多含水層地層45m級基坑承壓水控制設計與實踐*

宗露丹

(1.華東建筑設計研究院有限公司上海地下空間與工程設計研究院,上海 200011;2.上海基坑工程環(huán)境安全控制工程技術研究中心,上海 200002)

0 引言

城市地下空間的開發(fā)利用率已成為衡量城市現代化的重要標志,是世界性的城市發(fā)展趨勢。上海作為我國超大中心城市,其淺中層地下空間利用目前已逐漸趨于飽和,挖掘深層地下空間資源,提高城市土地利用率已成為上海城市綠色安全運營的戰(zhàn)略需求和必然趨勢。在此時代背景下,上海某重大科學裝置項目5號井工程挖深已突破45m,是目前上海地區(qū)最深的非圓形基坑工程[1]。

然而,上海地區(qū)地質條件為典型的濱海地貌單元,其淺部約30～40m深度為含水量高、抗剪強度低、具有流變特性的軟弱黏土層,而深部則分布有多層含承壓水砂層,砂層間或夾有相對隔水黏土層、或聯(lián)通分布。同時,上海作為開發(fā)成熟的特大城市,其地面建筑物密集、地下管線眾多、交通網絡縱橫,城市環(huán)境保護要求高。

面對如此復雜的地質條件和環(huán)境保護需求,挖深達45m級的基坑工程將面臨更深層的承壓含水層大幅度減壓降水需求,周邊環(huán)境承壓水降幅需嚴格控制。為解決濱海地貌地區(qū)超深基坑工程的承壓水控制難題,本文依托5號井作為工程背景,重點介紹深部承壓含水層水文特征參數研究、復雜多層承壓水的基坑隔-降-灌一體化設計、承壓水控制試抽水及正式運營效果驗證,為濱海地區(qū)類似超深基坑工程的承壓水控制設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑概況

上海某重大科學裝置項目由5座地下工作井、10條地下隧道和若干地上附屬設施組成,其中5號井為面積最大、挖深最深的矩形基坑,面積為4 535m2,平面尺寸為57.4m×79m,普遍區(qū)域挖深為42.1m,南側約900m2靶球落深區(qū)域挖深為45.45m。

5號井基坑周邊環(huán)境較復雜,基坑東側的500kV高壓鐵塔49號、220kV高壓鐵塔楊機15號、220kV高壓鐵塔峰龍58號距基坑分別約為58.2,80.1,116.4m,基坑西側的磁懸浮距基坑約91m,均采用樁基礎形式。其中磁懸浮基礎附加變形保護要求極其嚴苛,基礎總沉降控制值為2mm,相鄰墩柱不均勻沉降量控制值為1mm。

1.2 工程與水文地質條件

本工程地貌單元為長江三角洲濱海平原,受古河道切割影響,自地表至約45m深度范圍內為以流塑～軟塑填土、淤泥質黏土、黏土、粉質黏土為主的深厚軟弱黏土層,其下⑦2,⑨,⑾層為深厚的密實粉細砂層,標貫擊數分別約為58,82,105,⑦2與⑨層之間為⑧21粉質黏土與粉砂互層。土層物理力學指標如表1所示。

表1 土層物理力學指標Table 1 Properties of the soils

場地地下水有潛水和承壓水兩種類型。潛水含水層主要賦存于淺部軟弱黏土層中,水位埋深0.5～3.8m。深部為多層承壓含水層,包括賦存于第⑤2,⑤3a層的微承壓含水層,水頭埋深約5.6m,且⑤3a層大部分區(qū)域與第⑦2層聯(lián)通;深部第⑦2層、第⑨層、第層分別為上海地區(qū)第I,II,III承壓含水層,水頭埋深均約為9m,其中⑦2層與⑨層間分布有第⑧21層作為相對隔水層,⑨層與(11)層相互聯(lián)通,形成厚度達50m以上的巨厚承壓含水層。根據抗突涌穩(wěn)定性要求,需對開挖面直接揭露的⑤2層進行疏干降水,而深部分別相互聯(lián)通的⑤3a,⑦層及⑨,(11)層的水頭降深需求分別約為38～42m,12～18m。

2 現場抽水試驗及水文地質參數反演

上海軟土地區(qū)目前常規(guī)基坑挖深基本為30m以下,常涉及的承壓含水層主要為淺部微承壓含水層及⑦層第I承壓含水層,相應的水文地質參數已積累豐富的經驗[2-6]。本基坑挖深突破45m級,涉及深部⑨,(11)層即第II,III承壓含水層減壓降水需求。而深部承壓含水層水文地質參數取值經驗較缺乏,且砂層因取樣困難也無法獲得精確的室內滲透試驗參數,需通過現場抽水試驗結合數值分析方法反演獲得深部承壓含水層水文地質參數。

2.1 單井抽水試驗

試驗場地位于基坑南側坑外約50m處,分別針對⑨層和(11)層各布設2口抽水井,井位呈方形布置,井間距約為10m,且南側距基坑約12m處設置1口⑨層抽水井,分別開啟單口井進行抽水試驗。各抽水試驗井構造參數及抽水試驗過程如表2所示。

表2 抽水試驗井結構參數及抽水試驗過程Table 2 Parameters of well structure and process of pumping test

抽水試驗過程中,通過分別封堵試驗井5Y9-2,5Y9-3底部7m和3m長度的濾管,調整⑨層抽水井的濾管深度以了解⑨層深度方向的透水性變化。單井抽水試驗結果如表3所示。由表3可知,第⑾層抽水井單井出水量大,表明其承壓含水層富水性極強;⑨層隨濾管長度增加,抽水量變化較大,表明該層透水性呈淺部偏弱、深部偏強的垂向不均勻性。當⑨層單井抽水量較大時,⑾層觀測井水位降深明顯,反之亦然,表明⑨層與⑾層豎向水力聯(lián)系較強。結合⑨層滲透性分布特點,故初步確定第⑨層抽水井采用6m濾管減壓井,濾管深度位置76～82m。此外,可能受地層局部黏性土透鏡體分布所致,5Y9-1抽水井單井出水量相對偏小。

表3 單井抽水試驗結果Table 3 Results of single well pumping test

2.2 水文地質參數反演分析

通過對⑨和⑾層含水層分別進行單井抽水試驗后,根據現場多組單井試驗成果,考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點,借助Visual Modflow軟件建立三維數值模型,進行數值法反演分析,獲得深部承壓含水層水文參數。

數值模擬計算采用含水層三維模型,數值模型平面范圍以試驗區(qū)為中心,建模范圍為16km×16km;垂向深度為150m,根據實際地層分布情況設置。且根據試驗場地勘察靜力觸探成果,將模型中⑨層細分為⑨上和⑨下兩層,分界線深度視靜力觸探揭示成果相應調整取80～84m。由于抽水試驗區(qū)較小且抽水時間短,故將模型外邊界設為定水頭邊界。

利用各單井試驗數據進行模擬擬合分析,分別求解得到⑨層、(11)層的滲透系數及儲水率,以5Y9-2(13m長濾管)單井試驗結果擬合分析為例,計算所得的觀測井水位與實測水位隨時間變化關系對比如圖1所示,由圖可知兩者水位吻合度較好。

圖1 5Y9-2單井抽水試驗擬合結果Fig.1 Fitting results of 5Y9-2 single well pumping test

通過除5Y9-1外的6組單井抽水試驗數據擬合反演分析,并綜合考慮各組試驗數據的協(xié)調性和本工程水文地質特性,所得⑨層與⑾層含水層水文地質參數建議值如表4所示。

表4 單井抽水試驗反演分析所得水文參數Table 4 Hydrologic parameters from inversion analysis of single well pumping test

3 基坑圍護與降水一體化設計

3.1 基坑支護設計方案

基坑采用順作法方案,周邊圍護體采用1.2m厚地下連續(xù)墻,地下連續(xù)墻受力段入土深度為77.1～79.1m,受力段下方設置一定長度的構造配筋止水段形成懸掛帷幕,墻體分幅槽段之間采用套銑接頭。由于本基坑為軟土地區(qū)超深矩形基坑工程,深部巨大水土壓力導致超深地下連續(xù)墻墻身及接縫滲水風險大大提高,為提高帷幕體系止水效果的可靠性,在地下連續(xù)墻外側2.3～11m凈距范圍設置了0.9m厚、69m深的超深TRD工法水泥土攪拌墻止水帷幕,從而針對第Ⅰ承壓含水層、微承壓含水層及以上潛水含水層形成“地下連續(xù)墻+TRD”的雙帷幕止水體系。

基坑普遍區(qū)域設置9道鋼筋混凝土水平支撐,南側靶球落深區(qū)域設置局部第10道鋼筋混凝土支撐,支撐采用對撐、角撐結合邊桁架布置形式,混凝土強度等級均為C40。普遍區(qū)域支撐平面如圖2所示,基坑支護結構南北向剖面如圖3所示。

圖2 基坑支護結構平面布置Fig.2 Plan layout of foundation excavation supports structure

圖3 基坑支護體系剖面Fig.3 Profile of foundation excavation supporting system

3.2 分層減壓降水控制設計

對于5號工作井基坑而言,由于基坑開挖深度超深,涉及淺層潛水含水層疏干降水、中部及深部承壓含水層減壓降水需求。為此,本項目基坑地下水分層減壓降水控制設計原則主要分為3個階段。

1)第1階段疏干降水(針對①～⑤3層) 針對坑底以上潛水層,為保證基坑實施期間安全可控,布設疏干井將潛水疏干至各層開挖面以下,且潛水含水層以物理力學性質較差的軟流塑黏土層為主,宜至少保證20d以上的預抽水時間,增加坑內軟土層固結程度。

2)第2階段先減壓后疏干降水(針對⑤3a～⑦2層) 由于基坑開挖面已揭露⑤3a層,且地下連續(xù)墻受力段底部已隔斷⑦2層,故可采取先按需減壓后疏干的原則,最終把承壓水水位控制在坑底下1m。

3)第3階段減壓降水(針對⑨層) 對于深部第II承壓含水層,其滲透系數較大,降水漏斗平緩,需設置坑內減壓井,為減小坑內降深對坑外承壓水影響,應當按照“按需降壓”的原則,開挖至臨界開挖面后再開啟減壓井,同時需結合工程土層分布情況,設置隔斷或懸掛帷幕,減少坑外承壓水繞流對周邊環(huán)境造成的影響。

3.3 降水井布置及構造

根據地下水分層控制設計原則,基坑開挖面以上潛水含水層以黏性土為主,通過設置真空管井進行常規(guī)疏干降水;坑底下各承壓含水層降水方案則根據各土層出水量、滲透系數等水文參數,并結合現場單井抽水試驗成果、坑內減壓降水計算分析,針對各承壓含水層設置不同井深、濾管長度、井徑、孔徑的減壓井、觀測井,且在雙止水帷幕之間布設抽水井以滿足夾弄內應急降水需求,各類型降水井平面、剖面布置分別如圖2,3所示,構造參數如表5所示。

表5 降水井數量及構造Table 5 Number and structure of dewatering wells

3.4 懸掛帷幕深度比選優(yōu)化

由于第II和第III承壓含水層聯(lián)通,形成超50m厚的巨厚承壓含水層組,地下連續(xù)墻只能采用懸掛帷幕方式進入第II承壓含水層,因此需確定合理的插入深度,以確保坑內減壓的同時周邊環(huán)境影響可控。通過三維滲流模擬分析,在坑內各承壓含水層減壓降水深度滿足設計要求的基礎上,通過調整對比不同帷幕深度條件下的坑外環(huán)境尤其是磁懸浮的影響分析,根據坑外承壓水位降深減小幅度的變化規(guī)律,提出最佳的地下連續(xù)墻懸掛帷幕深度。

滲流分析模型以2.2節(jié)中模型為基礎,針對本工程平面布置范圍調整網格劃分,模型尺寸及定水頭邊界條件不變,并根據本工程范圍內的勘探資料,將模型中細分的⑨上和⑨下分界線深度取為80m。根據確定的第⑨層減壓井濾管底埋深82m,分別假定地下連續(xù)墻墻趾深度為85.8,87.8,89.8,91.8,93.8m,即對應帷幕相對減壓井濾管底懸掛長度分別為3.8,5.8,7.8,9.8,11.8m,進行降水模擬對比分析。以帷幕深度為89.8m為例,當⑨層降壓井運行100d且坑內水頭降深滿足減壓需求后,坑外主要建構(筑)物處水位降深垂向分布情況如圖4所示。距基坑5m處的最大水位降深為4.1m,西側三八河駁岸、磁懸浮處的最大水位降深分別為3.4,2.4m,東側的500kV高壓鐵塔49號、220kV高壓鐵塔楊機15號、220kV高壓鐵塔峰龍58號的最大水位降深分別為2.6,2.5,2.1m,且各鄰近建(構)筑物的最大水位降深均發(fā)生在埋深約90～92m附近的第⑨層中部。

圖4 減壓降水引起周邊環(huán)境降深垂向分布曲線Fig.4 The vertical distribution curve of surrounding environment with water reduction

根據周邊重要建(構)筑物相應的水位降深情況,進一步采用分層總和法預測周邊環(huán)境相應的沉降值。并根據本工程鄰近1號井水勘試驗場地內短期群井抽水引起的沉降變形特性及計算結果,將⑧21,⑨,(11)層的沉降計算修正系數分別取為0.24,0.16和0.18。計算所得的基坑周邊環(huán)境沉降值隨帷幕懸掛深度變化情況如圖5所示。

圖5 周邊環(huán)境沉降值隨帷幕增加的變化曲線Fig.5 Variation curve of surface settlement with the increase of water curtain length

由圖5可知,當止水帷幕深度從85.8m增加至89.8m時,最大水位降深及周邊環(huán)境沉降減小速率較大;而止水帷幕深度從89.8m增加至93.8m時,對應的環(huán)境保護對象處的水位和沉降變化速率趨緩,可見89.8m深度的止水帷幕為相對有效、合理、經濟的最優(yōu)解。

然而當止水帷幕深度為89.8m,磁懸浮最大沉降為4.6mm,已超出沉降控制值。但若通過加深帷幕使沉降控制在2mm以內,磁懸浮處降深要控制在1m以內,理論上帷幕深度應在105m以上,經濟造價將大大增加,故考慮在89.8m帷幕深度的基礎上,結合地下水回灌措施進一步控制磁懸浮沉降。

3.5 隔-降-灌一體化設計分析

為進一步控制磁懸浮沉降值,需在89.8m深懸掛帷幕基礎上進行隔-降-灌一體化設計,故考慮在距離磁懸浮17m處沿其平行方向每間隔12m布置1口回灌井,共設置9口回灌井及2口備用井。同時為增加回灌的影響范圍和深度、提高回灌效果,考慮回灌井濾管深度設計為69～82m,濾管上部進入⑧21層底部,同時對⑧21層、⑨層進行回灌。

當坑內⑨層減壓井開啟時,同時啟動所有坑外回灌井進行抽灌,動態(tài)運行100d后,由坑內各含水層降深情況可知,⑨層坑內水位降深為16.1m,滿足水位降深需求,坑外磁懸浮處降深為0.3～0.8m,0.5m降深影響范圍約750m。根據分層總和法計算所得的磁懸浮預估沉降約1.6mm,滿足變形控制需求。

4 基坑實施前試抽水試驗

為確定各類型降水井結構和井數量,復核數值分析反演水文地質參數可靠性,檢驗雙止水帷幕體系隔水效果,于基坑開挖前分別針對⑤3a～⑦2層、⑨層進行深部承壓含水層專項試抽水試驗,進一步分析坑內水位降深量及坑外環(huán)境影響程度。

4.1 坑內第⑤3a～⑦2層抽水試驗

坑內第⑤3a～⑦2層抽水試驗階段,開啟了編號5Y578-1～5Y578-4共4口坑內降水井,抽水周期為11.8d,總流量4.3m3/h,此后停抽水位恢復周期為1.9d。此外由于坑內抽水試驗之前,于雙帷幕之間開啟了2口⑤3a～⑦2層抽水井,抽水周期為6d、停抽恢復周期17d,在坑內抽水試驗階段,雙帷幕間水位未恢復,水位降深值約為35m。

抽水期間及停抽后各觀測井水位變化如圖6所示。由圖6可知,坑內抽降⑤3a～⑦2層承壓水期間,最大水位降深為35.6m,水位降至地表以下46.1m,位于坑底以下,滿足水位控制要求;坑內⑧21層水位降深為22.5m,降至地表以下33.20m。坑內抽水周期內,坑外⑤3a～⑦2層基本無水位降深變化,⑧21層水位最大降深0.3m;停抽2天后⑤3a～⑦2層水位基本無恢復,⑧21層水位僅恢復1m,整體恢復速率極緩慢。可見雙帷幕體系止水效果良好,且⑤3a～⑦2層垂向層間越流補給較少,⑧21相對隔水層的豎向滲透系數較小。

圖6 坑內⑤3a～⑦2層抽水觀測井水位歷時曲線Fig.6 Duration curve of observation wells’ water level of ⑤3a～⑦2 layers

4.2 坑內第⑨層抽水試驗

坑內第⑨層抽水試驗階段,開啟了編號5YB9-1～5YB9-2共2口坑內降水井,抽水周期為1d,總流量140m3/h,此后停抽水位恢復周期為1d。

抽水期間及停抽后各觀測井水位變化如圖7所示。由圖7可知,坑內抽降⑨層承壓水期間,坑內⑨層觀測的最大水位降深為18.5m,水位降至地表以下25.0m,可滿足⑨層水位控制要求。坑內抽水周期內,坑外及磁懸浮處水位基本在抽水井運行12h后趨于穩(wěn)定,坑外⑨層最大水位降深0.6m,坑內外承壓水水位降深比1∶30,磁懸浮處降深最大為0.36m。停抽后水位恢復速度較快,坑內水位10min恢復25%,30min恢復68%,1h恢復86%。可見89.8m長度的懸掛帷幕隔水效果良好,且第⑨層滲透系數較大,水量補給迅速。

圖7 坑內⑨層抽水觀測井水位歷時曲線Fig.7 Duration curve of observation wells’ water level of layer ⑨

5 承壓水控制正式運行及效果分析

5.1 淺部⑤3a～⑦2層承壓含水層降水效果

基坑自開挖至第5皮土方開始陸續(xù)開啟2口坑內⑤3a～⑦2層減壓井,且由于夾弄試抽水試驗發(fā)現地墻存在局部滲漏,故為減少基坑滲漏水風險,同步陸續(xù)開啟2口夾弄內⑤3a～⑦2層減壓井,形成夾弄內及坑內的階梯式水頭差。坑內、夾弄內的單日抽水量分別為30.1,38.7m3/d。

基坑實施期間,坑內、夾弄內、坑外的⑤3a～⑦2層承壓水水位變化如圖8所示,由圖8可知,在開啟減壓井之前,因前期夾弄內、坑內試抽水試驗產生的水位降深逐步恢復,且夾弄內恢復速率相對緩慢。此后,隨坑內、夾弄內⑤3a～⑦2層減壓井逐步開啟,坑內、夾弄內、坑外的⑤3a～⑦2層最大水位降深值分別為46.0,42.9,1.7m,水位降深比為27∶25∶1,驗證了TRD止水帷幕作為第2道隔水防線的封閉性、可靠性、必要性。

圖8 基坑實施期間坑內外⑤3a～⑦2層水位變化時程曲線Fig.8 The variation curve of observation wells’ water level of ⑤3a～⑦2 layers during foundation excavation implementation

5.2 深部⑨層承壓含水層降水效果

基坑開挖至第9皮土方時開始陸續(xù)開啟4口坑內⑨層減壓井,坑內平均單日抽水量約5 862m3/d,可見由于⑨層承壓含水層滲透性好、水量補給豐富且基坑止水帷幕采用懸掛帷幕形式,故而⑨層抽水量較其上覆承壓含水層明顯偏大。

基坑實施期間,坑內、夾弄內、坑外的⑨層承壓水水位變化如圖9所示,由圖9可知,隨減壓井開啟,坑內水位降深迅速增加,坑內、夾弄內、坑外的⑨層最大水位降深值分別為42.0,2.6,1.3m,水位降深比約為32∶2∶1,磁懸浮處水位降深僅約0.8m,表明89.8m深的地下連續(xù)墻針對⑨層懸掛隔水效果十分理想,有效阻隔了坑外⑨層水位的下降,為基坑周邊環(huán)境保護提供了堅實的保障。此后,在基坑回筑拆除第5道支撐階段,陸續(xù)停抽減壓井,水位降深則迅速恢復。

圖9 基坑實施期間坑內外⑨層水位變化時程曲線Fig.9 The variation curve of observation wells’ water level of layer ⑨ during foundation excavation implementation

5.3 磁懸浮基礎沉降控制效果

基坑實施期間的西側磁懸浮柱墩基礎沉降量、前后鄰近承臺柱墩差異沉降的歷時分布曲線如圖10所示。由圖10可知,磁懸浮各柱墩沉降量、相鄰柱墩的差異沉降量均較小,最大沉降量僅0.8mm、最大差異沉降僅0.7mm,可見基坑實施過程對磁懸浮結構影響很小,滿足其正常運營需求。

圖10 磁懸浮基礎沉降歷時曲線Fig.10 Settlement duration curve of magnetic levitation foundation

6 結語

基于工程場地水文地質特性復雜、基坑承壓含水層降深幅度大、鄰近環(huán)境保護對象敏感等降水設計重難點,本文分別就基于現場抽水試驗的深部承壓含水層水文地質特性研究、滿足坑內降水需求的地下水分層減壓控制設計原則及雙帷幕體系、減少坑外水位降深影響的隔-降-灌一體化承壓水控制設計、基坑承壓水試驗試運行及正式控制運行的實施效果進行了系統(tǒng)研究。

1)根據現場水文勘察試驗可知,深部⑨層與⑾層相連通形成承壓含水層組補給豐富且滲透系數較大,⑨層垂向土性及水量補給較不均勻,⑨層與⑾層豎向水力聯(lián)系較強,基于反演分析獲得了⑨層與⑾層含水層水文地質參數建議值。

2)針對淺部潛水含水層、中部第I(微)承壓含水層及深部相連通的第II、第III承壓含水層,提出了承壓水分層減壓降水控制設計原則:第1階段疏干降水(針對①～⑤3層)、第2階段先減壓后疏干降水(針對⑤3a層～⑦2層)、第3階段按需減壓降水(針對⑨層)。

3)通過三維數值模擬分析對比不同止水帷幕深度條件下的周邊環(huán)境水位降深及預估沉降分析,明確89.8m深懸掛帷幕為相對有效、合理、經濟的最優(yōu)解。為進一步控制鄰近磁懸浮沉降值,結合隔-降-灌一體化分析,在89.8m深懸掛帷幕基礎上于磁懸浮沿線布設一定數量的回灌井。

4)基坑開挖前進行坑內承壓含水層抽水試驗,試驗結果表明雙帷幕體系隔水效果良好,滿足設計需求。基坑正式開挖期間,雙帷幕隔斷的第Ⅰ(微)承壓含水層坑內外水位降深分別為46.0,1.7m,懸掛式帷幕遮攔的第II承壓含水層坑內外水位降深分別為42.0,1.3m,磁懸浮處的水位降深僅0.8m,可見坑內承壓水降水及隔水帷幕設計既保證了基坑實施階段的抗承壓水突涌穩(wěn)定性安全,又有效控制了抽降承壓水對磁懸浮基礎及線路的影響。