止水效果做出迅速、直觀的判斷，排查滲漏點，并及時采取措施。

2 驗證性群井抽水試驗案例

2.1 基坑概況及周邊環境

該基坑工程為地下3層島式車站主體基坑，場地位于上海浦東新區，張楊路北側，沿云山路呈南北向布置。車站東南側為已建地鐵6號線車站和出入口，與主體基坑最近距離38 m；南側有道路下方的共同管溝，最近距離8 m；南側6號線雙圓盾構區間，最近距離31 m。

云山路站主體分為A，B兩區施工，先期施工A區，而后為B區，如圖1所示。

其中，A區為南端頭井段，面積約1 100 m2，基坑深度26.4 m，圍護結構采用地下連續墻結合內支撐的形式，地墻厚度為1 200 mm，深度為48 m，坑內設置8道支撐。A,B區之間的分隔墻深48 m，墻厚1 000 mm。A區基坑外側采用800 mm厚TRD工法做止水帷幕，深度為60 m ，西側局部采用φ2 200@1 100RJP大直徑高壓旋噴樁與TRD搭接，見圖2。

2.2 工程地質及水文地質

場地工程地質條件以及水文地質條件：基坑開挖底面基本在硬土層第⑥粉質粘土層。在基坑開挖深度范圍內，主要地層為①填土、②粉質粘土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤11粘土、⑤12粉質粘土；在基底以下，主要地層有⑦11粘質粉土夾粉質粘土、⑦12砂質粉土、⑦2粉砂、⑨粉砂等。其中，潛水賦存于淺部粘性土層中；在28 m以下是上海第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層，由于缺失第⑧層，第Ⅰ、第Ⅱ承壓含水層(即第⑦層、第⑨層)相互連通。本地區第⑦層承壓含水層水頭埋深一般在3 m～11 m，專項水文地質抽水試驗期間，第⑦層初始水位埋深5.80 m～6.18 m，其他水文地質參數見表1。

表1 第⑦層水文地質參數統計表

2.3 基坑降水設計

基坑地下連續墻嵌入第⑦2層中約8 m，外圈TRD,RJP工法嵌入⑦2層約20 m，在A區基坑外側形成雙層止水帷幕。

根據地層埋深、水文地質參數，考慮基坑底板的突涌安全性，驗算下部承壓水含水層的頂托力對基坑的穩定性[2]。

γshs≥Frwhw。

其中，F為基坑底面突涌安全系數(取1.05)；hs為基坑底板至承壓含水層頂板垂向距離，m；hw為承壓含水層頂板以上的承壓水頭高度，m；γs為基坑底板至承壓含水層頂板之間的土的平均重度,kN/m3；γw為地下水的重度(取10.0 kN/m3)。

根據計算，A區基坑開挖到底時上覆土層的壓重為22 kPa，突涌安全系數僅為0.1，遠小于1.05。在基坑到底時，距離承壓含水層頂板僅1.2 m，土層與地墻或坑內樁、柱局部接觸不良，承壓水要求降至基底以下1.0 m。

基坑內布置3口減壓降水井(詳見圖2，WA-1～WA-3)，其中1口為備用井、觀測井，井深48 m，過濾器長15 m，井徑273 mm，孔徑650 mm。

坑外以間距15 m～20 m布置觀測井7口，井結構同坑內井(見圖2，H-1～H-6)。

2.4 驗證性群井抽水試驗

現場成井施工完成后，利用坑內2口井進行群井抽水(WA2,WA3)，坑內1口觀測井(WA1)、坑外6口觀測井(H1,H2,H3,H4,H6,H7)。

1)初始水位。

群井抽水試驗之前，對第⑦層承壓含水層的水頭埋深進行監測，見表2。測得其初始水頭埋深比較穩定，地面整平標高為+4.150，初始水頭埋深在地面以下5.6 m。

表2 第⑦層初始水頭埋深統計值

2)試驗流量及水位。

群井抽水試驗共歷時24 h。其中，WA2井平均出水量約為7.87 m3/h；WA3井平均出水量約5.27 m3/h。2口抽水井均較為穩定。

由圖3可見：

1)抽水期間，坑內觀測井水位有明顯下降，水位基本已穩定，坑內最大水位降深已經降至基底以下，完全滿足基坑安全所需。

2)坑外井內地下水水位下降幅度差異明顯。H2井水位下降幅度最大，達5.58 m，H1井水位下降1.22 m，H3井水位下降0.67 m，H4井水位下降0.31 m，H6井水位下降0.51 m，H7井水位下降0.61 m。

根據水位異常趨勢，分析認為A區東側H2井位附近止水帷幕存在異常，考慮目前群井驗證性抽水試驗僅為短期抽水，后期基坑開挖過程中降水正式運行則是長時間抽水，坑外地下水水位下降幅度會進一步增加，且必將引起土層應力增加，加劇周邊地鐵設施、共同溝等沉降變形。因此，需要對止水帷幕進行排查并采取補救措施。

3)三維滲流模擬。

根據地質資料以及抽水試驗數據，采用Visual Modflow專業降水分析軟件，對基坑群井抽水過程進行數值模擬反演。

計算中涉及到建立多孔介質和流體不可壓縮時非恒定達西滲流場求解的微分控制方程[3-5]：

其中，S為貯水系數；Sy為給水度；M為承壓含水層單元體厚度,m；B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度，m；kxx，kyy，kzz分別為各向異性主方向滲透系數，m/d；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值，m；W為源匯項，d-1；H0(x,y,z,t)為點(x,y,z)處的初始水位，m；Γ1為類邊界條件；H1(x,y,z,t)為點(x,y,z)在t時刻的邊界已知水位，m。

對抽水試驗實測資料進行整理，將數據代入三維數值模型中(見圖4)，進行群井抽水試驗的數值模擬計算。

通過坑內、坑外井實測降深曲線與數值模擬取得的計算降深曲線進行對比分析，各觀測井水位對比見圖5，圖6。

根據三維滲流模擬計算，模擬計算的坑內、外地下水水位變化趨勢、下降幅度與實測數值匹配良好，計算精度高。

2.5 水位異常分析

由于已施工雙層止水帷幕，在東側H2井出現水位變化異常，無法判斷是地墻還是TRD工法出現滲流，利用三維滲流模擬對地下水滲流場模擬，分析水位異常的原因。

1)假定條件。

a.基坑外側只有48 m深度的地下連續墻，外圈無TRD工法；b.地層參數等與群井驗證性抽水試驗反演模型一致；c.地墻能達到良好的隔水效果，無滲漏；d.試算時間同前期生產性抽水試驗時間，抽水延續1 d，坑內水位降幅約24 m～25 m。模擬結果如圖7所示。

2)假定條件。

a.基坑外側同時有48 m深度的地下連續墻及60 m深度的TRD工法；b.地層參數等與群井驗證性抽水試驗反演模型一致；c.地墻、TRD能達到良好的隔水效果，無滲漏；d.試算時間同前期生產性抽水試驗時間，抽水延續1 d，坑內水位降幅約24 m～25 m。模擬結果如圖8所示。

群井生產性抽水試驗，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為1.22 m,5.58 m,0.67 m；三維滲流模擬計算只有地墻時的結果，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為2.50 m,2.80 m,2.60 m；三維滲流模擬計算同時有地墻+TRD時的結果，坑外H1,H2,H3水位下降幅度各為0.58 m,0.63 m,0.61 m。對比3組結果，H1,H3井內實測水位小于只有地墻時的試算結果，說明外側的TRD大部分區域繞流止水達到效果；H2井內水位明顯大于試算結果，說明在H2井附近的區域，地墻在30 m～48 m深度，對承壓水水平向的阻隔失效，出現滲漏現象，同時H2井附近的區域的TRD在30 m～60 m的深度止水效果也需進一步排查。

2.6 止水帷幕排查

經現場排查，在靠近H2井的“Z”型地墻成墻期間，存在超灌混凝土現象，形成鼓包，見圖9。

分析認為，“Z”型地墻距離外圈TRD工法1 m～3 m，鼓包的形成也同時影響到后期TRD工法的施工，導致這一位置上出現坑內外地下水局部聯通。

為控制后期基坑降水運行對周邊環境的不利影響，在“Z”型地墻與TRD工法之間進行RJP超高壓旋噴注漿處理，加固深度為地面以下30 m～50 m。

在注漿加固前后，分2次進行坑內群井抽水，并通過坑外觀測井進行水位觀測，歷時均為5 h。

從表3可以看出，在坑內水頭降至安全水位后，坑外觀測井水位最大僅下降0.17 m，滿足設計要求。表明RJP超高壓旋噴注漿有效解決了帷幕滲漏問題，杜絕了后續施工安全及環境影響隱患。

表3 坑外觀測井水位變化統計值 m

2.7 實際降水運行

根據抗突涌穩定性計算，基坑開挖至15.2 m為臨界挖深，基坑開挖至基底26.4 m，水位需控制在27.4 m。

實際施工過程中，坑內水位控制28.0 m左右，坑外水位下降幅度約0.1 m～0.3 m。基坑降水對周邊環境的影響得到有效的控制，基坑降水運行期間坑外水位變化歷時曲線見圖10。

3 結語

1)在富水地層中進行深基坑開挖施工時，有止水帷幕的繞流作用時，基坑降水對坑外環境的影響是可控的，一旦止水帷幕因為施工因素失效或者止水帷幕設計深度不夠，失去繞流阻隔的功能，則基坑降水對環境的影響是極為負面的。

2)對于施工環境復雜或環境保護要求高的敏感環境場地，在深基坑工程的止水帷幕封閉之后、正式開挖之前有必要進行群井驗證性抽水試驗，并結合合適的技術手段進行止水帷幕的防滲檢測，對基坑地下水控制、環境保護有積極意義。

參考文獻:

[1] 陳永才，李鏡培，邸國恩,等.某深基坑降水對周邊環境影響的分析及處理措施[J].巖土工程學報，2008(3):319-322.

[2] 姚天強,石振華.基坑降水手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2006.

[3] 張 楠.深基坑水文地質參數的確定及降水設計[J].地下空間與工程學報，2011(4):375-379.

[4] 瞿成松.上海地鐵四號線董家渡修復段基坑降水實錄[J].巖土工程學報，2010(1)：339-342.

[5] 羅建軍，瞿成松，姚天強.上海環球金融中心塔樓基坑降水工程[J].地下空間與工程學報，2005(4)：166-170.