寧波軌道交通某車站深基坑工程承壓水降壓抽水試驗及數值模擬

張國良

（中鐵十三局集團第三工程有限公司，124021，盤錦，遼寧省∥工程師）

寧波軌道交通1號線一期工程某車站位于中山東路下，為地下三層島式車站。車站為雙柱3跨結構，長為172 m，寬為19.3 m，站臺中心處基坑最大開挖深度約24.4 m，標準段基坑深度為22.3～22.6 m，端頭井基坑深度為23.96 m。圍護結構采用1 000 mm厚的地下連續墻，在西端站臺處插入深度約42.0m（位于⑤5層砂質粉土層底部），在標準段插入深度約40.0m（位于⑤5層砂質粉土層），在東端頭井插入深度約43.0m（位于⑥2層粉質黏土層頂部）。地下連續墻穿越主要地層的物理力學指標見表1所示。

本工程主體結構的基坑采用6道支撐系統，首道為鋼筋混凝土支撐。下二層板采用逆作法施工，在下二層板及坑底采用抽條加裙邊進行加固。

試驗井所處地質及水文地質條件復雜，周邊環境復雜，能否安全解決承壓水問題并有效控制對環境的影響，是本工程設計及施工的關鍵因素之一。

1 車站基坑突涌穩定計算

基坑開挖范圍內（①1－1層—⑤2層）多以淤泥質及軟塑狀土層為主。根據巖土工程勘察報告和設計圖紙，基坑坑底進入④2層粉質黏土底部，其下部第⑤3、⑤5層的承壓水有突涌的可能性。采用安全系數法對不同開挖深度的基坑進行安全突涌可能性計算，計算結果見表2。

根據計算結果，在基坑開挖過程中，第⑤3、⑤5層承壓含水層會對車站主體結構開挖有影響，可能造成突涌現象。為確保基坑施工安全，需對其進行減壓處理。為有效控制地下水及減小降水對周邊環境的不利影響，需要準確分析本工程場地的水文地質特征，對承壓含水層進行專項承壓水抽水試驗。

2 抽水試驗過程及分析

抽水試驗利用基坑內已有降水井進行，編號為J1—J6、JG1、JG2，共有8口試驗井，另外還有坑外觀測井G1、G2。抽水試驗井位置見圖1，試驗井結構見圖2。結合承壓含水層第⑤3、⑤5層單井涌水量小且降深較大，本試驗進行單落程非穩定流抽水試驗。

表1 地下連續墻穿越土層的主要物理力學指標

表2 基坑突涌可能性計算表

先采用單孔抽水試驗，通過其它孔觀測承壓水水頭，以進行非穩定流抽水試驗，獲取水文地質參數。

當單孔抽水試驗結束后，水位完全恢復時，進行4組群井抽水試驗。群井抽水試驗分為2口井試驗、3口井群井試驗和6口井群井試驗，并通過觀測井觀測基坑內外水位變化情況。

圖1 抽水試驗井布置示意圖

圖2 抽水試驗井結構示意圖

2.1 單井抽水試驗

根據單井抽水試驗獲得的曲線（見圖3所示），利用Aquifer test抽水試驗軟件，對試驗期間的數據進行參數求解，求得第⑤3、⑤5層滲透系數約3.74×10－4cm／s，貯水系數為2.97×10－4。

2.2 群井抽水試驗

在單井試驗后，進行了兩組不同降深的6井群井抽水試驗。抽水從2009年7月2日7：50開始至7月7日9：00結束，坑內減壓降水24h，其余為水位恢復時間。水泵下入深度為30～35m，單井涌水量1.5～2.5m3／h。試驗結果如圖4、圖5所示。經本組試驗驗證，在抽水24h后，基坑內觀測孔水位降深達17.5m以上，能滿足基坑安全降深要求。

3 三維滲流數值模擬

采用國際上常用的Visual Modflow地下水滲流數值模擬軟件（4.0版）進行水文模型數值模擬計算。根據場區的實際水文地質結構條件及幾何形狀進行三維剖分。因承壓含水層滲透性大，確定以基坑中心點為基點、各方向延伸1 000m作為模擬計算區域。模型的水文地質參數根據勘察報告提供的地質資料及試驗取得的水文地質參數等進行實際等效處理，承壓含水層模型邊界采用通用水頭進行處理。

利用抽水試驗期間取得的觀測資料進行驗證，利用實際條件下抽水情況進行模型計算，得出模型計算觀測孔水位與實測水位對比，如s－t（水位－時間）曲線圖，具體驗證如下。

3.1 單井抽水試驗數值模型識別與驗證

單井試驗時，J2井抽水時間為675min，單井涌水量約2.5m3／h，且圍護結構施工已完成。數值驗證采用相同條件進行驗證。其觀測孔J3的實測數據與模型計算曲線擬合如圖6所示。

圖6 觀測孔J3的水位擬合曲線圖

通過對數值模型的識別與驗證，數值模擬的結果與實測的觀測井數據基本一致，該數值模型比較符合實際。

3.2 群井抽水試驗數值模型識別與驗證

群井試驗時，J2—J5、JG1、JG2井的抽水時間為115h，單井涌水量約1.0～2.0m3／h，且圍護結構施工已完成。數值驗證采用相同條件進行驗證。其坑內觀測孔J6和坑外觀測孔G2的實測數據與模型計算曲線擬合如圖7、圖8所示。

通過對數值模型的識別與驗證，數值模擬的結果與實測的觀測井數據基本一致，數值模型比較符合實際。

經兩組抽水試驗數據的模擬擬合驗證，建立的三維滲流數值模型與實際抽水試驗情況較吻合，能夠反映實際條件下的地下水滲流情況。因此，可采用三維滲流數值模擬的方法來驗證降水方案的可行性，進行各工況下按需降水模擬、減壓期間地下水動態特征狀況預測，以及對周邊環境的影響性分析。

4 承壓水減壓方案設計

4.1 承壓水減壓方案

根據抽水試驗期間地下水位觀測資料，按最不利條件下進行減壓降水設計。實際施工時可根據實際情況進行基坑降水控制，根據觀測孔水位來調整減壓運行方案，在滿足基坑安全施工的同時，做到按需降水，減小對周邊環境的影響。本基坑內共布置減壓井6口，觀測兼備用井2口，具體平面位置同圖1，井的結構同圖2。

圖9 各工況運行控制（橫斷面）圖

表3 減壓降水各工況運行控制表

根據施工工況編制表3及圖9，并以此為依據進行減壓模擬預測。當基坑開挖至－14.1m時，在下一層土開始開挖的前一天啟動減壓井，直到基坑開挖至－17.9m，

承壓水水位控制在－9.7m；在下一層土開挖前繼續進行減壓降水，在基坑開挖至－21.0m時，承壓水水位控制在－15.0m；在基坑開挖至底板及底板施工，

直到底板強度達到設計強度的80%以上時，承壓水水位控制在－20.7m。在底板強度尚未達到設計強度的80%以上時Fs以1.10進行控制。當底板強度達80%以上時，因下二層板逆作法施工，基坑安全水位可控制在－11.7m，當下一層板施工時基坑安全水位可控制在－8.0m，直到頂板施工，基坑滿足抗浮要求后，停止減壓降水。此階段Fs以1.00進行控制。

4.2 減壓方案數值模擬

4.2.1 開挖階段降水控制模擬

在基坑開挖至－14.1m時，根據突涌可能性計算需要開啟降壓井。在基坑開挖至－17.9m前基坑范圍內第⑤3、⑤5層最小安全降深為6.4m（即水位埋深為－9.7m）。

開啟降壓井J1、J3、J6進行降壓，單井涌水量20.0～25.0m3／d，預測此階段須減壓降水10d。

在持續減壓抽水10d后基坑內降深為6.6m，基坑外側100m范圍內降深在1.0～3.5m。此時基坑內承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖至17.9m的要求。

在基坑開挖至－17.9m～－21.0m時，第⑤3、⑤5層最小安全降深為11.7m（即水位埋深－15.0m）。開啟降壓井J1—J6進行降壓，單井涌水量為20.0～25.0m3／d，水泵放置在降壓井20～25m深度附近。由數值計算可知，在持續減壓抽水20d后基坑內降深在12.0m左右，基坑外側100m范圍內降深在3.0～7.0m。此時基坑內承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖至－21.0m要求。

在基坑開挖至底板范圍內第⑤3、⑤5層時，最小安全降深為17.4m（即水位埋深－20.7m）。開啟降壓井J1—J6進行降壓，單井涌水量為30.0～60.0m3／d，在持續減壓抽水40d后基坑內降深為18.2m，基坑外側100m范圍內降深為4.0～10.0m。此時基坑內承壓水水位能夠滿足基坑安全開挖和底板施工的要求。

4.2.2 底板澆筑階段降水控制模擬

在基坑底板施工直至其強度達到設計強度的80%期間第⑤3、⑤5層最小安全降深為17.4m（即水位埋深－20.7m）。開啟降壓井J1—J6進行降壓，單井涌水量為30.0～60.0m3／d，水泵在井內放置在－30～－35m深度，在持續減壓抽水20d后基坑內降深為18.2m，基坑外側100m范圍內降深為4.0～10.0m。此時基坑內承壓水水位能夠滿足基坑的安全開挖和底板的施工要求。

4.2.3 底板澆筑后的降水控制模擬

在底板澆筑后，底板強度達到一定強度，能夠抵抗部分承壓水頂托力時，宜減少啟動的降壓井數量。具體開啟的降壓井數量宜由設計單位根據底板及結構強度進行計算后確定，具體水位降深和降壓性降水持續時間應根據計算后確定。

底板強度達設計強度的80%以上且在上一層板施工前，開啟降壓井J1、J3、J6進行降壓。單井涌水量為30.0～40.0m3／d，水泵在井內放置在－20～－25m深度，在持續減壓抽水30d后基坑內降深為11.0m左右，基坑外側100m范圍內降深為3.0～5.5m。

上一層板施工后，開啟降壓井J1、J6進行降壓，單井涌水量為20.0～30.0m3／d，在持續減壓抽水20d后基坑內降深為5.0m左右，基坑外側100m范圍內降深為2.0～2.5m。

5 結語

1）通過降壓井的單井抽水試驗，獲取第⑤3、⑤5層承壓含水層的滲透系數、貯存系數等參數，為進行后續數值計算分析提供參數依據。

2）通過進行群井抽水試驗，驗證了承壓水布井方案的合理性。

3）采用Visual Modflow軟件對降壓井的開啟順序、抽水時機、抽水時間的長短等進行了計算分析，實現了按需降壓，減少了降壓對周圍環境的影響。

4）目前，該基坑已封頂，在施工過程中未發生突水事件。

［1］曹巖，張衛國，高世軒，等.寧波市軌道交通1號線一期工程東門口站基坑降水方案［R］.上海：上海地礦工程勘察有限公司，2010.

［2］朱成兵，張衛國，高世軒，等.寧波市軌道交通1號線一期工程TJ—Ⅲ標東門口站抽水試驗報告［R］.上海：上海地礦工程勘察有限公司，2010.

［3］JGJ／T 11—98建筑與市政降水工程技術規范［S］.

［4］薛禹群，謝春紅.地下水數值模擬［M］.北京：科學出版社，2007.

［5］姚天強，石振華.基坑降水手冊［M］.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［6］崔濤.寧波地鐵市府站深基坑抽水試驗及數值分析［J］.城市軌道交通研究，2010（5）：79.