跨海隧道深基坑穿越臨海斷裂帶處理方案優化

2022-07-01 06:04:10萬波

城市道橋與防洪 2022年4期

萬波

（上海隧道工程有限公司，上海市 200032）

0 引言

隨著城市建設的不斷發展，可利用的土地資源日益減少，越來越多的土地開發轉向臨海地區，而以臨海區域大規模地下交通改善城市交通已成為一種必然[1]。在這一背景下，對斷層碎裂帶地區進行超深基坑施工難以完全避免。針對此類特殊地層條件下開挖深基坑，防止開挖過程中出現涌水、涌砂，甚至坑底突涌，確保基坑安全，減小對周邊環境的影響是目前基坑工程設計施工中面臨的一大難題[2]。

本文以媽灣跨海通道某盾構始發井為例，闡述在破碎帶地層實際施工中，如何結合基坑的現場情況，對基坑防涌水措施進行設計、優化，為今后類似工程提供指導和借鑒。

1 工程概況

媽灣跨海通道某盾構始發井距離前海灣約180 m，位于臨海大道與媽灣大道交叉口北側。工作井采用明挖順作法，基坑里程K 2+126—K 2+282,基坑長156 m，寬46.2～58.5 m，深28.4～40.1 m，開挖土石方量約281 000 m3，圖1 所示

圖1 工作井位置圖

基坑深度范圍存在填石、淤泥、砂層、黏性土、全～微風化巖層，采用1.2 m厚地下連續墻的圍護形式，墻深隨地質條件和開挖深度漸變，深度40.25～44.37 m之間，最深處進入微風化約16 m，槽段間接頭洞門圈位置采用銑接法接頭，其他位置采用H 型鋼接頭。支撐采用鋼筋混凝土，最深處設置有8 道支撐，如圖2 所示。

2 工程水文、地質條件

2.1 地質條件

根據勘察報告，本工程場地勘察深度范圍內主要分布巖土層從上至下依次為：人工填土，第四系全新統海陸交互沉積淤泥，全新統沖洪積黏土、中粗砂，上更新統湖沼沉積淤泥質黏土，沖洪積細砂（含淤泥）、黏土、粗砂，中更新統殘積砂質黏性土、構造巖及全～微風化薊縣系的混合花崗巖，見圖3。

圖3 工程地質斷面圖

根據詳勘結合補勘、工程物探資料以及區域地質資料對F1 斷裂帶描述如下：

（1）該段為盾構始發井明挖基坑，主要地層為人工填土、第四系全新統海積層淤泥、全新統沖洪積層黏土、中砂、中更新統殘積層砂質黏性土、薊縣系變質巖混合花崗巖的全、強風化層。

（2）位于線路K 2+160—K 2+270 盾構始發井明挖基坑范圍內斷裂F1 隸屬于蛇口斷裂帶，走向北西30°～44°，傾向南西，傾角約65°～70°，影響寬度約10～20 m，以壓扭性為主、局部反扭。巖體在斷裂影響范圍內，巖性體現為構造破碎帶、碎裂巖，構造裂隙等特征，其多為壓扭閉合裂隙；由于反扭作用，可能存在少量微張裂隙。前者透水性較弱，后者透水性相對來說較強[3]。

（3）基坑開挖后，由于地下連續墻阻隔，地下水主要為基巖裂隙水，賦存于中風化帶及構造碎裂巖中，其滲透性受巖體完整性、斷裂構造影響，體現為各向異性。勘察期間未發現地下水涌出孔口等水位異常現象，該區段地下水性質為微承壓[4]。

（4）根據注漿加固先導孔地層揭露情況，推測了受斷裂（F1）影響的大致平面范圍和鉆孔影響深度范圍，見圖4、圖5。

圖4 斷裂帶平面范圍

圖5 斷裂帶1-1 縱斷面圖

2.2 水文條件

根據工程勘察資料，場區內地下水分為上層滯水、孔隙承壓水和基巖裂隙水三種。第一種為上層滯水：主要賦存表層素填土、填砂、填石層中，水量小，主要靠大氣降水補給，水位因季節、降雨情況而異。第二種為孔隙承壓水：主要賦存于第四系全新統沖洪積細砂層，第四系上更新統沖洪積粗砂及礫砂層中，主要靠大氣降水補給，具承壓性，與海水有一定的水力聯系，孔隙承壓水水位高程為0.2 m，水位變幅為2～5 m。第三種為基巖裂隙承壓水：主要賦存于基坑范圍內的斷裂帶中，水位高程為-0.5 m，水位變幅為1～3 m。

3 斷裂帶處理方案選擇

根據媽灣跨海通道工程勘察成果等相關資料揭露的情況，對K 2+160—K 2+270 段斷裂F1 工程地質條件得到進一步結論如下：

斷裂（F1）構造裂隙多為壓扭閉合裂隙，透水性較弱，僅局部出現張裂隙，透水性相對較強，結合相關工程經驗，出現“形成承壓水滲透通道”情況可能性甚微。所以，考慮將原設計注漿方案變更為僅采用降水方式進行基坑開挖。

3.1 原設計方案

根據詳勘報告中對于斷裂帶的平面位置、范圍、滲透系數、水頭高度的描述，為防止基坑開挖期間由于斷裂帶水量及壓力過大出現坑底突涌等風險，原設計方案是在基坑內的斷裂帶范圍內進行帷幕注漿，注漿平面范圍為斷裂帶平面范圍，注漿深度為基坑底至斷裂帶底部以下1 m，如圖6、圖7。

圖6 帷幕注漿布置范圍

圖7 帷幕注漿橫斷面

注漿相關設計參數詳見表1。

表1 帷幕注漿參數表

根據設計圖紙要求，帷幕注漿先施工先導孔，先導孔按三角形布置，排內孔距為16～24 m。先導孔施工完成后，及時將先導孔探查的斷裂帶分布情況反饋給勘察單位和設計單位，然后設計單位根據勘察單位確認的斷裂帶分布動態布置注漿鉆孔，再實施注漿。

圖8 帷幕注漿施工流程

3.2 優化后方案

（1）設計原則

根據斷裂帶情況擬采用加深F1 構造斷裂帶范圍內疏干井深度進行疏干降壓的處理方式，其中K 2+120—K 2+160 段地墻未隔斷基坑內外基巖裂隙水，且中風化帶與斷裂帶存在一定的水力聯系，易形成補給通道，故此區域坑內疏干井深度以揭穿中風化巖進入下部⑩4 微風化基巖面頂部控制，以降低基巖裂隙水向坑內的徑流補給。并在斷裂帶區域基坑內增加備用兼觀測井，加強抽水，降低斷裂帶基巖裂隙水至基坑開挖面以下。

（2）設計方案

a.降水井數量及深度

經勘查先導孔確認，東側地墻已隔斷斷裂帶，西側地墻未完全隔斷斷裂帶，根據上述設計思路，設置基坑內斷裂帶降水井，共14 口，其中12 口為混合井，2 口為降壓井；基坑外斷裂帶降水井共設置7 口，6 口位于基坑西側，1 口位于東側，都為降壓井，如圖9 所示。坑內斷裂帶降水井深度為進入底板以下5 m或到斷裂帶底。坑外斷裂帶降水井深度為進入地墻底以下5 m。

圖9 斷裂帶降水井平面布置圖

b.降水井結構

混合井除底部1 m與頂部2 m為實管外，其他范圍均為濾管，同時作為降坑內地層潛水與基巖裂隙水的作用。降壓井除在斷裂帶范圍內為濾管外，其他范圍均為實管，僅作為降斷裂帶基巖裂隙水使用，如圖10 所示。

圖10 斷裂帶降水井縱斷面示意圖

3.3 優化方案數值模擬分析

本工程圍護結構對地下水具有繞流作用，滲流條件復雜，解析公式已無法滿足計算要求，而數值法通過程序化運算可模擬不同復雜條件下的地下水流狀況，能有效解決因隔水帷幕對地下水流動造成的影響。本次利用《V isualM odFlow》軟件，建立本工程地下水三維滲流數值模型，對降水進行計算分析。

（1）模型建立及網格劃分

根據已有的巖土工程勘察報告、水文地質條件、鉆孔資料，本次以基坑各邊向外擴展約500 m作為本次的模擬邊界，模擬范圍為2 000 m×2 000 m。剖面上，利用勘探鉆孔資料，將場區在垂向上概化為10個模擬層，見圖11。

圖11 地層剖面分層示意

對研究區進行三維剖分，將其劃分為規則的40×40 有限差分網格。為了取得更精細的模擬結果，對包含擬建基坑的敏感區網格進行加密剖分。最終將研究區在平面上剖分為192×216 個網格單元，見圖12。

圖12 網格劃分示意圖

（2）參數設置

a.地層滲透系數

地下水流數學模型涉及的模型參數主要為滲透系數（K xx、K yy、K zz），其值的大小直接決定概念模型與實際水文地質模型的擬合程度以及基坑涌水量預測的大小。各地層滲透系數如表2。

表2 模型參數取值表

b.地下連續墻

地下連續墻在模型中可利用Wall模塊表示，可設置墻的厚度及滲透性能，以賦予墻體滲透性，模擬墻體可能出現的滲漏，地墻模型如圖13。

圖13 地連墻三維立體概化圖

c.模型抽水井及觀測井設定

按照降水方案中降水井的剖面構造對模型的抽水井進行設定，共設置坑內抽水井43 口，坑外6 口。模型抽水井和觀測井的平面位置見圖14，單井抽水速率設定為48.0 m3/d。

圖14 模型抽水井及觀測井平面布置

d.邊界條件

場地周邊為大海，海水與地下水存在直接水力聯系，為定水頭補給邊界。根據地勘資料、對各土層分別根據經驗賦予其不同的初始水頭埋深，具體如下表3。

表3 各地層初始水頭參數

（3）模型計算結果

在上述條件設定及其他各項模型條件設定完成后，選擇適當的求解引擎運行并輸出可視化結果。本次模擬了在擬建項目基坑內設置43 口降水井同時運行30 d 的工況，模擬結果如下：

a.在持續抽水7d 后，基坑內斷裂帶處的水位降深為30.0～35.0 m，對應水位埋深約為35.0～40.0 m；在持續抽水30 d 后，基坑內斷裂帶處的水位降深為35.0～40.0 m，對應水位埋深約為40.0～45.0 m。具體見圖15。

圖15 數值模擬水位降深等值線圖

b.在持續抽水7 d、30 d 后，將觀測井O B 1、O B 2的測壓水頭統計如表4，水頭下降曲線如圖16。

圖16 觀測井OB1、OB2 水位降深曲線

c.在持續抽水30 d 后，受降水影響基坑外地表沉降約為0.0～5.5 mm，如圖17。

圖17 抽水30 d 坑外地表沉降

綜上，根據數值模擬結果降水深度以及地表沉降可以滿足規范要求，方案初步具備可行性。

3.4 降水實驗驗證

（1）靜水位觀測

根據靜止水位觀測結果，試驗前混合水靜止水位埋深為4.31～6.03 m，相應標高為+0.37～+0.83 m。試驗前斷裂帶基巖裂隙水靜止水位埋深為4.90～7.14 m，相應標高為-0.35～-0.92 m。

表5 靜止水位觀測結果統計表

（2）單井降水實驗

a.抽水約18 h，抽水井水位穩定在29.7 m，水位降深25.05 m,實際出水量約1.7 m3/h,觀測井水位下降1.0 m。

b.停止抽水約2 h 后，抽水井水位恢復上升15.5 m，觀測井水位恢復上升75 cm，水位恢復比較迅速；停止抽水約24 h 后，抽水井水位基本恢復至初始水位，如圖18 所示。

圖18 單井實驗井位

（3）群井試驗

a.抽水歷時約4 d，24 口抽水井水位降深基本穩定，抽水歷時約10 d，觀測井水位基本穩定，J1-22水位降至28 m，J1-10 水位降至27 m。

b.停止抽水約2 h 后，抽水井水位平均恢復上升約5 m，水位恢復比較緩慢；停止抽水約24 h 后，抽水井水位基本恢復穩定，水位穩定在地面以下22 m，如圖19 所示。

圖19 群井實驗井位

（4）結論

根據單井降水實驗以及群井降水實驗結果，斷裂帶補水速度相對緩慢，同時僅采取降水井的方式可以有效的將坑內水位下降，降水方案技術上基本可行。

3.5 方案工期成本對比分析

經對比分析（見表6），工期成本優化后方案具有顯著優勢，同時，數值分析結合前期現場情況，優化后方案具有可行性，后續現場決定采取優化后方案。

表6 工期成本對比表

4 現場實施效果

4.1 工期分析

施工機械設備選用工程鉆機及其配套設備。成孔時采用反循環回轉鉆進成孔工藝。具體施工過程如圖20 所示，根據現場統計數據，成井平均工效為19 h/口，斷裂帶內全部降水井施工總計45 d，比計劃工期多17 d，但比原方案計劃工期節約50 d，施工過程詳見圖20。

圖20 成井現場照片

4.2 降水效果分析

（1）開挖前群井實驗

a.觀測井水位

由于現場施工進度與數值模擬時有所出入，進而現場降水井開啟數量需根據實際開挖深度以及現場情況綜合確定，導致觀測井水位在降水同等天數時水位有所卻別，但可以發現在降水井全面開啟時，觀測井J1-22 水位基本與數值模擬結果吻合。J1-22與數值模擬結果偏差相對較大，主要是該處地墻未完全隔斷地下水，補水速度相對較快，導致在數值模擬中未能有效模擬，具體見圖21。