基坑工程水文地質勘察設計與應用

蘭 韡

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 常用基坑工程水文地質勘察的目的

工程水文地質勘察著眼于建設工程場區及周邊一定范圍內的地下水滲流規律研究，綜合應用多種技術手段，著重于查明場區特殊水文地質條件、揭示和判別潛在的地下水風險以及評估地下水控制可能誘發的工程周邊環境變形。

2 基坑工程水文地質勘察設計

根據地下工程的性質，初步分析基坑工程建設過程中可能存在的地下水風險后，應針對性地進行基坑工程水文地質勘察設計。

2.1 工程地質補充勘察設計

工程地質補充勘察設計應遵循如下原則：

1）布點范圍應涵蓋整個水文地質測試場區以求獲取精確的土層分布狀況。

2）布點間距不大于30 m，以15 m為宜。水文地質測試場區中心范圍應適當加密。

3）勘探深度應當大于最底部的測試土層10.0 m以上。

2.2 水文地質測試設計

2.2.1 抽水試驗設計

根據不同的抽水試驗目的，抽水試驗設計一般參照如下原則：

1）求解水文地質參數——采用單井抽水多井觀測的方式，觀測井數量不少于3口。具備條件時，抽水井應盡可能采用完整井；采用非完整井時，同層各觀測井的過濾器長度宜相等并安置在同一含水層深度。

2）判別不同土層之間的水力聯系——一般采用群井抽水多井觀測的方式。在測試土層中選擇含水豐富、出水量大的地層布設抽水井，并在測試土層中分別布設不少于2口觀測井。

3）判別抽水效果——又可分為判別不同井結構抽水效果和判別不同井數抽水效果。對于前者一般采用不同的井結構進行單井抽水試驗，測量井的流量和等距離相同結構觀測井的水位降深等來判別；對于后者，一般從單井開啟逐漸增加抽水井數來觀測不同井數抽水情況觀測井的水位降深。單井抽水時間不宜少于24 h；群井各階段抽水時間不宜少于24 h，總抽水時間不宜少于7 d。

2.2.2 回灌試驗設計

回灌[1-2]又分為自然回灌和加壓回灌。一般采用單井回灌來了解主要的回灌參數，包括不同回灌壓力下的回灌流量、回灌影響范圍，以及定期回揚后流量的變化。

回灌試驗設計可遵循如下原則：

1）回灌試驗井宜呈直線布設，井數量不少于3口，井間距應小于同含水層抽水井間距。

2）在止水帷幕深度范圍內，回灌井深度宜深不宜淺，濾管位置應盡量布設在含水層上部。

3）回灌井單個回灌流程持續時間不少于7 d。

實際試驗時，往往將抽水試驗與回灌試驗相結合用于研究在抽水及回灌共同作用下的地下水滲流規律。試驗時先抽水后回灌，回灌井宜布設在抽水井的干擾范圍之外。

2.2.3 孔隙水壓測試設計

孔隙水壓孔應布設在水文地質測試井群外圍，為了保證孔隙水壓孔測試的可靠性，在等距位置上宜布設2個以上對比孔，因此孔隙水壓力測試布設應不少于2條直線，監測半徑不宜小于30 m；對于特殊位置可增加孔隙水壓力測試孔。

同時，為了保障隔水效果，每個孔隙水壓測試孔內孔隙水壓力傳感器的數量不宜多于5個。厚度小于30 m的土層埋設數量以1個為宜，埋深位置以層中為宜；對于厚度大于30 m的土層，可分別在土層厚度1/3、2/3的位置埋設傳感器。不同土層的孔隙水壓力計間應采用黏土球進行止水。

2.3 周邊環境沉降監測設計

2.3.1 周邊地表沉降監測

以水文地質測試井群中心為中心，地表沉降監測點布設應不少于2條直線，監測范圍宜不小于70 m，測點間距一般為10 m。沉降反應特別敏感的試驗區也可呈網格狀布設。

地表沉降監測點布設時還應與孔隙水壓孔、分層沉降監測孔相對應，一般在布設孔隙水壓監測孔、分層沉降監測孔的周邊應布設地表沉降監測點，以便能和分層沉降數據參照分析。

2.3.2 地下管線沉降監測

在重要的地下管線部位布設地下管線監測點，以水文地質測試井群中心引垂線與管線相交點為中心點，監測半徑不小于70 m；測點間距一般為15～20 m。

2.3.3 建筑物沉降監測

建筑物沉降監測點則一般布設在建筑物四角。長度較長的建筑物則在長邊方向約每20 m增加一個監測點。

2.3.4 土體分層沉降監測

分層沉降孔的布設與孔隙水壓孔平面位置對應布設，在測試土層上也要相互對應。分層沉降孔內的磁環或多點位移計一般布設在各層層底，最底部的磁環和多點位移計應布設在地下水滲流影響深度范圍以下。

3 基坑工程水文地質勘察數據分析

3.1 工程地質補勘成果分析

工程地質補勘獲得的數據主要用于確定土層性質和界定土層界面，以靜力觸探為例：

1）確定土層性質：將測得的靜力觸探探頭阻力與深度曲線分段后進行分析，黏土層一般為阻力較小、摩阻比較大的曲線段所代表的土層；砂土層則為阻力大、摩阻比較小、曲線多呈急劇變化的鋸齒狀。

2）界定土層界面：靜力觸探頭勻速貫入過程中，錐尖阻力在到達臨界深度前不斷增大，到達臨界深度后錐尖阻力基本變為恒值；繼續貫入到下一層時，錐尖阻力會產生變化。因此可以根據這種變化的規律來界定土層界面。

如果采用的是雙橋孔壓靜力觸探，則還能夠根據貫入引起的超孔隙水壓力的消散過程及完全消散時的靜止孔隙水壓力，可以更好地幫助判斷地層分布。

3.2 水文地質測試數據分析

3.2.1 求解含水層水文地質參數

利用單井抽水試驗[3]的觀測井水位數據，可以根據相關公式求解水文地質參數：滲透系數、釋水系數及單井影響半徑等。

3.2.2 判別含水層水力聯系

根據抽水時其他含水層觀測井的水位降深或孔隙水壓孔的變化可以判別含水層之間的水力聯系。

根據工程實際經驗，判別含水層之間存在水力聯系一般可參照如下條件：

1）觀測井有明顯的水位變化或孔隙水壓孔有明顯的孔隙水壓力變化。

2）含水層之間的水位變化或孔隙水壓變化存在相關性，即觀測井含水層水位變化的規律與抽水含水層的水位變化規律較為一致。

3.2.3 判別抽水效果

1）單井結構。通過對比出水量以及觀測井的水位降深效果來判別不同井結構的降水效果優劣，從而便于選擇不同的降水井結構。

2）井數區別。通過開啟不同試驗井時的觀測井水位降深了解降水效果，從而指導按需降水的工況設計。

3.2.4 回灌的數據分析

1）回灌流量。根據水文地質測試獲得的流量數據可以指導回灌設計的重要參數。在不同的回灌狀態下回灌井的回灌流量均有不同。一般來說，純回灌的回灌流量小于抽灌一體時的回灌流量，比值為1/3～1/2；抽灌一體時回灌井越靠近抽水井，回灌量也越大；加壓回灌流量大于純回灌流量。

2）回灌半徑。回灌半徑即回灌井最大的水位抬升影響范圍。回灌半徑與回灌壓力和回灌流量有關。根據回灌試驗確定的回灌半徑，有助于有效設計回灌井的間距以及回灌井與受保護的建筑物之間的距離。回灌半徑一般以純回灌時的回灌半徑為參考。

3.3 周邊環境沉降數據分析

3.3.1 地面沉降監測

通過基坑工程水文地質勘察獲取的地面沉降數據能夠分析降水引起的地面沉降規律，例如地面沉降速率、降水引起的地面沉降范圍；結合回灌試驗同時可分析回灌控制地面沉降的效果。

3.3.2 地下管線和建筑物沉降監測

地下管線和建筑物的沉降數據能夠反映出降水時地下管線或建筑物承受變形的能力，以便根據數據及時采取合理的預控措施。

由于管線和建筑物的沉降是由于管線底部的地基土先沉降后再引起管線或建筑物基礎的沉降。對于承受變形能力強的管線和建筑物在地基土沉降后未必立即發生沉降。除了關心沉降的累計值還應當特別注意沉降的差異率，防止差異沉降引起管線或建筑物的開裂。

3.3.3 土體分層沉降

土體分層沉降能夠分層測量各層土體的變形，能夠分析降水引起的深層構筑物的變形。每層土體的沉降等于上一土層的沉降值減去下一土層的沉降值。最頂部土層的沉降值應與鄰近的地表沉降值相一致。土體分層沉降與孔隙水壓力的變化值相匹配分析，可以估算土體的固結系數。

4 基坑工程水文地質勘察綜合評價應用

基坑工程水文地質勘察目的不僅是獲取一些測試數據，更重要的是根據測試成果之間的相關性進行綜合評價，用于指導工程設計。

利用基坑工程水文地質勘察成果，可以綜合評價的內容有以下幾點。

4.1 評估地鐵基坑工程降水的風險

1）潛在（微）承壓性土層突涌風險：對于一些未在工程地質勘察中查明性質的土層，通過巖土工程補充勘察進一步確定土性后，結合水文測試中的土層地下水位、出水量以及與相鄰土層相互的水力聯系進一步判別土層的水文特性。一般經鑒別為粉土及粉土以上顆粒、地下水位明顯高于該土層分界頂面且出水穩定的土層，可視作具有（微）承壓性。經工程水文地質勘察后判別具有（微）承壓性土層，在進行工程設計時需進行抗突涌穩定性驗算，不能滿足要求的應當采取降水或其他有效的泄壓措施。

2）安全水位降幅：根據補充勘察探明的含水層層頂以及實測的含水層水位，重新計算基坑開挖時的安全水位降幅。

3）基坑降水的可行性[4-5]：評判基坑降水的可行性又包括兩方面，一方面是根據單井和群井抽水時觀測井的水位降深，結合重新計算后的安全水位降幅，判斷后續基坑開挖時降水能否滿足安全水位降幅的要求；另一方面根據降水井的流量以及抽水設備的配置評估工程現場的排水能力、供電能力能否滿足工程的需求；例如在上海青草沙長江原水過江管工程長興島工作井，通過水文測試了解到基坑安全水位降幅為24.2 m，而單井抽水時流量達到90 m3/h，觀測井水位降幅僅1.4 m。如要滿足基坑安全水位降幅則理論需要18口井，基坑總涌水量達1 620 m3/h，設備總用電功率達666 kW，場地排水和用電都難以滿足降水需求，需要通過其他的措施減少排水量和降低用電總功率。

4）降水引起周邊環境變形的風險：根據工程水文地質勘察中的環境變形監測數據，可以推測后期基坑降水過程引起的周邊環境變形值。如推測變形值大于環境變形控制值，則應當采取有效的措施以減少降水對環境的影響。

4.2 指導地鐵基坑降水設計

通過工程地質補充勘察獲取的含水層構造以及水文地質測試獲取的水文地質參數，建立地鐵基坑水文地質滲流模型，可以模擬地鐵基坑降水效果以指導地鐵基坑降水設計，包括地鐵基坑豎向隔水帷幕深度的建議。

4.3 指導基坑降水沉降控制

基坑降水引起的土體沉降計算方法有多種，最為簡單的即通過數值模型求解出含水系統各土層的水位降深，然后根據太沙基有效應力原理，采用分層綜合法計算沉降。利用這個原理，可以在基坑工程水文地質勘察中通過分層孔隙水壓測量和分層沉降數值反演各土層沉降計算參數或經驗修正系數，然后再利用反演后的土層沉降計算參數或經驗修正系數結合基坑降水的數值模擬分析結果進一步細致地估算各分層土體的沉降。

按照估算結果，在基坑正式實施前，可以進一步采取有效的坑外水位控制措施。例如結合回灌試驗的結果，在受保護的建（構）筑物附近，根據建（構）筑物基礎的持力層，針對性地采取回灌措施控制基坑降水過程中的分層土體水位降幅。

5 結語

1）基坑工程水文地質勘察應用的技術手段豐富，良好地彌補了常規工程地質勘察中對水文地質描述和研究的不足，有助于清晰地判別基坑工程建設中的地下水風險。

2）通過對基坑工程水文地質勘察進行綜合評價，能夠有效指導地鐵基坑工程建設過程中的地下水風險控制以及周邊環境變形控制，指導基坑圍護設計，避免施工過程中的補救措施，有助于節約工程費用。