裂隙發育地層中超深工作井開挖對周邊地下水位的影響

樊秋林

(中鐵十八局集團第五工程有限公司，天津 300450)

隨著城市建設的高速發展，地下空間利用日益增加，產生了多形態的深、大基坑工程，其中大直徑超深工作井是深埋輸水管線和地下隧道盾構始發與接收常用的深基坑形式。在施工過程中，工作井的開挖會引起地下水水位變化，并由此導致工作井周圍滲流場與應力場發生改變，從而產生地面沉降、基坑變形、圍護結構內力重分布等安全問題[1]，特別是復雜地層條件下，基坑開挖降水過程中地下水滲流場作用機理較均勻土層復雜的多，計算理論無法準確評估。

目前，對于復雜條件下深基坑開挖降水對地下水影響的研究較為豐富：鄭剛等[2]針對天津地鐵5號線項目，通過預降水試驗分析了在復雜地層中深大基坑的坑內外地下水水力聯系。黎明中[3]等依托武漢某復雜水文地質的基坑工程，對由基坑開挖引發的管涌現象進行了分析。姜忻良等[4]采用有限元對復雜情況下基坑開挖過程中的滲流場進行了模擬研究。駱祖江[5]根據上海環球金融中心塔樓深基坑工程，對基坑降水過程進行了滲流場模擬并對其變化進行分析。現階段所研究基坑主要以深大基坑為主，對于開挖超過50 m以上的超深基坑地下水位變化研究較少，并且大多數基坑所處地質條件并未涉及到裂隙發育地層。

1 工程概況及地質條件

1.1 工程概況

工作井LGO9-1#位于廣東省佛山市，屬于珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標段輸水干線的一部分。工作井及周邊環境如圖1所示，施工現場地勢平坦、場地平整，地面高程3.2 m。工作井北側密集分布有眾多工業廠區、廠房等，南側為農田地，周邊 500 m范圍內分布有河流、匯水河涌。

圖1 工作井及周邊環境

工作井為外徑35.9 m的豎向圓井，基坑底高程-58.35 m，開挖深度為61.55 m，工作井開挖及支撐采用明挖和逆作法配合施工，單次開挖深度4.5 m。分14層開挖，前11層采用逆作法，后3層由于為巖層，采用順作法。開挖充分利用時空效應組織施工， 按豎向分層、盆式開挖法作業，由上至下、先內襯支護后開挖。施工步驟可以簡化為15步，如表1所示。

表1 施工步驟

1.2 水文地質條件

工作井地質條件較為復雜，上部為34.4 m厚的沖積層，為淤質粉細砂、淤質土、含泥細砂層、含有機質黏土層以及中細砂層，其下為13.2 m厚全風化泥質砂巖和5.4 m厚強風化泥質砂巖，洞身底部為弱風化泥質砂巖，沖積層、全風化及強風化，部分圍巖自穩能力差，砂層為含水層、滲透性強，強風化巖破碎、透水性強，工程地質條件較差，其地層分布如圖2所示。

圖2 地層分布(單位：m)

工程所在區域地表水豐富，含水層和透水層較多，地下水位較高。地下水位約 0～1 m，地下水類型以孔隙性潛水為主。工作井上部主要分布為黏土與部分砂土，其土層透水性與滲透系數如表2所示。

表2 ①～④土層透水性與滲透系數

工作井下部主要分布著圍巖，以全風化泥質粉砂巖IV、強風化泥質粉砂巖V與弱風化泥質粉砂巖Ⅲ為主，其相關參數如表3所示。

表3 圍巖特性

在施工與勘探過程中發現，底部局部區域出現泥化現象，并且在底板施工時，伴隨有較大的涌水量，說明工作井底板存在斷層，斷層的產生與底部巖層完整性差、裂隙發育多、滲透性強有關。

注:Vp為巖體縱波速實測值(m/s)；Kv為巖石完整性系數；RDQ為巖體質量指標。

2 地下水監測及分析

由于地下水的變化常引發工程安全問題，因此需要把握基坑開挖降水過程中地下水變化規律，為此，在工作井周圍與距離工作井較遠處分別開展了現場監測與現場示蹤試驗，對地下水的變化情況進行監測及分析。

2.1 井周地下水位變化規律

該地下水位為坑外地下水位，其測點布置如圖3所示，UP2-1、UP4-1分別布置在工作井的東南與西北側。地下水位變化曲線如圖4所示，該圖初始日期為2020.4.1。

圖3 LGO9#-1工作井監測點布置(單位：mm)

圖4 地下水位變化曲線

(1)UP4-1在第1至第12步的施工步驟中地下水位變化表現為：開始基本保持不變，之后隨著土方開挖水位不斷降低。其原因為開始時地下水位標高低于開挖面，而當土體開挖至地下水位標高時基坑開始滲水排水，致使地下水位不斷降低。而UP2-1在此施工過程中水位基本不變，與其地層透水性較弱以及周圍存在河涌有關。

(2)在第13步中，兩側地下水位出現急劇的下降，快速降低超過警戒值，聯系工作井的地層分布，該現象與底部存在斷層有關。之后第14步快速進行了底板澆筑，并在之后進行注漿封堵與地下水回灌，致使水位回升。

2.2 周邊地下水影響示蹤試驗

2.2.1 試驗方法

在工作井開挖后，開展前后兩次、每次12 d、共為期24 d的示蹤試驗。試驗選擇在砂層及裂隙發育分布較連續的區域，試驗方法采用比色法。在取得調查區基礎水樣數據后，結合水質情況選用了無毒KMnO4溶液，溶液濃度 250 g/L。在 SZK6號井及 GS14-2號井進行投放(如圖5所示)，在SZK6號井投放試劑 10 kg，在GS14-2號井投放試劑15 kg，兩次接收點都選擇在 LGO9#-1工作井周邊觀測井ZK5-1、UP4-1、SZK17與SZK18。觀測井與投放井距離皆在200 m左右。

圖5 示蹤試驗接收點和投放點位置

2.2.2 試驗結果分析

圖6 離子濃度隨時間變化曲線

示蹤試驗結果顯示區域地下水的水流方向由北側投放區、東側投放區皆指向 LGO9#-1工作井，證明 LGO9#-1工作井施工開挖降水引起了周邊地下水的滲流，使周邊水位降低，從投放井與工作井的距離上分析得到地下水降水的影響范圍超過了200 m。

3 降水影響范圍滲流反演分析

通過監測數據與示蹤試驗，分別從時間與空間上說明了工作井開挖對周邊地下水的影響，并得到降水影響范圍超過200 m的結論。但基于以上數據，還無法確切的給出地下水降水的覆蓋范圍，以及地下水水位演變過程，因此采用Visual MODFLOW滲流分析軟件，根據現場所獲得的監測數據，反演工作井場地的地下水水位變化過程。此外，選取3 種不同的開挖深度工況，從地下水降深、工作井的滲流影響半徑具體說明施工開挖對工作井的影響。

3.1 數值建模

計算模型邊界情況參考圖1區域所示，模型邊界尺寸取為900 m×800 m，工作井位于計算區域中心位置，同時根據實際尺寸建立周邊建筑物、河涌、魚塘等要素。

對于初始地下水水位，根據勘測數據，取水位為+0.5 m。每層開挖時的水位根據圖4進行選取。

地表邊界條件：地表在水面以下的為給定水頭邊界；地表在水面以上為可出溢滲出邊界，當無出溢時為潛水水位；水體中部按給定水頭邊界不利條件計算；距離工作井較遠的場地四周簡化為不透水邊界。由于工作井邊界為地連墻，因此設為不透水邊界，開挖工作面設置為排水邊界，并且水頭設置為0。

考慮實際工程中地層分布較為復雜，存在相間與交叉分布，因此計算模型將土層簡化為7層，土層的分布簡化模型如圖7所示。

圖7 地層模型簡化(單位：m)

計算參數的取值參考表2與表3各土層的滲透系數。綜合以上條件，建立工作井三維分析模型如圖8所示。

圖8 工作井三維分析模型

3.2 滲流分析

3.2.1 不同工況下強透水層滲流結果分析

對于工況與地層的選取，根據圖4地下水水位的變化曲線可知，地下水出現較大波動是在第13步，即開挖第13步至第14步的施工區間內。為了對比該步驟施工時地下水的變化，故選取開挖第12步、第13步、第14步三個施工步進行地下水位分析。第12步-14步開挖深度范圍土層分別為③-1、③-2、③-3三個土層，其滲透系數由1×10-7變為1×10-3，滲透系數增大了10 000倍，因此在開挖第13步時頭水量突然變大，導致周邊水位驟降，如圖4所示。為了研究工作井開挖降水對周邊地層水位影響范圍，分別計算了開挖第12步、第13步、第14步三個施工步下周邊水位變化范圍，圖9為12-14施工步周邊地層水位等值線。

圖9 周邊地層平均水頭等值線(單位：m)

從圖中可見開挖完第13步時，周邊水位影響范圍由12步突然變大；開挖至14步時，水位影響范圍接近400 m。

3.2.2 不同工況下井周滲流水位分布

取工作井4倍直徑范圍內滲流場進行分析，其工作井周邊水頭變化及分布如圖10所示。

圖10 不同開挖步周邊平均水頭分布(單位：m)

從圖中可見，在開挖12步時，工作井周邊地層水頭變化較小，涌水量較少。而在開挖第13步時，工作井周邊水為降低突然變大，該施工步所在土層滲透系數突然變大，用水量突然變大，從而導致水頭驟降。開挖至14步，工作井周邊水頭降低繼續增大，而且影響范圍增大，迅速擴大超過4倍直徑范圍，并引起較遠處出現不均勻滲流場。結合實際工程， 14步土層為巖層裂隙發育帶，透水性強，因此建議在后續類似工程中，地連墻適當加深，或通過注漿降低強透水層的透水性。

3.2.3 不同位置的土層滲流分析

由分析可知，工作井開挖工況降水影響半徑為400 m,因此選取該范圍內不同距離地下水情況進行分析，圖11為三施工步下400 m范圍內不同距離的水頭分布與水頭變化幅度關系曲線。從圖中明顯可以看出，在開挖第13、14步時，兩者水頭變化及影響范圍均較大。

圖11 三施工步水頭變化、分布與工作井距離關系曲線

在開挖完成14步開挖后，水頭分布隨著距離逐漸下降至平緩，出現平緩而非繼續下降的主要原因是建模時進行了簡化，認為該施工步所在地層地質條件完全相同，而實際上該地層裂隙發育分布不均勻。另外，水頭變化幅度遠遠超過開挖水頭降低幅度和影響范圍，將會造成周圍建筑產生較大的沉降，需在后期施工過程中降低開挖施工過程中的滲水量并加強對該些點位的監測。

4 結論

(1)該區域內地下水水位變化的主要原因為基坑的開挖降水破壞了該區域原有的水力平衡，并且隨著開挖降水的進行，滲流場水頭差不斷累積，致使地下水水位下降速率逐漸加快。

(2)當遇到地下透水層并未進行滲水控制措施時，會使周邊水位變化范圍變大，甚至超過400 m，會影響周邊建筑安全性。

(3)在地下含有裂隙發育或透水性較強的復雜地層時，開挖過程中應加強對地下水水位的監測，并及時做好防滲與加固等措施。