深基坑不同工況條件下地下水控制思路及其實施效果分析

李 昊

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000）

1 工程概況及水文地質情況

1.1 深基坑一工程概況

蘇南某城市地鐵控制中心深基坑工程，基坑平均挖深約17 m，基坑圍護結構采用1 m 厚地下連續(xù)墻，深度30~40 m，部分地墻底未進入相對隔水層。

1.2 深基坑一工程地質和水文地質情況

工程基坑底位于粉砂夾粉土地層。

地層地下水含水量充沛，主要分為上層孔隙潛水，基底地層的微承壓水以及深層承壓水?；注?粉砂夾粉土層（滲透系數3.0×10-3）的微承壓水水頭埋深約2.6 m，承壓水含水層主要為基底以下的⑤1a粉土夾粉質黏土（滲透系數3.5×10-4）、⑦2粉砂夾粉土（滲透系數3.5×10-3）、⑦4粉砂夾粉土及下部粉土、粉砂層，穩(wěn)定水頭埋深約5.5 m。

1.3 深基坑二工程概況

華中某城市地鐵盾構區(qū)間風井深基坑距長江約1500 m，其中主基坑開挖深度約36 m，附屬基坑開挖深度約16 m。

主基坑地下連續(xù)墻深57~59 m，厚度1.2 m，墻底進入強風化泥巖3~5 m。

附屬基坑地下連續(xù)墻深55~59 m，厚度1.0 m，墻底進入強風化泥巖3~5 m，考慮附屬基坑挖深僅約16 m，附屬基坑地下連續(xù)墻22 m 以下僅考慮止水需要，設計為素混凝土澆筑。

1.4 深基坑二工程地質和水文地質情況

區(qū)間風井深基坑地層自上而下分別為①2素填土、①3淤泥、⑥1粉質黏土、⑥1a粉質黏土、⑩1黏土、?1含黏性土粉細砂、?2含黏性土中細砂。其中，附屬基坑基底位于⑩1黏土、?1含黏性土粉細砂地層中，主基坑基底位于?2含黏性土中細砂地層中?；拥剡B墻墻底位于?2a中風化泥巖地層，入巖深度3~5 m。

深基坑二地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水3 種類型。基坑范圍內的承壓水主要賦存于?1含黏性土粉細砂層（滲透系數 4.1×10-）3、?2含黏性土中細砂層（滲透系數1.7×10-2）和中粗砂混礫卵石層（滲透系數2.3×10-2）中。

2 不同工況條件下深基坑地下水控制思路分析

2.1 深基坑一地下水控制思路

深基坑一地下水含量充沛，其類型主要分為上層孔隙潛水、基底地層的微承壓水以及深層承壓水，針對這3 類地下水的控制思路，主要體現為“分層控制”的理念[1]。

（1）針對上層孔隙潛水的控制，地下連續(xù)墻進入⑤1粉質黏土，該層土滲透系數8.5×10-6，隔水性能較好，地下連續(xù)墻能夠較好地隔斷坑內上層潛水與坑外潛水的水力聯(lián)系，在這一基礎上，鑒于開挖范圍內主要為弱透水層，透水性差、含水高，同時④2粉砂夾粉土層底板距離基底較近，降水過程中容易產生滯水，基坑內按照單井有效抽水面積200 m2，共設置60口疏干井，基坑挖前采用真空進行抽水，減少地層的滯水，加快地層的疏干，盡量降低地層含水量。同時由于地下連續(xù)墻的相對物理隔斷，也減少了長時間坑內降淺層潛水過程中對坑外環(huán)境的影響，特別是對周邊建（構）筑物的變形影響。

（2）針對基底④2粉砂夾粉土層的微承壓水的控制，該層土滲透系數3.0×10-3，深基坑底板位于該層土。經驗算，當基坑開挖至6.7 m 時，坑內地基土抗④2承壓水穩(wěn)定性處于臨界狀態(tài)（抗承壓水分項系數1.05），基坑開挖不滿足抗④2層承壓水穩(wěn)定性的要求。而由于該層土位于基坑底板位置，需開挖地層，且地下連續(xù)墻底進入④2層以下的⑤1粉質黏土，理論上已隔斷該層承壓水的基坑內、外水力聯(lián)系，因此只需綜合降上層潛水需求共同設置疏干井，井深23~25 m，將疏干井深入基底約6 m，即可在降潛水的同時對該層微承壓含水層進行疏干。

（3）對于⑤1a粉土夾粉質黏土層的承壓水和⑦2粉砂夾粉土層的承壓水，該層土滲透系數3.5×10-4，基坑北側地下連續(xù)墻未能穿透該層進入其下的⑦粉質黏土（滲透系數2.3×10-5）相對隔水層。

隨著基坑開挖深度的增加，基底至承壓含水層之間的覆土厚度減小，下部承壓水有引發(fā)基底突涌的風險[2]。基坑底板抗突涌穩(wěn)定條件為：基坑底板至承壓含水層頂板間的土重力應大于承壓水的頂托力，計算如式（1）所示：

式中：Kh——突涌穩(wěn)定安全系數，Kh不應小于1.1；D——承壓含水層頂面至坑底的土層厚度，m，D=Ha-Hb；γ——承壓含水層頂面至坑底土層的天然重度，kN/m3；hw——承壓含水層頂面的壓力水頭高度，m；γw——水的重度，10 kN/m3。

根據地質勘察資料，⑦2承壓含水層的水位標高為-2.73 m，⑤1a承壓含水層水位標高為-2.03 m，土重度為18.4 kN/m3。

通過計算分析，基底抗⑤1a承壓含水層突涌系數均小于0.9，不滿足抗突涌要求，承壓水位需降低4.64~10.41 m；基底抗⑦2承壓含水層系數在控制中心主樓坑中坑處為1.0、其余部位均大于1.05，若安全系數按1.0 考慮，則本工程無須考慮⑦2層減壓降水問題，但從安全角度考慮，本次安全系數取1.1，控制中心主樓承壓水位需降低3.04 m，其余部位需降低0.96~1.21 m。為詳細分析⑤1a和⑦2層承壓水的控制參數，對降水井數量、水位降深等參數進行分析、驗證，根據場地水文地質特征，對水文地質條件進行概化，通過概念模型運算分析，基坑各部分⑤1a粉土夾粉質黏土承壓含水層水位降低至安全水位時，基坑總涌水量約為400 m3/d，共布置10 口⑤1a層降壓井（包含2 口觀測兼?zhèn)溆镁?，井?3 m，底部設置3 m 橋式濾水管，其上再回填5 m 黏土球進行隔離止水，防止與上層地下水通過鉆孔產生水力聯(lián)系，坑外水位下降最大約2.0 m。

通過計算，基坑內共需10 口⑦2層降壓井，考慮到抗突涌穩(wěn)定，安全系數按1.1 取值，實際布置6 口⑦2層降壓井，4 口布置在控制中心主樓，主變電站及控制中心附樓各布置1 口，井深45 m，底部設置6 m橋式濾水管，其上再回填5 m 黏土球進行隔離止水，防止與上層地下水通過鉆孔產生水力聯(lián)系。該部分井主要以觀測備用為主。

2.2 深基坑二地下水控制思路

根據地質勘察報告，深基坑二地下水主要有上層滯水、孔隙承壓水、基巖裂隙水3 種類型。

不同于蘇南地區(qū)深基坑地下水控制思路，位于華中地區(qū)的深基坑二因地下連續(xù)墻進入隔水中風化泥巖，地下控制則只考慮對“孔隙承壓水”進行疏干；對于上層滯水則采取坑內明排方式處理；對于基巖裂隙水，由于主要由基巖上部的承壓水下滲補給，其水量較為匱乏，對本工程基本無影響，則未予考慮?？偨Y深基坑二的地下水控制思路，則可歸納為以下兩點。

（1）鑒于該基坑地下水量豐富，承壓水與長江水力聯(lián)系密切，豐水期長江水補給孔隙承壓水，且緊鄰紫陽湖布置，圍護結構設計階段，地下水的控制就成了一個極為重要的因素。設計方案采用了落底式（墻底進入中風化泥巖）地下連續(xù)墻，主基坑因挖深約36 m，設計墻厚1.2 m，外側結合盾構端頭加固設置0.8 m 厚止水素墻，兩墻均落底。附屬基坑挖深約16 m，設計墻厚1.0 m，同樣按落底設計，理論上可較好地隔離基坑內外水力聯(lián)系。

（2）根據地下水類型及基坑面積、降水深度、布井方式等因素，按“大井”法承壓非完整井公式計算基坑涌水量Q=7905 m3/d；根據水文地質勘查結果，按照單井出水量公式計算單井出水量為718 m3/d，實際為480 m3/d，考慮地下連續(xù)墻落底折減系數0.6，共需布置降水井11 口，經軟件模擬計算優(yōu)化，實際布置8 口降水井（其中主基坑2 口，附屬基坑3 口，盾構端頭固區(qū)內3 口），可將各分區(qū)承壓水降至基坑底板下。井深45 m，濾管設置在?1層含黏性土粉細砂（滲透系數 4.1×10-3）、?2層含黏性土中細砂（滲透系數 1.7×10-2）和中粗砂混礫卵石層（滲透系數 2.3×10-2）承壓水層中，深基坑底板以上不設置濾管。

3 地下水控制效果分析

3.1 深基坑一地下水控制效果分析

（1）深基坑一實施過程中，坑內布置的疏干井起到較好的疏干作用，⑤1a粉土夾粉質黏土承壓水層的降壓井降壓效果也非常有效，基坑開挖作業(yè)較為順利，未受地下水影響。

但在坑底坑中坑開挖過程中，基底④2粉砂夾粉土層中的含水較多，現場采用了坑中坑部位增加臨時輕型井點的方式進行處理，也確保了深基坑作業(yè)的順利實施。

（2）由于基坑北側地下連續(xù)墻未能穿透⑤1a承壓含水層進入其下的⑦層粉質黏土層隔斷深基坑內外水力聯(lián)系，在進行⑤1a承壓水降壓過程中，坑外東、西兩側的港華燃氣和機場路加油站建筑物均出現了沉降變形量超限問題，造成了建筑物裝修層損壞情況。分析其原因是在坑內進行承壓水降壓作業(yè)過程中，地下連續(xù)墻未能隔斷坑內外承壓水層，在坑外承壓水水位下降過程中，淺層潛水通過相對隔水層與承壓水層聯(lián)系并隨之出現一定程度的下降，造成淺表地層失水固結沉降，進而導致坑外建（構）筑物的沉降變形[3]。

3.2 深基坑二地下水控制效果分析

深基坑二實施過程中，地下水的控制效果也達到了基坑安全開挖的目的。

但在坑內降水實施過程上也出現了一些問題，主要體現在以下3 個方面。

（1）主基坑內2 口降水井在抽水過程中發(fā)現其中1 口井出水量不足，為確保超深基坑（挖深約36 m）開挖過程中的地下水控制效果，在基坑開挖至第二道支撐（挖深約11 m）時，坑內補充增設了1 口降水井，后經實際驗證，降水效果變化明顯，主基坑開挖至基底時，其中2 口井已基本不出水，僅1 口井間斷少量出水，該現象說明主基坑兩墻落底的地下連續(xù)墻止水效果較好，有效地隔斷了坑內外水力聯(lián)系。

（2）附屬基坑內3 口井因需要保留至盾構穿越主基坑時進行主基坑洞門外降水使用，周期長達1~2 年，為確保主基坑破除盾構洞門安全，在實際實施過程中增設了2 口井，作為備用井使用。實際在附屬基坑開挖過程，經抽水試驗，3 口井可將承壓水降至附屬基坑底板（深底約16 m）以下，但由于單井出水量大于480 m3/d，20 m3/h 的水泵無法將附屬基坑承壓水降至盾構隧道洞門（深度約33 m）以下，后經更換50 m3/h 的水泵，方達到預期降深目標。

（3）附屬基坑坑外觀測井（承壓水觀測井）水位在坑內疏干降水過程中出現了2~3 m 的降深，但在附屬基坑的長期抽水過程中基本維持在這一降深，且坑外環(huán)境變形監(jiān)測點未出現較明顯變化。分析附屬基坑地下連續(xù)墻存在一定范圍的滲漏，但在附屬基坑開挖過程中并未發(fā)現地下連續(xù)墻的明顯滲漏，推斷滲漏部位位于其底板以下，而由于區(qū)域上部的黏土地層隔水性能較好，坑外“上層滯水”未受深層承壓水降深影響，環(huán)境變形監(jiān)測點也未有明顯變化。

4 結語

通過對以上兩個不同工況條件下的深基坑地下水控制思路及其實施效果分析，總結深基坑地下水的控制應從以下4 個方面考慮。

（1）深基坑圍護結構設計階段應兼顧對地下水的坑內外物理隔斷效果，包括淺層水和承壓水，在充分考慮經濟性和坑外周邊環(huán)境的情況下，盡可能地隔斷需控制的各層地下水[4]，減少深基坑施工風險。

（2）在隔水地層隔水性能相對不完全情況下，由于淺層潛水與承壓水的豎向水力聯(lián)系，在坑內對未隔斷承壓水進行降壓過程中，坑外承壓水和潛水水位也會隨之下降，進而對周邊環(huán)境造成沉降變形影響，因此對于對周邊環(huán)境變形極為敏感的深基坑工程，更應充分考慮不同工況條件下圍護結構的隔水性能。

（3）深基坑工程在設計和施工階段均應詳細分析不同工況條件下各層地下水的有效控制措施，在兼顧安全性、便利性和經濟性的條件下，以“分層控制”理念有針對性地制定地下水控制方法。

（4）深基坑工程實施過程中要密切關注地下水控制措施的實施有效性，及時分析地下水控制狀態(tài)[5]，并在出現異常情況時，保持足夠的敏感性，必要時果斷采取補救措施，確保深基坑施工安全。