承壓水突涌臨界狀態下基坑隔水帷幕與降壓設計研究

馮翠霞 ，陸麗君 （上海申元巖土工程有限公司，上海 200011）

0 前言

上海作為深厚軟土層地區，近年來地下空間開發日趨成熟。基坑工程在常規兩層地下室，即挖深約11m的項目中已累積豐富的設計與施工經驗。結合上海地區承壓水分布特點[1]，第⑤2層微承壓含水層與第⑦層承壓含水層（第一承壓含水層）在部分地區出露較淺，層頂埋深約20m～25m。在具備上述地層分布特點的區域，挖深11m左右的深基坑坑底常不滿足（微）承壓水抗突涌穩定性[2]，即；且接近臨界狀態，多數情況下。按照工程經驗，當基坑工程不滿足（微）承壓水抗突涌穩定性時，除卻沿基坑外側設置封閉的隔水帷幕外，基坑內部亦采用減壓井降壓的方式來降低（微）承壓水水位，以減少基坑突涌風險。但工程實際中較少考慮此類（微）承壓水接近臨界狀態下的基坑工程隔水帷幕與降壓設計特點。

本文將結合工程實例，研究探討此類基坑工程的隔水帷幕與降壓設計特點，并提出針對性的設計及施工建議。

1隔水帷幕設計

上海地區因其軟土土層特性、場地條件及周邊環境復雜等因素，挖深超過7m的深基坑工程通常采用板式支護體系。隔水帷幕可以與基坑圍護墻體結合設置，如地下連續墻、型鋼水泥土攪拌墻等；也可以單獨設置，如三軸水泥土攪拌樁、雙軸水泥土攪拌樁，高壓旋噴樁等[3]。其中，受施工機械所限，雙軸水泥土攪拌樁成樁深度一般不超過18m。三軸水泥土攪拌樁成樁深度一般不超過30m；當大于30m時，需采用超深三軸攪拌樁機械。當受場地、設備等條件限制時，局部區域也可采用高壓旋噴樁[4]作為隔水帷幕。因此，挖深11m左右的深基坑工程，常選用鉆孔灌注樁或型鋼水泥土攪拌墻作為圍護結構，三軸水泥土攪拌樁、高壓旋噴樁則作為隔水帷幕。在環境保護要求高或場地受限等情況下，可選用地下連續墻兼作圍護墻體及隔水帷幕。

按照布置方式，隔水帷幕可分為落底式和懸掛式兩種[5]。結合工程實例，挖深11m左右的深基坑工程隔水帷幕常劃分兩類，一類僅隔斷潛水含水層（實例1）；一類除潛水含水層外，還隔斷存在突涌風險的（微）承壓水含水層（實例2）。

實例1中，基坑挖深11m，僅考慮隔斷基坑淺部潛水含水層，隔水帷幕需進入相對隔水層不小于1.5m，并滿足[5]。同時，隔水帷幕埋深宜大于疏干井濾管插入深度，以增加地下水繞流路徑。經計算，隔水帷幕總長度取18m。此外，項目擬建場地分布第⑤2層微承壓含水層，層頂最淺埋深23.30m，按微承壓水高水位3m埋深估算，，即基坑開挖至坑底時，坑底不滿足第⑤2層微承壓水抗突涌穩定性，但接近臨界狀態。因第⑤2層微承壓含水層層底最深埋深32.3m，若隔水帷幕隔斷該含水層，長度不宜小于34.5m。綜合考慮含水層特點及工程造價，該項目隔水帷幕按不隔斷第⑤2層微承壓含水層設計。隔水帷幕仍取18m長，基坑開挖時則通過設置減壓井來降低坑底及局部落深區的承壓水突涌風險。

實例2中，基坑挖深11m，僅考慮隔斷淺部潛水含水層，隔水帷幕仍可取18m長。因場地分布⑦層承壓含水層，層頂最淺埋深21m；且根據抽水試驗報告，⑦層承壓水埋深3.36m，經計算，，即基坑開挖至坑底時，坑底不滿足第⑦層承壓水抗突涌穩定性，但接近臨界狀態。考慮到該項目基坑臨近居民住宅樓及醫院建筑群，從安全角度出發，結合場地內含水層出露較淺這一特點，隔水帷幕按隔斷⑦層承壓含水層設計。隔水帷幕根據地質剖面劃分，加長至30m～31.5m，確保進入⑧層相對隔水層不小于2m。

圖1 含水層、隔水帷幕與降水井剖面對應關系(實例1)

圖2 含水層、隔水帷幕與降水井剖面對應關系(實例2)

抽水試驗參數表(實例2) 表1

2 降壓設計

2.1 基坑設計降深及涌水量計算

如前述，實例2中基坑坑底存在第⑦層承壓水突涌風險。經驗算，，基坑開挖至10.41m時即需開啟減壓井進行承壓水降壓；基坑開挖至坑底時，第⑦層承壓水降深sd不應小于0.98 m?？紤]到基坑降壓需求不大，擬在基坑內部設置第⑦層承壓水非完整井，基坑降水總涌水量可按“大井法”計算[6]：

式中，k為滲透系數，R為降水影響半徑，均取抽水試驗求參結果；M為承壓含水層厚度，取第⑦層平均厚度7 m；l為降水井進入承壓含水層的濾管長度，取3.5 m；sd為基坑地下水位設計降深，取 0.98 m；r0為基坑等效半徑，按計算，A為基坑面積9150 m2，r0為54 m。經計算，該項目第⑦層承壓含水層基坑降水總涌水量Q為35 m3/d。

由于“大井法”公式未考慮隔水帷幕的邊界作用，擬通過mODFLOW數值法分析隔水帷幕與減壓井不同組合下的基坑及周邊降深分布規律。

2.2 基坑降壓計算

圖3 隔水帷幕三種布置形式(實例1)

圖4 減壓降水運行后預測基坑⑦層水位降深等值線圖(工況1，單位:m)

本次減壓降水目標含水層為第⑦層承壓含水層?？紤]到不同土層特性以及地層之間存在水力聯系，水文地質模型自上而下概化為：潛水含水層、相對隔水層1、第⑦層承壓含水層和相對隔水層2。同時，為克服邊界的不確定性影響計算結果，取基坑各邊向外擴展約170 m（大于減壓井影響半徑），即實際平面尺寸470 m×420 m，四周均按定水頭邊界處理。模型中第⑦層承壓含水層相關水文參數均取自抽水試驗。模擬周期則參照基坑第二道支撐下土方開挖到底板結構完成的施工時間，設定為50天。

通過試算，本次模擬共計考慮三種隔水帷幕與減壓井組合形式：組合一，隔水帷幕僅隔斷潛水含水層，坑內設置4口減壓井；組合二，隔水帷幕隔斷潛水含水層，并進入第⑦層承壓水含水層約3 m，坑內設置4口減壓井；組合三，隔水帷幕隔斷第⑦層承壓水含水層，坑內設置1口減壓井。

計算結果表明，三種隔水帷幕與減壓井的組合形式均能滿足基坑減壓需求，降水運行后基坑內部⑦層水位均能達到設計水位。其中，工況一基坑周邊3倍挖深范圍內第⑦層水位降深0.7～0.9 m m。工況二隔水帷幕采用懸掛式，坑外水源繞流補給，基坑涌水量減??；相應地，基坑周邊3倍挖深范圍內第⑦層水位降深0.5mm～0.8mm。工況三，隔水帷幕采用落底式，僅需抽取基坑內部⑦層承壓水，基坑周邊⑦層水位降深接近0mm。

圖5 減壓降水運行后預測基坑⑦層水位降深等值線圖(工況2，單位:m)

2.3 地面沉降預測

結合數值分析求出的基坑周邊⑦層承壓水降深分布，降水引起的地層壓縮變形量可按下式計算[6]：

其中，Ψw為沉降計算修正系數，取抽水試驗建議值；Δσ'zi為降水引起的土的附加有效應力；Δhi與Esi分別為對應土層的厚度和壓縮模量。

經計算，工況一基坑周邊因⑦層承壓含水層減壓引起的地面沉降約0.15 mm～0.19mm；工況二基坑周邊地面沉降約0.11mm～0.17mm；工況三由于隔水帷幕隔斷，坑外地面幾乎不受影響。

3 結論與建議

①軟土地區因其地下水豐富，受土層分布以及基坑工程規模影響，較常遇到基坑坑底不滿足（微）承壓水抗突涌穩定性，但又接近臨界狀態的工程實例。這類基坑工程降壓需求較小，設計降深不大，基坑降壓設計可結合隔水帷幕的邊界作用綜合考慮。

②因設計降深不大，隔水帷幕未隔斷承壓含水層時，基坑降壓施工對周邊環境影響有限。當基坑周邊環境保護要求不高時，隔水帷幕可按僅隔斷潛水含水層來設置。一方面基坑安全性有保障，另一方面也減少了工程造價投入。

圖6 減壓降水運行后預測基坑⑦層水位降深等值線圖(工況3，單位:m)

③若基坑周邊環境保護要求高，可結合承壓含水層厚度，采取懸掛式或者落底式隔水帷幕。通過對基坑實例的數值分析，可知受隔水帷幕邊界作用影響，基坑實際涌水量減小，基坑降壓對周邊環境影響也相應降低。當采取落底式隔水帷幕時，基坑周邊環境幾乎不受坑內降壓影響。

④因實際降壓需求較小，此類基坑工程坑內減壓井布置可結合數值分析作適當優化。當采取落底式隔水帷幕時，結合實例2減壓施工效果，坑內減壓井還可進一步優化。

⑤工程實際中，按需降壓更為關鍵?；咏祲菏┕浞挚紤]前期抽水試驗結論，并嚴格按照降壓設計實施。