武漢臨江地區深基坑工程中群井抽水試驗的應用

龍治國，宋增輝，李翔

(武漢市勘察設計有限公司，湖北 武漢 430022)

1 引 言

武漢市內江河縱橫、湖港交織，水域面積占全市總面積的四分之一。近年來，隨著城市建設的高速發展，長江、漢江兩岸高樓林立，大型濱江商務區相繼開建。漢口臨江地區在地貌單元上多表現為長江沖積Ⅰ級階地，第四系覆蓋層具典型的上細下粗的二元結構，上覆以黏性土為主，往下逐漸出現砂土，且顆粒由細變粗，砂土中地下水含量豐富，與長江、漢江具有較強的水力聯系[1]。為保持該區域深基坑工程在干燥、安全的環境下開挖施工，通常要通過降水使地下水位下降到開挖面以下。地下水的抽取，必然使基坑周圍地下水滲流場發生改變，會在基坑周圍形成漏斗狀的彎曲水面，即所謂的“降水漏斗”[2]。降水漏斗的曲面趨于穩定后，就必然造成基坑周圍地面的不均勻固結沉降，嚴重時會引起周圍建筑物、地下管線的傾斜或開裂，會給周圍環境帶來巨大的風險。

本文結合武漢臨江地區周大福金融中心深基坑抽水試驗，計算獲得武漢臨江地區水文地質參數，并通過地面監測成果及數值模擬反演驗證結果合理性。最后，在此基礎上分析預測了基坑降水階段對周邊環境的影響。

2 工程概況

周大福金融中心項目位于武漢市江岸區漢口濱江國際商務區內，長江二橋與二七長江大橋之間，東鄰沿江大道，西鄰解放大道，南鄰二七路。擬建項目1#辦公大樓層數85F，高度約 442.3 m，建筑高度 475.0 m，修建后將成為武漢臨江地區濱江商務區標志性建筑。基坑開挖面積達到6萬平方米，挖深達 30 m～32 m，為超大超深基坑。基坑北側緊鄰運營中的軌道交通1號線，北側及西側緊貼濱江商務區地下環路，周邊環境極其復雜。基坑底落在(4-2-1)層粉質黏土夾粉土粉砂、(4-3)層細中砂上，南側距離長江堤防不足 500 m，砂礫石層中的地下水與長江有較強的互補關系。地下水降水對基坑周邊環境的影響，是本基坑工程的重點之一。本工程具體地層結構如表1所示。

地層結構表 表1

3 單井抽水試驗參數計算分析

單井抽水試驗的目的主要查明砂礫層(承壓含水層)的滲透系數、導水系數、彈性釋水系數等相關水文地質參數。單井抽水試驗共布設兩組，每組3口井，即1個抽水井，2個觀測井，每組3個落程。各井平面位置如圖1所示。

其中，單井抽水試驗井間距與井身結構如下：抽水井與觀測井間距 30.0 m～50.0 m，井深 40 m～45 m，井徑 300 mm，成孔孔徑 600 mm；上部 10 m為實管，中部 30 m～45 m為過濾管，底部 2 m為沉淀管。井孔間上部填充材料為黏土球，中下部為中粗砂；深井泵置于井深 22 m～25 m處。抽水試驗井井身結構信息如表2所示。

圖1 各井平面位置圖

井身結構信息表 表2

每組單井抽水試驗單井抽水歷時 24 h，穩定觀測 9 h。根據井管井身結構圖，濾水管和含水層比值大于0.9，按完整井考慮。依據《基坑降水手冊》[3]，利用抽水井流量及水位下降資料，計算相關水文地質參數如表3所示。

單井抽水試驗成果表 表3

綜上，場地承壓含水層滲透系數K介于 15.30 m/d～26.51 m/d之間，取綜合平均值K=20.86 m/d；其影響半徑R介于 157 m～331 m之間，取綜合平均值R=231 m；導水系數T于 459 m2/d～795 m2/d之間，取綜合平均值T=626 m2/d。

4 群井抽水試驗

群井抽水試驗共布設一組，共7口井，即4個抽水井，3個觀測井。Q1、Q2、Q3、Q4抽水井，Q5、Q6、Q7觀測井，各井平面位置如圖1所示。群井抽水歷時10天，穩定觀測8天。

地表沉降監測與抽水試驗同步進行，地面沉降觀測點布設成網狀形式，布置范圍為以群井試驗區為中心的 80 m×80 m范圍內。按監測點間距 10 m，地面沉降標數量為9×9=81個。每天監測1次，水位穩定后觀測頻率為2天1次，并連續觀測不少于2次。地表沉降觀測測點布置如圖2所示。

圖2 地表沉降觀測測點布置圖

試驗期間，當承壓含水層抽水時，承壓水位在起始階段快速下降，其后逐漸平緩且趨于穩定。試驗抽水井水量大，兩組單井抽水試驗流量在 44.5 m3/h～73.8 m3/h之間，降深在 3.07 m～8.47 m之間。離抽水區域近的觀測井承壓水位降深大，位置相對較遠的觀測井承壓水位降深小。抽水時觀測井水位響應速率快，地下水位反應靈敏。抽水井流量較為穩定，且抽水井在停止抽水后地下水位恢復快，表明地下承壓水補給量大、徑流、排泄條件好。雖多口降水井同時抽水時可使地下水位降深變大，但相互之間存在影響，不是單純的降水效果的疊加，存在著群井抽水的阻力系數。抽水歷時10天，穩定觀測8天后，地表監測點以群井試驗區為中心，呈現越靠近降水試驗區，地表監測點累積沉降越大的漏斗趨勢，沉降中心累積沉降量最大值為 10.9 mm。地表沉降累積值三維立體圖如圖3所示。

圖3 地表沉降累積值三維立體圖

采用《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120-2012)中降水引起的地層變形計算公式對本工程進行計算，其計算公式如下：

計算結果表明，沉降中心累積沉降量最大值為 10.2 mm，與現場實測結果基本一致。

5 三維數值模擬反演分析

采用有限元軟件進行群井抽水試驗的反演計算，取得有限元計算模型的相關參數。根據勘察結果，將工程場地地層由上至下依次概化為4層：①填土，層厚 6.0 m；②黏土，層厚 4.0 m；③砂層，層厚 35.0 m；④巖層，層厚 35 m。基坑開挖深度為 30 m，場地初始地下水位埋深 -12.0 m，以基坑開挖深度3倍～5倍影響范圍為原則，建立計算模型[5]。模型計算參數如表4所示。

模型計算參數表 表4

根據群井抽水試驗，布設4口抽水井，單井抽水量 65 m3/天，共降水10天。群井抽水試驗反演計算模型如圖4所示。

圖4 群井抽水試驗反演計算模型

降水10天并穩定8天后的沉降位移量云圖如圖5所示。

圖5 群井抽水后的沉降位移量云圖

最大沉降位于群井中心，位移量為 9.51 mm。位移量以群井中心為圓心外擴，位移量逐漸減小至 0 mm。模擬結果與現場實測基本一致，模型參數合理，驗證模型構建正確。

現場監測結果、規范公式理論計算、數值模擬三種方法得出的最大沉降量如表5所示。

三種方法的最大沉降量結果對比 表5

結果表明，現場監測的沉降量最大，規范公式計算的結果次之，數值模擬的結果最小。

6 預估基坑降水對周邊環境的影響

根據降水建議方案，本工程基坑外圍布設落底式止水帷幕，坑內水位最終降至開挖深度下 1 m。基坑北側緊鄰運營中的軌道交通1號線，北側及西側緊貼濱江商務區地下環路，計算模型構建如圖6所示。

圖6 對臨近環境影響計算模型

對基坑模型進行三維滲流-應力耦合計算，降水后地表沉降量最大 21.30 mm，沉降主要以坑內擬開挖土體為主。沉降量等值線如圖7所示。

圖7 降水后地表沉降量等值線圖

將計算模型中輕軌網格單獨隔離，計算輕軌沉降量如圖8所示。

圖8 降水后輕軌區間沉降量云圖

計算結果表明，輕軌的較大沉降分布于輕軌各橋墩位置，最大位移沉降量為 0.64 mm。

將計算模型中地下環路網格單獨隔離，計算地下環路沉降量如圖9所示。

圖9 降水后地下環路沉降量云圖

計算結果表明，沉降區域主要為基坑開挖范圍內，最大位移沉降量為 3.36 mm。

7 結 語

隨著武漢臨江地區工程建設的快速發展，深基坑工程的降水設計施工不容忽視。通過群井抽水試驗獲得準確的水文地質參數，結合地面監測數據驗證三維滲流—應力耦合模型，合理預測施工降水期間的地表沉降量。本文結合武漢臨江地區地標項目—周大福金融中心，通過抽水試驗獲取水文地質參數，建立有限元計算模型，預測基坑降水對周邊輕軌及地下環路的影響，以期為后期武漢臨江地區類似工程基坑降水設計提供參考及指導。