深層水平封底在巨厚砂卵石層基坑地下水控制中的應用

曹樹輝， 車燦輝， 吉泳安

(1. 中交第三公路工程局有限公司， 北京 100000； 2. 安徽省地礦局第一水文工程地質勘查院，安徽 蚌埠 233000； 3. 南京達西巖土工程有限公司， 江蘇 南京 210014)

0 引言

地下水控制主要有降水、隔水和回灌3種方式，在基坑工程中常常需要組合使用，才能保證地下水控制合理、可行、有效。根據隔水帷幕與含水層之間的關系，地下水控制又可分為無止水帷幕的敞開式降水、懸掛式止水帷幕下的止降結合、落底式止水帷幕下的坑內疏干[1-3]。當周圍環境簡單、基坑開挖深度淺時，采用無止水帷幕的敞開式降水無疑是一種最經濟可行的地下水控制方法。但是，隨著我國大規模的經濟建設，這種有利的條件逐漸減少，地下工程規模越來越大、基礎越埋越深、周邊條件越來越復雜，地下水控制已不再是簡單的降水，而與基坑工程自身安全及周邊環境的保護都密切相關，是基坑工程設計和施工必須要考慮的重要問題。

在實際工程中，與隔水相結合的地下水控制技術得到了廣泛的應用。劉清文等[4]在南京長江漫灘地區的青奧軸線超大超深基坑工程中，根據各部位的水文地質條件、開挖深度、周邊環境等特點，分別采用敞開式降水、懸掛式止降結合、封閉式疏干降水、回灌等多種地下水控制技術，保證工程及周邊環境的安全；盧智強等[5]通過數值模擬及工程實踐，認為懸掛式止水帷幕對基坑外承壓水的阻礙作用改變了地下水滲流場，對基坑降水起著積極的作用；王建秀等[6]對基坑降水種墻-井作用機制進行了研究，提出了墻-井作用可以改變水流方向、增加滲流路徑、減小過水斷面，并利用地層滲透各向異性實現水位控制和沉降控制；陸建生[7]從基坑尺度效應方面對懸掛式帷幕基坑地下水控制進行了探討，提出超過一定尺度且周邊環境需要保護時，應將含水層完全隔斷，在不能隔斷的情況下，應盡可能加大止水帷幕插入深度比，并通過地下水三維滲流計算，找到對應的插入深度最優值；馮曉臘等[8]對落底式止水帷幕的滲漏進行研究，提出了止水效果的評價及滲漏量計算方法；汪玉松等[9]分析了武漢某深基坑水平封底止水工程失敗的案例，認為高噴封底點多面廣、施工質量難以保證，樁體搭接部位存在局部薄弱帶，導致在較大的水壓作用下出現冒水翻砂，最后在坑內外施工了8口43 m的深井，將地下水位降低后才確保了工程順利施工，并提出水平封底+減壓降水相結合的止水方案。文獻[10-13]分析了止水帷幕對基坑降水及周邊地面沉降的影響，認為合理深度的止水帷幕至關重要。

以上研究多側重于豎向止水帷幕條件下的地下水控制研究，而對水平止水帷幕的地下水控制研究較少，特別是在巨厚強透水性潛水含水層中的成功應用更少，文獻[9]中水平封底止水失敗的原因除了作者提到的樁體搭接部位存在薄弱帶外，封底的位置接近基底也應是其失敗的主要原因，封底位置太淺導致其無法抵抗下部水壓，同時封底上部未預留降水井濾管空間，導致封底上部的水位無法降低。鑒于此，本文以福州地鐵2號線桔園洲站為依托，針對巨厚強透水性潛水含水層給工程帶來的涌水量大、降水難度大、施工風險大等難題，提出采用深層水平封底進行地下水控制的技術方案，并對方案實施方法進行理論分析、三維數值模擬及實測分析。

1 止降結合地下水控制原理與計算

1.1 懸掛式豎向止水帷幕

針對巨厚的潛水含水層深基坑工程，在豎向懸掛式止水帷幕情況下(見圖1)，流入基坑的涌水量可近似借助達西定律進行分析計算：

(1)

式中：Q為基坑涌水量，m3/d；Kz為地下連續墻嵌固深度范圍內地層的垂向滲透系數，m/d； Δh為墻底至基底的水位差，可近似取坑內外水位差，m；ld為墻底至坑內水位的土層厚度，m；A為基坑面積，m2。

圖1 懸掛式止水帷幕+坑內降水模型

從式(1)可看出，ld的增加及Kz的減小均可使坑內涌水量變小。而懸掛式止水帷幕的設置，一方面可以延長地下水的滲流路徑，另一方面可以使地下水在流經帷幕后滲流方向發生改變，由水平向運動轉為垂向運動。通常情況下，含水層的垂向滲透系數要遠小于水平方向，因此，懸掛式止水帷幕可有效減小坑內涌水量。

1.2 深層水平封底

當基底下部的地層為分選性較好的砂卵石層時，或垂向滲透系數與水平向相差不大時，懸掛式止水帷幕對坑內涌水量影響較小。如果含水層厚度較小，則可采用落底式止水帷幕，形成全封閉式坑內疏干降水。

如果含水層厚度大，采用落底式止水帷幕施工難度大、成本高時，也可考慮在基底以下一定深度設置水平封底(水平止水帷幕)，人為減小地層的垂向滲透系數Kz，從而降低坑內涌水量。此時，水平封底與基底之間應該預留一定厚度的原狀地層，確保可布設降水井抽排由水平封底滲漏至基坑內的地下水，見圖2。

圖2 懸掛式豎向止水帷幕+深層水平封底+坑內降水模型

Fig. 2 Suspended water curtain, deep horizontal bottom sealing and pit dewatering model

1.3 水平封底深度計算

深層水平封底后，相當于在基底以下人為改造了一個相對弱的透水層，基坑開挖過程中，需要防止水平封底下部地下水造成滲流破壞。因此，深度設置需要滿足一定的條件，除了使其上部有一定厚度的原狀地層外，還要使得水平封底下部的地下水位可以不降低或者少降低。可借助基底抗突涌穩定性公式進行分析：

(2)

hw=d-h0-S；

(3)

D=d-h1。

(4)

式(2)—(4)中：ps為水平封底及上覆土層的壓重，kN；pw為水平封底底部地下水的頂托力， kN；Ks為安全系數；D為水平封底底面至基底的土層厚度， m；m為水平封底厚度， m；hw為水平封底底面的壓力水頭高度， m；h0為初始地下水埋深， m;γ0為水平封底頂面至基底土層的加權天然重度，kN/m3；γ1為水平封底的重度，kN/m3；γw為水的重度，kN/m3；d為水平封底底面埋深， m；h1為基坑開挖深度， m；S為坑外水位降深， m。

聯立式(2)—(4)，可得到水平封底深度計算公式：

(5)

從式(5)中可以看出，水平封底深度與安全系數之間有極大的關系，根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，可取安全系數為1.1。

1.4 水平封底厚度計算

深層水平封底后，墻底嵌固深度范圍內土體的垂向等效滲透系數Kv可通過式(6)確定。

(6)

從式(6)可看出，原地層垂向滲透系數Kz及水平封底垂向滲透系數Kz′越小，垂向等效滲透系數Kv也越小。理論上，當Kz′=0，即水平封底不透水時，則垂向等效滲透系數Kv=0，基坑內涌水量也為0。

對式(6)進行變形，可得到水平封底厚度m的計算公式：

(7)

式中η為水平封底止水效果，η=1-Kz′/Kz。

從式(7)可看出，封底厚度與封底止水效果η成反比，當封底止水效果越好，垂向滲透系數越小，則封底厚度設置也可以越小。受施工工藝、地層條件等影響，與垂直止水帷幕相比，水平向止水帷幕施工難度大，實際工程中，無法做到深層水平封底滴水不漏，建議封底厚度不小于5 m。

2 工程概況

地鐵車站基坑長約280 m、寬約20 m、深16.5～18.5 m，距離烏龍江約800 m。車站所處場地自上而下主要為〈2-5-2〉粗中砂(稍密)、〈2-5-2〉粗中砂(中密)、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石層，見圖3，其中，卵石層中存在漂石。周邊存在居民小區及大量管線，車站南側為已建小區，基礎形式為PHC管樁，樁長19.0～27.1 m，小區的地下室邊線距離車站主體基坑最近約15.4 m。

場地地下水主要以孔隙潛水為主，主要含水介質為粗中砂、卵石，厚度超過50余m，水位埋深2.30～4.30 m、水位標高3.79～5.78 m。為充分了解場地含水層水文地質特征，選擇合適的圍護結構方案，現場進行了專項抽水試驗[14]，得到場地含水層綜合滲透系數約為110 m/d，各地層的滲透系數見表1。根據GB 50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規范》含水層的透水性為強透水性。

圖3 地質剖面示意圖(單位： m)

表1 水文地質參數反演結果表

3 方案優選

初步設計時，地下連續墻深度為36.5 m，屬懸掛式止降結合的地下水控制方案，預估基坑總涌水量約10萬m3/d，涌水量極大。考慮到車站周邊環境、工程實施的可行性及高風險源的可控性，無法采用此方案。

采用落底式地下連續墻能有效減少基坑內涌水量及坑外水位降深，但考慮到地下連續墻深度大，垂直度難以保證，下部地下連續墻容易錯位，存在滲漏風險；且地下連續墻下部卵石顆粒大(存在孤石)、基巖強度高，成槽難度大。因此，需要選擇一種最優的嵌固深度，并結合深層水平封底進行地下水控制。

利用式(1)進行涌水量估算時，墻底至基底的水位差Δh難以確定，因為坑內降水時，坑外水位也會出現不同程度的下降。因此，本次選用目前國際上最為流行的三維地下水流模擬標準可視化專業軟件Visual MODFLOW進行數值分析。

3.1 地下水流模型

對于潛水含水層中地下水三維(各向異性)滲流問題可用定解[15]問題來描述：

(8)

式中：Kxx、Kyy和Kzz為平行于主軸x、y和z方向的滲透系數，m/d；W為單位體積流量，代表流進或流出的源匯項，m3/d；h為點(x，y，z)在t時刻的水位，m；Ss為儲水率，1/m；Ω為滲流區域；H為水頭值，m；H0(x,y,z,0)為研究區各層初始水頭值；φ1(x,y,z,t)為研究區各層第1類邊界Γ1上的已知水頭函數，m； cos(n,x),cos(n,y),cos(n,z)為邊界Γ2上法線方向單位矢量的分量；q(x,y,z)為第2類邊界Γ2上的單位面積法向流量，m2/d，對于隔水邊界，q=0。

3.2 邊界條件

基坑西側約800 m處為烏龍江，江水直接切割含水層，形成了定水頭補給邊界；而其余三側距離天然水文地質邊界較遠，為克服邊界的不確定性給計算結果帶來影響，將抽水影響范圍外人為定義為補給邊界；地下連續墻按照隔水界面處理。

初始地下水位標高取+4.50 m。整個模擬區為1個約2 300 m×2 300 m的矩形區域，見圖4。

圖4 三維模型網格剖分圖

3.3 模型剖分

采用六面體網格剖分，網格大小為25 m×25 m，在抽水井、臨時止水帷幕附近采用較小的網格距進行再次剖分，大小約1 m×1 m，平面上剖分為84行、105列，共44 100個網格。剖面上，根據地層巖性、鉆孔柱狀資料、止水帷幕深度等對含水層組進行劃分，分為6層，見圖5。地層參數采用現場抽水試驗參數(見表1)。

圖5 模型滲透系數分區剖面圖

3.4 模擬結果及分析

3.4.1 增加地下連續墻嵌固深度

以初步設計圖紙中的地下連續墻深度36.5 m為起點，逐步加深地下連續墻的嵌固深度，通過數值模擬計算，得到不同嵌固深度下的基坑總涌水量及坑外水位降深，見表2和圖6。從表2和圖6可看出，隨地下連續墻深度的增加，坑內涌水量及坑外水位降深均減少，曲線分別在地下連續墻深度為41.5、53 m出現拐點： 1)從36.5 m增加到41.5 m(墻底進入卵石層2 m左右)，地下連續墻加深5 m，涌水量減少15 500 m3/d，變幅較明顯，約3 100 m3/(d·m)； 2)從41.5 m增加到53 m，地下連續墻加深11.5 m，涌水量減少19 900 m3/d，變幅較平緩，約1 730 m3/(d·m)； 3)從53 m到55.5 m時，墻底進入基巖，涌水量減少十分明顯。

表2不同地下連續墻深度下的涌水量及坑外水位降深

Table 2 Water inflow and water drawdown outside pit at different wall depths

地下連續墻深度/m坑內涌水量Q/(m3/d)坑外水位降深S/m備注36.598 5006.52原設計39.092 5006.0741.583 0005.35最優44.078 5005.0446.576 5004.9249.073 7004.7551.569 3004.4853.063 1004.0755.518 2001.34

圖6 基坑涌水量與地下連續墻深度關系曲線

Fig. 6 Relationship curve between water inflow of foundation pit and wall depth

因此，綜合分析，地下連續墻最優深度可按41.5 m考慮。

3.4.2 增加深層水平封底

根據3.4.1計算結果，地下連續墻深度加深到41.5 m時，基坑涌水量依然高達83 000 m3/d。為此，需增加深層水平封底，對地層的滲透性進行改良，以達到減少基坑總涌水量、降低基坑施工風險的目的。

數值模型中，先將地下連續墻嵌固深度范圍內的土體作為一個整體，逐步降低其等效滲透系數，通過數值模擬計算，得到不同滲透系數下的基坑涌水量及坑外水位降深，見表3和圖7。從表3和圖7中可看出，基坑涌水量及坑外水位降深隨滲透系數的減小呈拋物線變化。當滲透系數減小到12 m/d時，總涌水量減小到40 000 m3/d以下；當滲透系數減小到7 m/d時，總涌水量減小到25 000 m3/d以下，效果明顯。

表3不同透滲透系數下的涌水量及坑外水位降深

Table 3 Water inflow and drawdown outside pit under different permeability coefficients

等效滲透系數Kv/(m/d)基坑涌水量Q/(m3/d)坑外水位降深S/m33.8383 0005.3518.8053 9003.3712.0039 5002.487.0024 5001.563.8514 5000.92

圖7 基坑涌水量與等效滲透系數關系曲線

Fig. 7 Relationship curve between water inrush and average permeability coefficient of foundation pit

3.5 封底深度及厚度確定

3.5.1 水平封底深度

基坑開挖深度h1=16.5 m，暫不考慮封底的重度，土層加權重度γ0=γ1=19 kN/m3，初始地下水埋深h0=3.5 m，根據表3，坑外水位降深S取1.56 m；從安全角度考慮，不考慮封底與地下連續墻之間的黏聚力，取安全系數Ks=1.1。

將上述參數帶入式(5)，計算得到水平封底的深度d≥32.23 m。因此，按33 m考慮，即較基坑深約16.5 m。

3.5.2 水平封底厚度

將表3中的等效滲透系數Kv代入式(7)，可得到止水效果、封底厚度、等效滲透系數之間的關系，見表4和圖8。從表4及圖8中可看出： 止水效果達到95%時，封底厚度只要4.8 m，垂向綜合滲透系數就可以小于7 m/d，涌水量可減小至24 500 m3/d。

表4等效滲透系數與止水效果、封底厚度關系

Table 4 Relationship among permeability coefficient, waterproof effect and bottom sealing thickness m

水平封底止水效果η/%等效滲透系數Kv/(m/d)18.8012.007.003.8580.04.8010.9223.0085.03.397.7016.2390.02.134.8510.2220.7995.01.012.304.849.8597.50.491.122.364.80

圖8 止水效果與封底厚度關系曲線

Fig. 8 Relationship curve between reinforcement effect and thickness

綜上分析，結合基坑所處在的地層、周邊環境及水文條件，車站基坑圍護結構方案如下： 采用800 mm厚地下連續墻，深度以41.5 m及進入卵石層不得小于2 m進行雙控；在基底以下11.5～16.5 m處設置5 m厚水平封底止水帷幕，以減小基坑涌水量。另外，為降低施工風險，在基坑橫向設置施工3道橫向隔斷，深度與水平封底深度相同，將基坑劃分為4個區域(見圖3)。

3.6 降水井布置

3.6.1 降水井數量

降水井數量可根據基坑涌水量和設計單井出水量按式(1)計算[1]。

n′=λQ/q′。

(9)

式中：n′為降壓井數量；Q為基坑涌水量，m3/d，按水平封底止水效果90%～95%考慮，根據表3和表4，基坑涌水量取其平均值，按約32 000 m3/d考慮；q′為單井出水量，m3/d，可根據式(10)計算；λ為調整系數，一級安全等級取1.2、二級安全等級取1.1、三級安全等級取1.0，本次按1.2取值。

降水管井的單井出水能力

(10)

式中：r為過濾器半徑，取0.136 5 m；l為過濾器進水部分長度，降水后，進水長度約7 m；k為含水層滲透系數，取過濾器所處土層的水平向滲透系數65.7 m/d。計算得到降水井最大單井出水量約1 400 m3/d，與前期現場抽水試驗實測值基本一致。

根據式(9)，計算得到降水井數量為28口。另外，根據JGJ 111—2016《建筑與市政工程地下水控制技術規范》，降水應設置備用井，備用井數量應為計算降水井數量的20%。因此，基坑內共布置34口降水井。

3.6.2 降水井結構

降水井主要由井壁管(實管)、濾水管、沉淀管、濾料、水泵及排水泵管等組成。綜合考慮基坑挖深、水平封底、地層情況等，降水井深28 m，位于加固體以上。降水井孔徑550 mm，井管為直徑273 mm、壁厚3 mm鋼管，濾管為與井管同規格的橋式濾管，外包單層60目錦綸濾網，底部設1 m沉淀管，場地地層透水性好，為方便后期封井，坑內降水井濾管設置在基坑底板以下，見圖9。

4 方案實施

4.1 封底加固

現場采用φ1 100 mm@850 mm超高壓三重管旋噴樁進行深層水平封底加固，采用強度等級為42.5級的普通硅酸鹽水泥。通過試樁，采用噴漿壓力22～25 MPa、水壓25～30 MPa、氣壓大于0.7 MPa、流量大于30 L/min、提升速度12 cm/min、水灰比1.0、旋轉速度10 r/min、水泥摻量40%、成樁φ1 100 mm@850 mm的參數進行施工控制。

為保證封底加固質量，除了按上述參數嚴格控制外，同時采取以下措施： 因加固深度大、地層主要為粗中砂層，采用地質鉆機預先引孔，避免在施工過程中出現鉆進困難及抱桿現象；在加固體頂部50 cm噴漿以保證水平封底整體質量；采用跳打方式施工，1根樁施工結束后，將設備至少間隔2個樁位移動；嚴格控制垂直度。

圖9 圍護結構典型剖面及降水井結構圖(單位： m)

Fig. 9 Typical profile of retaining structure and structure chart of dewatering well(unit： m)

4.2 取芯檢測

現場在成樁28 d后，隨機對雙頭搭接250 mm范圍內進行垂直鉆孔取芯，共5組，觀測樁體完整性、均勻性，并取樣做無側限抗壓強度試驗。從外觀看，芯樣均連續、較完整，呈長樁狀、噴灰攪拌均勻；芯樣抗壓強度代表值均大于2.3 MPa；檢測樁長最小為4.6 m，普遍樁長達到5 m，符合設計要求，見表5。

4.3 抽水試驗

為減少大量取芯對封底的影響，同時檢驗水平封底的整體止水效果，基坑正式開挖前對各個小基坑進行降水工程檢驗。現場實測單井出水量最小僅為36 m3/d、最大1 440 m3/d，極不均勻，分析主要原因是三重管高壓旋噴樁施工時返漿，造成加固體上部砂層擾動過大，從而影響單井出水能力。為此，再增加10口降水井作為備用兼觀測井，以確保有足夠的安全備用系數，基坑內實際施工44口降水井，見圖10。

表5 加固體搭接部位取芯檢測結果

當水位降至基底以下時，現場實測基坑總涌水量為25 580 m3/d，小于設計限制32 000 m3/d，相比初步設計預估值減小了75%；坑外最大水位降深為1.57 m，降深小，未觀測到周邊地面沉降；利用式(1)和式(6)反算得到水平封底的滲透系數為0.14～ 3.87 m/d，平均止水效果達到90%以上，說明此次深層水平封底是成功的，止水效果滿足了本基坑地下水控制要求。

對比4個小基坑的抽水試驗結果(見表6)，可以看出： 從①號到④號基坑，封底止水效果逐漸降低，涌水量、水平封底滲透系數逐漸增大； ①號基坑的實測涌水量僅530 m3/d、封底止水效果達到99.60%，而④號基坑涌水量達到10 700 m3/d，封底止水效果僅88.57%，各個基坑封底效果相差懸殊。

從地層剖面看，各小坑封底部位地層存在較大的差異性，①號坑封底部位存在〈3-2〉粉細砂層，②號坑封底下部有一定厚度的中粗砂層，③號坑封底正好坐落在卵石層上，而④號坑封底下部已進入卵石層。不難看出： 地層條件對4個坑封底效果的影響較大，原地層滲透性越小，封底止水效果越好；卵石層因顆粒大，會阻擋水泥漿向其背面噴射，影響旋噴樁加固效果，從而導致封底止水效果降低。

圖10 基坑分區及降水井平面布置圖

部位基坑深度/m面積/m2實測涌水量/(m/d)實測坑內水位埋深/m實測坑外水位降深/m反算封底滲透系數Kz′/(m/d)反算止水效果/%①號基坑16.28～17.851 45153018.471.260.1499.60②號基坑16.681 4325 60017.451.461.9094.38③號基坑16.511 4168 75018.331.563.1090.82④號基坑16.66～18.381 44910 70018.541.573.8788.57

5 結論與建議

1)在巨厚強透水性潛水含水層中，當無法形成落底式止水帷幕時，本工程在懸掛式豎向止水帷幕的基礎上，增加深層水平封底，改善地層垂向滲透性能，并配合坑內管井降水，成功將地下水位控制在基底以下，坑內總涌水量減小了75%，降低了降水難度及施工風險，提高了工程安全性，對類似水文地質條件深基坑地下水控制具有一定的參考意義。

2)深層水平封底位置在很大程度上決定了本方案的實施效果，封底位置太淺，底部水壓過大，也會造成基底的滲流破壞。本次通過抗突涌驗算公式確定了封底的位置在基底下11～16 m，確保封底與坑底之間保留了不少于9 m的空間用于布設降水井濾管，使得通過水平止水帷幕滲漏的地下水可以很好地通過降水抽排。

3)通過在搭接部位取芯可以對封底加固樁長及質量進行直觀判斷；通過現場抽水試驗，可以對水平封底的整體止水效果進行檢測，并可直觀判斷坑內水位是否能控制在滿足開挖要求范圍之內。

4)本工程高壓旋噴樁加固效果直接決定了封底止水效果，也直接關系到方案的成敗，根據4個小坑的實際效果分析可以看出，除了人為因素外，地層條件是影響封底加固止水效果的主要因素，在粉細砂及中粗砂層中加固止水效果較好，而卵石因顆粒大，會阻礙水泥漿的噴射，影響樁體的質量，導致在卵石層止水效果較差。因此，在卵石地層中應慎用水平封底加固。

5)深層水平封底的施工周期長、造價高，且受施工工藝、地層條件等因素影響大。在今后工程中，應充分分析地質、水文地質條件，對多種止水效果下的涌水量進行提前預估，確定可以接受的止水效果范圍，并在現場進行小范圍試驗，確定是否可以采用此方案。

6)本工程確定水平封底位置時，采用的安全系數為1.1，未考慮加固后的地層重度和水平封底強度，以及水平封底與地下連續墻的黏結力，可進一步研究這些因素的影響，并綜合考慮降水井的濾管長度，適當提高封底的位置。