復(fù)雜地質(zhì)條件下基坑降水的引滲疏干技術(shù)分析

陸慶皓

(江蘇省水文水資源勘測局 南京分局，南京 210008)

0 引 言

為解決城市交通問題，對城市地下空間的開發(fā)和利用成為發(fā)展新趨勢，隨著基坑開挖深度越來越深，造成的基坑面積則越來越大。南京沿海開發(fā)城市地下面積不斷擴大，推動了長江漫灘地帶的地下工程建設(shè)。南京長江漫灘地區(qū)屬于典型的二元結(jié)構(gòu)，深基坑工程容易受到地下水的影響引起基坑突水事故，造成工期延誤、基坑坍塌，嚴重影響周邊居民的正常生活。引滲疏干技術(shù)可以將基層的地下水引入下部水層中，主要利用鉆孔進行引導(dǎo)，達到疏干上部地層水的目的[1]。這種降水方法適用多層地下水基坑工程，含水層的透水性及穩(wěn)定性要保持良好，且含水層水位不得高于基底。不管是引滲自降還是引滲抽降，都是降低水位的有效方法。引滲井可以是裸井，也可以是管井。裸井的原理是成孔后直接在孔中回填砂料；管井的原理是成孔后在孔中安裝過濾的水管，根據(jù)實際情況對井周進行濾料填入[2]。鑒于此，本文結(jié)合南京長江漫灘，對基坑降水的引滲疏干技術(shù)進行探討。

1 工程概況

根據(jù)地質(zhì)勘測報告，南京有將近一半以上的地域位于長江及秦淮河古河道漫灘區(qū)，工程地質(zhì)條件極為復(fù)雜，地質(zhì)軟弱。上部以黏性土為主，下部以礫石層、砂為主。南京梅子洲過江通道及青奧軸線地下交通系統(tǒng)位于長江夾江東南岸，隸屬于長江古河道漫灘區(qū)。南京梅子洲過江通道地下工程地處漫灘，地層條件復(fù)雜，基坑工程受到地下水的威脅，降水難度大。由梅子洲主線隧道、濱江大道組成的南京梅子洲過江通道地下工程屬于3層框架結(jié)構(gòu)，采用明挖暗埋的方式進行施工，采用大放坡開挖方式，最大開挖深度大于25 m，長度和寬度約為250和300 m[1]。

地面下8 m開挖土方35×104m3，達到8 m后再開挖主隧道及匝道，開挖土方20×104m3。本工程擁有特殊的地質(zhì)條件，開挖期間的用水量超過15 m3，工程完工后要抽出6 000×104m3的水。因此，根據(jù)基坑開挖的深度，采用放坡、鉆孔樁的方式進行基坑圍護。

2 地質(zhì)條件

南京長江漫灘地區(qū)地面高程約為5～8 m， 第四系土層厚度局部深度大于70 m，上部分布較厚的漫灘相淤泥、黏土；中部為沉積層，厚度大，局部含有軟土夾層；下部具有二元結(jié)構(gòu)特征，有砂土、礫砂土質(zhì)分布。水文工程地質(zhì)條件中以二元結(jié)構(gòu)為主，上部為高壓縮性的淤泥，下部為承壓含水層，對深基坑工程的施工影響較大。其地質(zhì)剖面圖見圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖

水文工程具體地質(zhì)特征如下[2]。

2.1 承壓水頭高

承壓含水層厚度大，平均厚度約為40～60 m；具有較好的滲透性，根據(jù)相關(guān)試驗材料顯示，上部粉砂層的滲透性系數(shù)為7.2～23 m/d，下部滲透性系數(shù)為22～55 m/d；強度大，單井出水量約為5 500 m3/d。承壓含水層與江水之間的關(guān)系決定了承壓水頭的高低，長江水位標高說明承壓水頭標高，最高可達10 m，基坑工程隨時面臨著高承壓水的問題。

2.2 含水層存在各向異性

在南京長江漫灘地區(qū)形成的過程中，由于沉積環(huán)境的變化，導(dǎo)致下部承壓含水層中沉積黏性土夾層，導(dǎo)致承壓含水層出現(xiàn)各異性特點[3]，水平方向的滲透性嚴重超標。對本工程進行現(xiàn)場抽水試驗，得到水平滲透系數(shù)遠遠高于垂直滲透系數(shù)。薄層黏性土夾層會妨礙垂直方向的運動，影響基坑工程的降水效果。在明挖階段，整個工程的地下水位降低數(shù)米，在開挖時仍然會遇到薄層黏性土夾層[3]。

2.3 沉降變形

漫灘區(qū)上部的軟土地層含水量大、壓縮性高，容易發(fā)生沉降變形，含水層厚度的增加會使基坑工程的維護結(jié)構(gòu)無法進入隔水層，在降水時坑外地下水位降低，造成沉降變形，容易對周邊建筑物造成破壞[4]。

2.4 坑底突涌

基坑開挖深度的不斷增加，承壓含水層的厚度逐漸減小，其重量無法承受水頭壓力，從而發(fā)生突涌破壞，見圖2。坑底突涌事故大多是由于坑內(nèi)承壓水頭未得到有效控制，無法滿足基坑底板的穩(wěn)定性條件，亦或是在進行地質(zhì)勘探鉆孔時，承壓水沿樁周冒出。

3 引滲疏干工程設(shè)計

該工程的基坑開挖面積約為6×104m2，整個基坑在開挖時形成盆式結(jié)構(gòu)，先進行放坡開挖，再進行主線隧道開挖及匝道基坑開挖。引滲疏干技術(shù)原理見圖3。

圖3 引滲疏干原理圖

3.1 放坡開挖引滲井設(shè)計

盆式結(jié)構(gòu)的基坑開挖范圍以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層為主，該層透水性差，對土方開挖影響大。坑底2～3 m為粉砂、粉細砂承壓含水層，透水性好。因此在開挖過程中，首先要嚴格按照表1所示的不同坡比對應(yīng)的傾角，完成對邊坡開挖參數(shù)的設(shè)計。

表1 不同坡比對應(yīng)的傾面

需要充分考慮土體疏干及承壓含水層的降水問題。盆式基坑在開挖過程中，沒有任何的支撐防護，管理難度大，如果在每一個降水井中都安裝抽水泵，則現(xiàn)場的管線密度分布較大，影響土方開挖的進度及抽水連續(xù)性，導(dǎo)致降水效果降低，影響施工進度。因此，為了保證基坑的安全性，讓基底與承壓含水層距離拉近，再使用引滲疏干技術(shù)將地下水引滲到承壓含水層中，達到疏干的目的。

3.2 涌水量預(yù)測

采用敞開式降水的方式進行放坡開挖。根據(jù)涌水量預(yù)測的計算公式對涌水量預(yù)測進行計算。

=45 170.97(m3/d)

(1)

根據(jù)引用影響半徑的計算公式：Q0=r0+Q，將45 m，220 m兩個值分別帶入到水層深度r0和水位降深Q中，得出引用影響半徑的Q0值為265 m。

根據(jù)式(2)計算單井出水能力：

(2)

將0.15 m，9 m，39 m/d分別帶入到半徑r、長度l和滲透系數(shù)k中，得到單井出水能力p的值為1 381 m3/d，接下來，再將單井出水能力p值帶入到式(3)中，同時將63 m3/d帶入到總涌水量P中，算出降壓井數(shù)量N的值為50。

N=1.1P/p≈50

(3)

基坑在開挖的過程中，使降壓井保持連續(xù)降水的狀態(tài)，需要保證井位不受施工影響。將降壓井分圈設(shè)置，在基坑邊坡二級平臺布置33口井，距離邊坡二級平臺13 m，降壓井深20 m；在主線隧道處布置17口井，降壓井深35 m[5]，作為主線隧道基坑的備用井。見圖4。降壓井深35 m，主線隧道基坑外降壓井深40 m，泥孔徑為750 mm，邊坡上降水井易于保護，因此采用造價低的內(nèi)徑400 mm、外徑500 mm的無砂混凝土濾管，主線隧道的降壓井采用鋼管最為合適。

圖4 降井結(jié)構(gòu)圖

3.3 引滲井設(shè)計

為方便土方開挖及施工作業(yè)，對開挖范圍中的土體進行疏干，為施工現(xiàn)場提供一個良好的施工環(huán)境。淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層的透水性較差，因此對該地層進行疏干時，需要根據(jù)有效疏干面積進行確定。有效疏干面積的經(jīng)驗值需要根據(jù)土體的特性來確定，本次設(shè)計的引滲疏干井的取值范圍在150～250 m2，整個盆式基坑設(shè)置90口疏干井。同時，為了增加引滲疏干井的質(zhì)量，需要經(jīng)常對引滲井進行抽水操作。因此，本次采用的引滲井為安設(shè)井管，井管不需要拆卸。井深16 m，承壓含水層為5 m，采用無砂混凝土濾管[5]。

對坑中坑區(qū)域引滲井進行設(shè)計，主線隧道結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，匝道為灌注樁，基底需要進入到承壓含水層中，將水位降低到1 m以下，當降低到1 m以下之后，砂層中的地下水將不存在。但根據(jù)資料顯示，粉質(zhì)黏土夾層的存在，導(dǎo)致含水層的水力聯(lián)系變差，在圍護結(jié)構(gòu)深度范圍中形成多層地下水，導(dǎo)致井水位低于基底，出現(xiàn)滯水現(xiàn)象[4]。

當布置坑內(nèi)降水時，需要先降低地下水位。對于基底以上的疏干問題，如果增加疏干井會導(dǎo)致成本增加，如果采用混合井需要解決降水井封井問題。因此，坑中坑區(qū)域就可以采用引滲疏干技術(shù)進行降水井結(jié)構(gòu)設(shè)計，將濾管設(shè)置在基底以下的地層中，濾料回填至地下水位附近。對于基底以下的地下水，可以通過濾管的方式將地下水引入降水井中，開挖范圍內(nèi)的地下水通過濾料引入基底，完成引滲疏干設(shè)計，達到疏干的目的，解決封井問題。

4 結(jié) 語

將引滲疏干技術(shù)應(yīng)用到本工程中，得到了良好的疏干效果。基坑降水在設(shè)計的過程中，需要考慮到場地的水文地質(zhì)條件，結(jié)合實際情況進行降水設(shè)計。

對于多含水層系統(tǒng)，需結(jié)合開挖條件及圍護條件進行引滲疏干設(shè)計，引滲井不存在電路鋪設(shè)與封井問題，在保證疏干效果的同時降低了工程費用。

根據(jù)工程基坑中不同位置的開挖效果，結(jié)合上部地層的地質(zhì)特點，在邊坡上設(shè)置引滲疏干井，可以保證邊坡的穩(wěn)定，達到疏干的目的。同時也有利于土方的開挖速度及澆筑速度，保證基地快速封底，引滲疏干技術(shù)在深大基坑工程中的成功實施對于類似工程具有十分重要的參考意義。