上海地區基坑地下水控制及真空混合管井的應用

宋倩云，徐國興，王翠英

(1 湖北工業大學土木建筑與環境學院，湖北 武漢 430068；2 湖北楚程巖土工程有限公司，湖北 武漢 430300)

上海地區地處長江三角洲東部濱海平原，大部分地區為弱透水層，地下水類型較多，深基坑開挖時，需要進行地下水控制。以往的降水施工中，疏干井只對潛水工作，降壓井只對承壓水工作，布井過多，不能有效地利用每一口井，且井的數量增加，工作效率下降，過度降水導致基坑內外土層下沉，影響環境。因此，選擇一種合理有效的降水方式有助于施工成本的降低與工藝的提高，部分學者對此做了相關研究，如王忠凱、陳偉[1]為加快滲流速度，采用多級濾管組成真空混合管井降水技術；肖瑞傳、賴俊鵬等人[2]闡述了真空管井復合降水技術能加快滲流速度，有效減少土層含水量；苗旺、鄒劍峰等人[3]發現真空管井降水技術能夠有效排出土體中的毛細水和重力水，降低土體含水量等優點；馬祥，羅江波[4]通過分析管井出水含砂量以及鄰近建筑物的沉降、位移的監測，驗證了采用大口徑管井降水方案在深基坑工程中的應用有效可靠。筆者考慮到管井的工作效率，將疏干井與降壓井混合在一起，引入“真空混合管井”，既能排出潛水起疏干井作用，又能降微承壓水起降壓井作用；闡述了上海地區地下水控制理念，并采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水方法。以上海古北某基坑工程為例，建立了基坑降水數值模型，對降水方案進行優化設計，既解決了布井數量過多的難題，也提高了單個管井的使用效率；該方法對類似地層地下水控制具有鑒借作用。

1 上海地區地下水控制理念和主要方法

1.1 上海地區地下水類型及水文地質特征

上海地區地處長江三角洲東部濱海平原，地下水類型具有三角洲的水文地質特點，可分為淺部上層滯水、互層土中弱透水、微承壓的層間水和深部砂層較高水頭的承壓水。對基坑工程有直接影響的主要是50～60 m以上的上層滯水和層間水。

上層滯水，主要存在于表層填土和淤泥質軟土層中，其滲透系數K<10-6cm/s，分布局限；層間水，埋藏于互層土內的粉土或粉砂層中，弱透水性，滲透系數K<10-4cm/s，具微承壓性，與地表水體無直接水力聯系；深層承壓水，含在50～60 m以下的更新世(Q3)的陸相沖積砂層中，砂中粘粒含量較高，透水性弱(K≤10-4cm/s)，受古河道控制，承壓水頭較高。

1.2 上海地區地下水控制理念和主要方法

1)地下水控制理念 針對上部50～60 m內含水層具有互層性、弱透水、微承壓和含水層本身及相鄰地層均欠固結的特點，下部承壓含水層埋深大，只對超深基坑有基底突涌影響的現象，地下水控制的基本概念可概括為：上部的上層滯水和層間水以帷幕隔滲為主，坑內降水疏干，不宜采用坑外降水疏干措施；深部承壓含水層屬超固結、低壓縮性地層，且隔水底板很深，故只需采用深井減壓降水措施。

2)地下水控制方法 地下水控制的主要方法是：上部采用各種工法的豎向隔滲帷幕隔斷坑外水以控制坑外地面沉降，坑內采用輕型井點或真空管井等強力降水措施疏干弱透水層；下部采用超深管井降低承壓水頭。

上海地區對上部層間水“以隔滲為主降疏為輔”，且重點是防止深厚的欠固結土地層失水導致地面不均勻沉降。位于長江三角洲上的上海，地層為海陸交互相互層結構，微承壓含水層特點是厚度小、弱透水(K=10-5～10-4cm/s)，且具較高壓縮性，影響半徑小且隨降深加大不再繼續擴大，因而降水過程中地面沉降量大，尤其是沉降差普遍大于3‰。由于地貌單元和地質條件的特點，普遍采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水，避免在坑外開放式降水。

2 真空混合管井降水

降水管井中輔助真空，弱透水層、微承壓含水層設置濾管，其既能排出潛水起疏干井作用，又能降微承壓水起降壓井作用，“兩井合一”的真空混合管井[1]。真空混合管井結構見圖1。

1-自然地坪;2,7-濾頭;3-真空降水;4-扶正器;5-降壓泵抽水;6-降壓泵;8-井管;9-孔壁;10-扶正器圖1 地層及真空混合井結構示意圖

2.1 輔助真空的作用

真空管井降水主要是排出基坑中的自由水。自由水以液態存在于地層中，受重力、壓力水頭差及毛細作用自由運動；當土層滲透性差時土中的自由水則很難自然排出或排出緩慢，僅用管井降水效率低下，在這種情況下可以通過施加外力來加快地下水的排出速度。在輔助真空作用下，土體受到外部負壓力作用，形成的真空負壓抵消表面張力產生的負孔隙水壓力，打破了原有的平衡狀態，從而毛細水被大量抽出，增加出水量。

采用真空裝置將井管內空氣排出，井管內外會產生一個氣壓差-u，這部分氣壓差增加了水力梯度，同時基坑內井管周圍軟弱粘土層隨著等向應力-u的增加而固結，有效疏干潛水，使得給水度增大，增大了出水量，即疏干降水。圖2為輔助真空的深井降水系統示意圖。采用真空泵或其它設備來增加深井井管和填料中的真空度。真空度的大小可以通過調整真空泵的功率和數量實現。

1-出口管;2-密封蓋;3-粘土封墻;4-中粗砂填料;5-減壓管;6-井管、真空管;7-無輔助真空降深曲線;8-輔助真空降深曲線;9-潛水泵;10-真空泵圖2 輔助真空的深井降水系統示意圖

2.2 真空混合管井構造

混合井根據潛水含水層及微承壓含水層的埋深及分層挖土深度，合理設置3個濾管，濾管長度2 m，采用圓孔過濾器，外包40目濾網，以確保有效降水。根據土方開挖深度，在淺部潛水層內，混合井前期起疏干井作用，井口密封，井身在開挖外露后及時妥善封閉，加真空，利用真空虹吸原理進行潛水疏干，方便土方開挖；隨土方開挖深度加大，在微承壓含水層內，起降壓井作用，井內布置潛水泵進行抽水降壓，防止基坑突涌，確保安全；潛水含水層土方開挖、井身外露后，對濾管有可靠的封閉措施，確保井身真空度，確保混合井使用功能從疏干順利轉變為降壓。混合井構造見圖3。

圖3 真空混合井構造示意圖 mm

3 滲流計算基本理論

3.1 滲流非穩定流方程

非穩定滲流微分方程[8]為：

式中：μ為給水度；kxx、,kyy、kzz為x、y、z方向滲透系數,m/d；H為點(x,y,z)在t時刻的水頭值,m；W為源匯項,t/h；

3.2 定解條件

初始條件：H(x,y,z,t)|t=0=H0(x,y,z,t0)

邊界條件：H(x,y,z,t)|?S1=H1(x,y,z,t)

式中：H0(x,y,z,t)為點(x,y,z)處降水前的初始水位(m)；t為時間(d)；S1為一類邊界條件，基坑外的邊界取降水影響半徑邊緣，為第一類邊界條件；H1(x,y,z,t)為第一類邊界條件處水位,m。邊界定義為定水頭邊界，水位不變。

4 工程實例

4.1 工程概況

上海古北某工程擬建一幢甲級辦公樓及商業裙房組成的綜合商業樓，地下三層，基坑面積16 572 m2，開挖深度20.30 m，開挖前場地標高3.9 m；基坑形狀近似呈長方形，南北長約120～190 m，東西方向寬約110 m，地層結構見圖1。

4.2 水文地質條件

基坑淺部屬于潛水類型，潛水水位0.5～1.2 m；第⑦層土層為上海地區常規的第一承壓水含水層，埋深在40.0～42.0 m之間，承壓水水位埋深7.84～8.32 m，呈周期性變化。

4.3 降水方案設計

因混合井必須同時滿足疏干潛水及降低微承壓水頭的要求，所以首先按照疏干井及微承壓降壓井互相獨立的原則分別計算數量，然后按“兩井合一”的原則進行疊加合并，確定最終的布井數量，可以全部采用混合井，也可以是少量疏干井結合大量混合井。

4.3.1 疏干井數量計算根據潛水層純疏干井的思路，疏干井數量計算公式：

n=A/a

(1)

式中：n為井數(口)；A為基坑降水面積，m2；a為單井有效抽水面積，m2。

單井有效抽水面積a在上海地區取200 m2，由式(1)得：n=A/a=16572/200=82.86口，因施工現場不確定因素較多，為安全儲備一口井，取84口井。

基坑內淺水疏干井建議采用多段濾管真空深井，根據本工程特點和土層地質資料，擬定200～300 m2布置一口疏干井，避開支撐、立柱。

4.3.2 微承壓降壓井數量計算根據前期水位地質勘探資料及現場抽水試驗取得的技術參數，以地下水滲流數值模擬及地面沉降預測與控制理論為指導，通過專業軟件Visual modflow，確定微承壓降壓井數量。

1)基坑降水數值模擬模型建立 根據基坑的地理信息，以基坑為中心，降水井影響半徑以外為邊界，在Visual modflow中建立模型(圖4)。

圖4 含水層三維數值模擬圖

2)微承壓降壓井數量計算 通過Visual modflow計算得出降壓井6口。n疏(疏干井)﹥n微承壓(微承壓井)，則總降水井數量n=84-6=78口，其中針對潛水及微承壓水(開挖深度19～20 m)的混合井74口，針對塔樓電梯井承臺坑中坑(開挖深度24 m)的降壓井4口。降水井點平面布置圖見圖5。

圖5 降水井點平面布置圖

4.3.3 降深預測等值線圖

1)Visual modflow軟件降深預測 采用Visual modflow軟件模擬第⑤3層含水層水頭最終降深預測等值線見圖6。數值模擬結果：水位降深超過開挖深度以下1.0 m，滿足土方開挖要求；提前降水30 d，保證微承壓水頭降至安全高度。

2)天漢軟件降深預測等值線 通過天漢軟件計算得出第⑤3層含水層水頭降幅等值線見圖7。結果：降深能滿足開挖要求。

圖6 Visual modflow預測 第⑤3層降深等值線

圖7 天漢軟件預測 第⑤3層降深等值線

4.3.4 混合井井深確定因潛水層埋深小于微承壓含水層，故混合井井深以降微承壓水為目的進行確定，其中第⑦層微承壓水埋深在40.0～42.0 m之間，則：h(混合井)=微承壓含水層層頂埋深+2.00m(濾頭長度)-開挖前場地標高=40.0+2.0-3.9=38.1m，取井深38 m；在第⑦層微承壓水中應有2.0 m的濾管。

4.4 預測地面沉降

降水引起的地面沉降理論公式：

式中：γw為水的重度，kN/m3；Esi為壓縮模量；S0i為初始厚度，m。

1)采用Visual modflow預測 采用Visual modflow有限差分法，由滲流方程求出某一時刻的水位降深，并對土方開挖到基坑底工況時，對降水引起周邊地表沉降進行計算，計算結果沉降等值線見圖8。

2)采用天漢軟件預測 通過天漢軟件計算得出地面沉降等值線見圖9。

圖8 Visual modflow預測降水引起地表沉降等值線

圖9 天漢軟件預測降水引起地表沉降等值線

由上述計算得出，采用真空混合井降水，基坑內沉降量在13～20 mm之間，距基坑邊0～2h(h為基坑開挖深度)，地表沉降量為5～12 mm，距基坑邊距離>2h，由于測得地表沉降量小于5 mm，則該布井方式滿足基坑安全及周邊環境的要求。綜上得出混合井方案滿足本工程降水要求。

5 地下水位監測

基坑外水位監測點布設12點，原則上在基坑每側每隔20-50 m設置一孔，本工程根據實際情況，基坑內西面、北面約30 m設置一孔，東面、南面約50 m設置一孔，基坑內水位監測布置7孔，水位監測孔平面布置見圖5；基坑內微承壓水位監測結果見圖10，基坑外西、南側水位監測結果見圖11。

圖10 基坑內微承壓水位監測結果

圖11 基坑外西、南側水位監測圖

圖10結果顯示，基坑內微承壓水觀測孔水位均在基坑底1.0 m以下，滿足施工要求水位低于開挖深度1.0 m以上，很好地保證了土方開挖及基坑的安全；圖11結果顯示，在降水的前兩個月，基坑外水位下降較大，基坑降水結束后，水位變化較小，并逐漸回升，整個水位變化在報警值之內，有效控制了降水引起周邊地表的沉降，降水對周邊環境的不利影響降低到最小，采用的真空混合井降水方法取得了很好的效果。

降水的同時基坑也在開挖，基坑周邊地表的沉降監測值為降水、基坑開挖共同引起的沉降量，不易分開，故本文未表述降水引起地表沉降的監測結果。

6 小結

1)上海地區地下水淺部為上層滯水、互層土中弱透水、微承壓的層間水和深部砂層微承壓水，且含水層都屬于弱透水層。地下水控制的理念為：上層滯水和層間水以帷幕隔滲為主，坑內降水疏干，承壓含水層采用減壓降水；即采用全封閉式豎向帷幕+真空管井封閉式降水。

2)以上海古北某基坑工程為例，采用地下連續墻+真空混合管井的降水方法，按單井有效抽水面積計算疏干井數量；建立了基坑降水數值模型，利用Visual modflow軟件，計算微承壓降壓井數量；最后采用真空混合管井74口，坑中坑降壓井4口，總降水井數量78口。

3)分別用Visual modflow、天漢軟件預測了降深及降水引起的地表沉降，并給出降深、地表沉降等值線圖。水位監測結果顯示，基坑內微承壓水均在基坑底1.0 m以下，滿足施工要求，基坑外水位為平緩狀態，有效控制了降水引起的地表沉降。