深基坑群井降水法效果研究與實例分析

莊群虎,顧家慧

(1.蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來，對于基坑開挖和地鐵項目的建設，不可避免地遭遇越來越復雜的巖土問題，其中地下水控制就是一項風險性比較大的技術[1]。基坑工程在實施之前必須重視地下水對基坑的不良影響，重視通過生產性抽水試驗[2-4]獲取水文地質參數。地下水控制的成敗既與工程施工階段實際運行控制有關，也與基坑降水設計是否合理有直接的關系[5]，為實現基坑降水設計和工程施工控制，工程中常常通過生產性抽水試驗獲取足夠的水文地質參數，用來指導基坑開挖、井點布置以及評價止水帷幕[6-7]的止水效果。

本文通過蘇州市港田路站基坑降水工程群井的生產性抽水試驗來重點分析說明生產性抽水試驗獲得的水文地質參數對降水運行施工、基坑安全評價、關鍵施工步驟和止水帷幕效果的重要指導意義。

1 工程概況

1.1 工程及場地概況

港田路站是蘇州市軌道交通6號線工程的第25個車站，車站位于錦溪河下方，跨港田路沿錦溪河南北向布置。車站為地下2層12 m島式站，設置站前停車雙折返線，共設置2組風亭和4組出入口。車站前方接中新大道東站，后方接金家堰站，兩端區間均采用盾構法施工。標準段基坑深17.6 m～18.0 m，端頭井基坑深19.25 m，均采用明挖法施工。

標準段圍護結構形式：靠近讕調小區的區段采用1 000厚地下連續墻，其余區段采用800厚地下連續墻[8-9]。地下連續墻施工采用“地下連續墻液壓抓斗工法”[10-11]進行施工。本標段港田路站主體圍護結構采用800地墻和1 000地墻，接縫處采用φ800旋噴樁[12-13](三重管)止水。

1.2 工程地質及水文地質條件

施工前進行了詳細的地質勘查，得到該場地土層物理力學性質指標：

①-1淤泥：底層標高-1.70 m～-2.18 m，飽和、流塑態，層高0.20 m～0.30 m。①-2雜填土：底層標高-2.34 m～ 1.52 m，飽和，層高2.50 m～4.70 m。①-3素填土：底層標高-2.08 m～2.16 m，松散狀態，層高0.80 m～4.90 m。③-1黏土：底層標高-4.59 m～-2.78 m，可塑狀態，層高0.80 m～5.20 m。③-2粉質黏土：底層標高-10.52 m～-4.04 m，軟塑～可塑，層高1.10 m～6.90 m。③-3粉土：底層標高-7.43 m～-6.77 m，呈濕、稍密狀態，層高2.00 m～2.80 m。④-1粉質黏土：底層標高-17.38 m～-11.23 m，軟塑～可塑，層高2.10 m～8.80 m。④-1a粉土：底層標高-21.07 m～-14.52 m,很濕、稍密～中密，層高1.60 m～4.30 m。⑤-1粉質黏土夾粉土：底層標高為-28.37 m～-20.60 m，軟～可塑，層高2.90 m～12.90 m。⑥-1黏土：底層標高-30.20 m～-23.79 m，可塑～硬塑，層高1.70 m～5.40 m。⑥-2a粉土：底層標高-28.18 m～-24.69 m，很濕～飽和，中密，層高0.50 m～3.30 m。⑥-2粉質黏土夾粉土：底層標高-30.38 m～-26.19 m，可塑，局部軟塑，層高0.50 m～2.70 m。⑦-1粉質黏土：底層標高-36.52 m～-30.64 m，軟塑～可塑，層高3.20 m～10.50 m。⑦-2粉土夾粉砂：底層標高-42.76 m～-38.00 m，飽和，中密～密實，層高4.50 m～14.90 m。⑦-3粉質黏土夾粉土：底層標高-61.17 m～-54.98 m，可塑狀態，層高12.90 m～19.00 m。

根據本次鉆探揭露，擬開挖基坑范圍內的水文狀況如下所示：

1)地表水：場地內寬約25 m的錦溪河，該河道常年有水，現狀河底標高約為-2 m。

2)地下水：本工程地下水分為潛水、微承壓水以及承壓水三類：

a.潛水:擬建場地淺層孔潛水賦存于表層填土層中，勘察期間，通過干鉆測得初見水位埋深0.50 m～2.50 m，24 h后測定淺層潛水穩定水位埋深0.40 m～2.40 m，相應穩定水位標高為1.27 m～1.79 m。

b.微承壓水:場地內的承壓水主要存于④1a中，④1及⑤1亦有零星分布，④1a的厚度較小，一般厚度為1.6 m～4.3 m，且局部缺失，該含水層水量較小，富水性及透水性均一般。該微承壓含水層穩定水頭標高為1985國家高程基準1.48 m。

c.第Ⅰ承壓水:根據本次勘察揭示，第Ⅰ承壓水含水層主要為⑦2粉土夾粉砂層，該含水層厚度較大，厚度為4.50 m～14.90 m，富水性及透水性較好，該層承壓水含水隔水層頂板為⑤1,⑥1,⑥2,⑦1。該承壓含水層穩定水頭標高為1985國家高程基準-1.93 m。

根據鉆探結果分析可知：

本站基坑開挖范圍內存在④1a層微承壓含水層，微承壓水水頭標高1.48 m，坑底有承壓含水層⑦2層，承壓水水頭標高-1.93 m。基坑開挖時需降低承壓水水頭。本站圍護結構完全隔斷④1a層微承壓含水層，對于坑內淺層潛水以及開挖后由微承壓水轉為潛水部分，采用疏干井降水。地連墻未對第Ⅰ層承壓含水層隔斷，為滿足坑底抗突涌穩定性要求，當基坑開挖至14.94 m時，應按需降承壓水，其中端頭井段基坑承壓水最大降深約8.57 m，標準段基坑承壓水最大降深約5.56 m。

2 群井抽水試驗實施

本工程基坑開挖深度為18.0 m～19.60 m，基坑開挖過程中需大面積、長時間抽降第⑦2層承壓水，為了解承壓水水頭埋深分布，取得承壓含水層的詳細水文地質參數，從而制定合理、可行的降水設計處理方案，確定施工期間降壓井的降水施工參數和為布置降壓井提供依據，以及分析與預測降壓施工過程中對基坑周邊臨近建筑、周邊道路及市政管線的影響，本工程基坑專項開展承壓水現場抽水試驗。

2.1 井群平面布置與結構

為分析水文地質條件，擬進行水文地質抽水試驗，試驗平面布置圖如圖1所示，對水力滲透性質進行全面的分析研究。

1)試驗井工作量：在第⑦2層設置3口抽水井，觀測井7口。

2)井群結構與平面布置：降水井的深度、濾管位置及結構參數。

其中抽水井為G1～G5，觀測井為J1～J5。

2.2 抽水試驗部署

J1,J3,J5作為抽水井，抽水試驗過程中，觀測坑內J2和J4井內地下水位和坑外G1～G5觀測井水位。

A基坑南端頭井內群井抽水，開啟J1,J3,J5三口井進行群井抽水，坑內J2,J4內最終水位降至12 m～13 m，滿足安全水位所需。觀測井為坑內J2,J4兩口井，坑外G1～G5五口井。坑內抽水井J1,J3,J5，坑內觀測井J2,J4和坑外承壓水觀測井G1～G5各項參數相同，均為孔徑650 mm，井徑273 mm，井深40 mm，過濾器長6 m。

3 結果分析

3.1 初始水位

工程抽水試驗前對承壓水初始水位進行了觀測，坑內井J1,J2,J3,J4,J5的井口以下水位埋深分別為2.90 m,3.50 m,3.10 m,3.50 m,3.30 m，坑外井G1,G2,G3,G4,G5的井口以下水位埋深分別為3.20 m,4.10 m,2.70 m,3.40 m,4.80 m。

根據目前資料，坑內、外水位有一定起伏，第⑦層水位平均約在井口以下3.50 m，所以，本工程第⑦層承壓水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

3.2 抽水井流量

抽水試驗共歷時48 h。其中，J1井平均出水量約為14.50 m3/h，J3井平均出水量約為15.27 m3/h，J5井平均出水量約為15.00 m3/h。3口抽水井出水量均較為穩定，平均出水量約為15.00 m3/h(=360.00 m3/d)，整體出水量比較大。

3.3 觀測井水位降深

抽水試驗期間，3口抽水井時，對坑內、外7口井水位變化進行同步監測。最終水位降幅坑內J2，J4分別為10.0 m，8.8 m，坑外G1，G2，G3，G4，G5分別為3.9 m，0.8 m，1.1 m，3.5 m，0.7 m。抽水期間，坑內觀測井水位有明顯下降，水位已穩定，坑內最大水位降深已經降至12.3 m～13.5 m，完全滿足基坑安全所需。坑外水位下降幅度0.70 m～3.90 m。綜合分析坑外水位變化趨勢，認為基坑的圍護結構對地下水的阻隔作用較明顯，考慮到降水井深度比圍護結構深，同時觀測井與抽水井距離不一樣，所以坑外觀測井水位下降不一，距離近的水位下降達到3.5 m～3.9 m，距離相對較遠的觀測井水位下降約0.7 m～1.1 m。

3.4 觀測井水位恢復

停止抽水后，進行水位恢復，水位恢復速度整體較快，坑內井6 h水位恢復約90%。基坑超過臨界挖深以后，將進行減壓降水，隨著基坑挖深增加，降壓幅度逐漸增加，減壓降水過程中，不得出現長時間斷電情況，否則承壓水水位恢復，基坑有突涌風險。

4 基坑降水復核計算

“按需降水”[14]進行控制(見表1)，本工程基坑充分考慮基坑底板的突涌安全性，須對下部承壓水含水層的頂托力對基坑的穩定性進行驗算，以防止產生高水頭承壓水從最不利點突涌的不良現象[15]。通常采用下式判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌(以下簡稱“抗突涌”)穩定(安全)的狀態。

表1 承壓水“按需降水”安全水位控制表

(1)

其中，Ps為承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；Pw為初始狀態下(未減壓降水時)承壓水的頂托力，kPa；hi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，m；γsi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度(根據勘察資料本工程19.1 kN/m3)；H為高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；γw為水的重度，工程上一般取10.0 kN/m3；Fs為安全系數，工程上一般取1.05～1.20，本工程取1.10。

根據初步設計資料，基坑挖深18.00 m～19.65 m，本工程基坑開挖過程中基坑不滿足第⑦2層承壓含水層抗突涌驗算的要求，需要對第⑦2層承壓含水層進行降水處理。

根據工況，基坑南端頭井第4道支撐施工時需要進行減壓降水，最大降深幅度近9.57 m；最終水位控制在9.56 m～12.57 m。根據試驗結果，坑內降水井抽水時，可以將水位控制在基底以下，可以保證基坑最深開挖時不發生突涌風險。

5 結語

1)根據目前資料，坑內、外水位有一定起伏，第⑦2層水位平均約在井口以下3.50 m，建議本工程第⑦2層承壓水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

2)本工程南端基坑內5口井，坑外5口井，基坑臨界挖深14.40 m，3口井以單井流量15.0 m3/h抽水時，水位能控制在安全所需，最終水位控制在9.56 m～12.57 m，滿足抗突涌計算所需，其余井為備用井。

3)基坑圍護結構深度32.5 m～35.0 m，插入承壓含水層3.0 m～6.0 m，降水井深度40.0 m，超過圍護體深度。抽水試驗期間坑內外水位差明顯，該區域圍護結構(止水帷幕)對⑦2層承壓水有繞流作用。

4)基坑開挖過程中，需加強對降水井的保護，以免井破壞后，影響降水運行能力。基坑開挖過程中，需加強留意前期地質勘探孔、監測孔突水問題，出現冒水時，坑內備用井可以開啟進行抽水。