城市復雜環境富水砂層盾構接收井深基坑降水實驗研究與分析

吳爍

摘 要：盾構豎井是盾構隧道工程建設的重難點，特別是在復雜城市環境下，要確保周圍城市地鐵、高速鐵路等建（構）筑物的正常運營，必須嚴格控制基坑降水對周圍地表的沉降影響。以上海市域線區間盾構接收井深基坑為工程背景，根據工程面臨的具體疑難，提出針對性的降水設計方案，并采用抽水試驗結合數值模擬的手段對降水方案進行驗證，研究結果可為類似工程提供一定的參考價值。

關鍵詞：城市盾構;深大基坑;降水方案設計;抽水試驗;數值模擬

中圖分類號：U455.49文獻標識碼：A文章編號：2096-6903（2022）08-0040-04

0引言

盾構以其快速、安全、穩定、適合大斷面隧道施工、對地表沉降控制精度高、無需用氣壓法施工等優點廣泛適用于城市隧道的施工[1]。而始發井、接收井的施工往往是盾構工程的重點難點，特別是在復雜周邊環境情況下，必須嚴格控制基坑施工對周圍環境的影響，尤其是基坑降水對周圍構筑物的沉降影響[2]。由此，研究復雜環境下基坑降水技術具有重要意義。

國內外學者對基坑降水技術展開了大量研究。定培中等[3]對比了多種基坑降水方法，研究發現傳統的降水方法都能很好地解決深大基坑的降水問題，降水施工方案的設計離不開對基坑地層參數的準確把握;游洋[4]采用數值模擬的方法研究了深基坑降水技術;駱祖江[5]以某塔樓深基坑為依托工程，借助現場原位測試對模型參數進行了校正，優化了深基坑降水設計和施工方案。

綜上，國內外學者對深基坑降水技術的研究上取得了顯著的成果[6]，但對復雜環境下城市盾構深大基坑的降水技術研究還較少。以上海市域線區間盾構接收井深基坑為工程背景，根據工程具體疑難，提出針對性的降水設計方案，并采用抽水試驗結合數值模擬的手段對降水方案進行驗證，研究成果可為類似工程提供參考價值。

1工程簡介

2#風井位于七寶站至華涇站區間，為盾構接收井兼中間風井（如圖1所示）。基坑長30.4 m，寬25.4 m，深30.218 m，圍護結構采用1.5 m厚地下連續墻，地下連續墻深64 m，未隔斷承壓水層。基坑墻縫止水措施加強為直徑2400 mm的RJP高壓旋噴樁，在地墻墻趾處設置6 m厚N-jet人工隔水層進行封閉式降水，降低坑內降水對坑外水位影響，沿基坑深度共設置8道支撐。

1.1 工程地質條件

2#風井位于上海市中西部，屬濱海平原地貌類型。據鉆孔勘察，基坑從上至下地層依次為人工填土、粉質粘土、灰色粘土、灰色粉質粘土、草黃色粉質黏土、灰黃色粉砂夾粉質黏土、灰色粉砂等，基坑底部位于⑦1層粉砂夾粉質粘土層。（基坑地質剖面如圖2所示）

1.2 水文地質條件

擬建場地揭露的地下水類型為賦存于淺部土層中的潛水以及中下部粉砂中的承壓水。基坑下部承壓水層分布比較均勻，⑦1層粉砂夾粉質粘土、⑦2層粉砂，兩者相互貫通，可視為同一承壓含水層，基坑底部位于⑦1層粉砂夾粉質粘土層之中，承壓含水層力學參數如下表1所示。根據水位監測，第⑦層承壓含水層初始水位絕對標高約為-0.86 m，承壓水水初始水位約在地下6.04～6.62 m。從安全角度考慮，降水設計時，第⑦層承壓含水層初始水位按地下以下6 m計算為宜。

2 工程難點分析

2.1 承壓含水層突涌風險與防治

據水文地質專項勘察報告，本工程下部⑦2層不滿足基坑抗突涌驗算要求。需要對承壓含水層進行降水處理，水位應維持在地下30.69 m，相應降水幅度約為24.69 m，需考慮對該含水層進行封閉式減壓降水。

針對承壓含水層于坑內單獨布設降壓井，降壓井按照降壓幅度，在滿足坑內降深需求的同時，盡量縮短濾管長度，井深不進入N-JET封底隔水層。同時于坑內布置一定數量的觀測兼備用井。坑內布設2口降壓井，井深48 m，5口坑內備用兼觀測井，井深45 m和56 m;同時考慮到N-JET封底隔水層存在失效的風險，在坑外布置針對N-JET隔水層和止水帷幕的備用兼觀測井，觀測N-JET和止水帷幕深度范圍內水位的靈敏度，以便及時發現問題并準備應急措施。

2.2 富水淤泥質粘土降水控制

本工程開挖較深，基坑底板位于⑦1層粉砂夾粉質粘土層，開挖范圍以粘土為主，該基層滲透性差，壓縮性高，為軟弱土層。若不采取措施降低土層含水量，將造成開挖面軟弱，滯水等不良現象，影響開挖面上的施工，較大的含水量也使得土體自立性差，影響開挖效率。由此可考慮采取以下解決方案：

疏干井和降壓井分開布置，疏干井主要針對上部潛水含水層，為避免疏干井揭穿承壓含水層，引起承壓水沿著疏干井突涌的問題，疏干井的深度應與承壓含水層保持一定的安全距離。疏干井數量按200平方一口布置。配置雙路電源或備用發電機，確保后期抽水持續性;各區段前期成井后，需進行降水驗證試驗，檢驗降深效果，細化降水方案。

2.3 復雜周邊環境沉降精準控制

擬建場地西側約26.3 m為滬杭高鐵線，其為地面高架線路，工程周邊環境等級為一級，對沉降變形控制要求為2 mm。解決方案如下：

本工程雖有N-JET水平封底作為隔水層隔斷承壓水，但考慮到坑內承壓水降深幅度較大，同時N-JET封底效果存在一定的不確定性，故在坑外高鐵一側針對承壓含水層單獨設置若干口應急回灌井，平均間距15 m，在基坑開挖前進行降水驗證試驗，判定坑內抽水對坑外的滲流影響，提前做好風險評估，及時掌握坑內外承壓水頭差異，且在必要時能夠作為回灌井使用。

在布置回灌井一側布設一定數量的觀測兼備用回灌井。施工過程中，需密切關注坑內抽水對坑外水位的影響，實時監測坑外不同含水層的水位變化。

3實驗及結果分析

3.1 試驗井選擇

試驗根據現場實際情況選擇坑內井為Y1～Y2、YG1～YG5，坑外觀測井為HG1～HG10、BG1～BG2、GW1～GW4。降壓井性質一覽表如表1所示，試驗井平面位置圖見圖3所示。

疏干井布設。為保證施工安全，基坑開挖前需采用疏干井降低地層含水量。原則上疏干井濾管不應進入⑦層承壓含水層，考慮到第⑥層粉質粘土為硬土層，所以將疏干井的濾管底設在⑥1層層頂處，疏干井深度為25 m。

降壓井布設。影響本工程的承壓含水層主要為⑦2層承壓含水層。該層層厚度較大，圍護結構未將其隔斷，地墻墻趾處設置有5 m厚N-Jet隔水層，考慮在坑內布設減壓降水井進行封閉式降水。考慮到⑦層降水需降到坑底以下1 m，根據類似項目工程經驗，結合水勘試驗成果，考慮到地層擾動，本工程降壓井的井深設為48 m，濾管長度為15 m。

坑內觀測兼備用井布設。工作井中布置5口觀測兼備用井。井的四邊且靠近支撐的地方均勻布設4口觀測兼備用井，用以觀測坑內降水薄弱位置的水位;工作井中心處布設1口觀測兼備用井。針對N-Jet布設井深為45 m、56 m的兩種觀測井，濾管長度均為12 m。

坑外觀測兼備用井井布設。本工程下伏含水層較厚，⑦2層滲透性較大，地墻及水平封底的質量是決定本次基坑降水效果的關鍵因素之一。分別針對地墻及封底層布設深、淺不同類型的坑外觀測井。其中41 m井2口，64 m井及 71 m井各1口。

坑外應急回灌井布設。坑外應急回灌井井布設原則如下：對于⑦2層承壓含水層共布設10口坑外應急回灌井，布設在靠近高鐵一側，平均井間距15 m，井深53 m;布設2口坑外觀測兼備用回灌井，井深53 m。在基坑開挖前進行群井驗證試驗，檢驗帷幕防滲質量，根據試驗結果及時采取相應補漏等措施。

3.2 實驗及分析

試驗前對試驗井點進行了水位觀測，初始水位如表2所示。

降水實驗降壓井所用水泵為功率5.5 kW，額定出水量25 m³/h的QJ型潛水泵，水泵下深至43～45 m。

采用Y1～Y2作為抽水井，抽水歷時35.1 h，Y1出水量約為219 m³，平均流量約為6.24 m³/h，Y2出水量約為309 m³，平均流量約為8.80 m³/h， YG1～YG3、YG5，坑外HG1～HG7、HG9～HG10、BG1、GW1～GW4作為觀測井。

群井抽水后，流量隨抽水時間整體呈逐步減小的趨勢。開始第一小時流量為15.7～18.9 m³/h，往后逐漸減小至4.5～5.5 m³/h。抽水后坑內外水位變化如圖4、5所示。

由圖4可以看出，隨著抽水時間的增長，坑內水位明顯下降。抽水10 h左右，坑內水位下降速度較為明顯，隨著持續抽水，下降速度減緩。隨著抽水時間的增長，坑外略有下降。

降壓井停抽后，對坑內⑦層井恢復試驗，恢復試驗歷時34.5 h，坑內各層井水位恢復曲線如圖6所示，恢復速率如圖7所示。

降壓井抽水試驗恢復階段，經過30 min水位恢復后，坑內井水位恢復了0.4%～1.3%，經過60 min坑內井水位恢復了0.9%～2.5%，經過5 h坑內井水位恢復了6.3%～10.3%，經過12 h坑內井水位恢復了14.4%～19.6%，經過18 h坑內井水位恢復了19.3%～23.4%，經過24.5 h坑內井水位恢復了25.4%～26.9%，經過34.5 h坑內井水位恢復了36.1%～38.6%。恢復速率較慢，恢復程度較低。

4結語

4.1 結論

以上海盾構接收井深基坑為工程背景，根據工程具體疑難，提出了針對性的降水設計方案，同時采用抽水試驗結合數值模擬的手段對降水方案進行驗證，得到了以下結論：

第一，坑內Y1、Y2抽水35.1 h，坑內水位明顯下降，下降趨勢隨時間逐漸減緩。坑內⑦1層、⑦2層混合觀測井YG1、YG3、YG5靜水位埋深為31.94～32.10 m，滿足基坑開挖至底時⑦1層水位31.20 m的控制要求;坑內⑦2層觀測井YG2靜水位埋深為32.09 m，滿足基坑開挖至底時⑦2層水位25.4 m的控制要求。

第二，抽水過程中，坑外各承壓水位觀測井下降幅度為0.04～0.18 m，最大降深為GW1（深度41 m）——0.18 m，位于基坑西側。坑內水位在滿足安全水位控制要求的情況下，坑外各觀測井整體下降量較小。基本判定坑內外承壓水沒有聯通，地連墻及封底加固共同形成的止水體系整體起到了較好的封閉效果。

第三，坑內抽水35.1 h后停抽恢復，坑內觀測井水位恢復速率比較平穩，總體水位恢復速率慢，恢復程度較低。

4.2 建議

正式降壓時切實做好按需降壓，并密切關注周邊環境問題。基坑開挖至臨界深度前一周，應加強對承壓含水層初始水位的觀測，并根據后期實測的承壓初始水位調整降壓運行工況。

基坑開挖前期及開挖過程中，應提前排摸止水質量并加強過程監測，對潛在的滲漏點需及早處理。根據現階段坑內水位恢復速率，建議在停電30 min內需完成供電恢復。

基坑面積小，但基坑風險較高，周邊環境控制要求高，基坑外布設了應急回灌井，必要情況下可進行常壓回灌，從而減小降水對周邊環境的影響。

參考文獻

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