深基坑群井降水法效果研究與實(shí)例分析

莊群虎,顧家慧

(1.蘇州市軌道交通集團(tuán)有限公司，江蘇 蘇州 215000； 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098)

0 引言

近年來，對于基坑開挖和地鐵項目的建設(shè)，不可避免地遭遇越來越復(fù)雜的巖土問題，其中地下水控制就是一項風(fēng)險性比較大的技術(shù)[1]。基坑工程在實(shí)施之前必須重視地下水對基坑的不良影響，重視通過生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)[2-4]獲取水文地質(zhì)參數(shù)。地下水控制的成敗既與工程施工階段實(shí)際運(yùn)行控制有關(guān)，也與基坑降水設(shè)計是否合理有直接的關(guān)系[5]，為實(shí)現(xiàn)基坑降水設(shè)計和工程施工控制，工程中常常通過生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)獲取足夠的水文地質(zhì)參數(shù)，用來指導(dǎo)基坑開挖、井點(diǎn)布置以及評價止水帷幕[6-7]的止水效果。

本文通過蘇州市港田路站基坑降水工程群井的生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)來重點(diǎn)分析說明生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)獲得的水文地質(zhì)參數(shù)對降水運(yùn)行施工、基坑安全評價、關(guān)鍵施工步驟和止水帷幕效果的重要指導(dǎo)意義。

1 工程概況

1.1 工程及場地概況

港田路站是蘇州市軌道交通6號線工程的第25個車站，車站位于錦溪河下方，跨港田路沿錦溪河南北向布置。車站為地下2層12 m島式站，設(shè)置站前停車雙折返線，共設(shè)置2組風(fēng)亭和4組出入口。車站前方接中新大道東站，后方接金家堰站，兩端區(qū)間均采用盾構(gòu)法施工。標(biāo)準(zhǔn)段基坑深17.6 m～18.0 m，端頭井基坑深19.25 m，均采用明挖法施工。

標(biāo)準(zhǔn)段圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式：靠近讕調(diào)小區(qū)的區(qū)段采用1 000厚地下連續(xù)墻，其余區(qū)段采用800厚地下連續(xù)墻[8-9]。地下連續(xù)墻施工采用“地下連續(xù)墻液壓抓斗工法”[10-11]進(jìn)行施工。本標(biāo)段港田路站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800地墻和1 000地墻，接縫處采用φ800旋噴樁[12-13](三重管)止水。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

施工前進(jìn)行了詳細(xì)的地質(zhì)勘查，得到該場地土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：

①-1淤泥：底層標(biāo)高-1.70 m～-2.18 m，飽和、流塑態(tài)，層高0.20 m～0.30 m。①-2雜填土：底層標(biāo)高-2.34 m～ 1.52 m，飽和，層高2.50 m～4.70 m。①-3素填土：底層標(biāo)高-2.08 m～2.16 m，松散狀態(tài)，層高0.80 m～4.90 m。③-1黏土：底層標(biāo)高-4.59 m～-2.78 m，可塑狀態(tài)，層高0.80 m～5.20 m。③-2粉質(zhì)黏土：底層標(biāo)高-10.52 m～-4.04 m，軟塑～可塑，層高1.10 m～6.90 m。③-3粉土：底層標(biāo)高-7.43 m～-6.77 m，呈濕、稍密狀態(tài)，層高2.00 m～2.80 m。④-1粉質(zhì)黏土：底層標(biāo)高-17.38 m～-11.23 m，軟塑～可塑，層高2.10 m～8.80 m。④-1a粉土：底層標(biāo)高-21.07 m～-14.52 m,很濕、稍密～中密，層高1.60 m～4.30 m。⑤-1粉質(zhì)黏土夾粉土：底層標(biāo)高為-28.37 m～-20.60 m，軟～可塑，層高2.90 m～12.90 m。⑥-1黏土：底層標(biāo)高-30.20 m～-23.79 m，可塑～硬塑，層高1.70 m～5.40 m。⑥-2a粉土：底層標(biāo)高-28.18 m～-24.69 m，很濕～飽和，中密，層高0.50 m～3.30 m。⑥-2粉質(zhì)黏土夾粉土：底層標(biāo)高-30.38 m～-26.19 m，可塑，局部軟塑，層高0.50 m～2.70 m。⑦-1粉質(zhì)黏土：底層標(biāo)高-36.52 m～-30.64 m，軟塑～可塑，層高3.20 m～10.50 m。⑦-2粉土夾粉砂：底層標(biāo)高-42.76 m～-38.00 m，飽和，中密～密實(shí)，層高4.50 m～14.90 m。⑦-3粉質(zhì)黏土夾粉土：底層標(biāo)高-61.17 m～-54.98 m，可塑狀態(tài)，層高12.90 m～19.00 m。

根據(jù)本次鉆探揭露，擬開挖基坑范圍內(nèi)的水文狀況如下所示：

1)地表水：場地內(nèi)寬約25 m的錦溪河，該河道常年有水，現(xiàn)狀河底標(biāo)高約為-2 m。

2)地下水：本工程地下水分為潛水、微承壓水以及承壓水三類：

a.潛水:擬建場地淺層孔潛水賦存于表層填土層中，勘察期間，通過干鉆測得初見水位埋深0.50 m～2.50 m，24 h后測定淺層潛水穩(wěn)定水位埋深0.40 m～2.40 m，相應(yīng)穩(wěn)定水位標(biāo)高為1.27 m～1.79 m。

b.微承壓水:場地內(nèi)的承壓水主要存于④1a中，④1及⑤1亦有零星分布，④1a的厚度較小，一般厚度為1.6 m～4.3 m，且局部缺失，該含水層水量較小，富水性及透水性均一般。該微承壓含水層穩(wěn)定水頭標(biāo)高為1985國家高程基準(zhǔn)1.48 m。

c.第Ⅰ承壓水:根據(jù)本次勘察揭示，第Ⅰ承壓水含水層主要為⑦2粉土夾粉砂層，該含水層厚度較大，厚度為4.50 m～14.90 m，富水性及透水性較好，該層承壓水含水隔水層頂板為⑤1,⑥1,⑥2,⑦1。該承壓含水層穩(wěn)定水頭標(biāo)高為1985國家高程基準(zhǔn)-1.93 m。

根據(jù)鉆探結(jié)果分析可知：

本站基坑開挖范圍內(nèi)存在④1a層微承壓含水層，微承壓水水頭標(biāo)高1.48 m，坑底有承壓含水層⑦2層，承壓水水頭標(biāo)高-1.93 m。基坑開挖時需降低承壓水水頭。本站圍護(hù)結(jié)構(gòu)完全隔斷④1a層微承壓含水層，對于坑內(nèi)淺層潛水以及開挖后由微承壓水轉(zhuǎn)為潛水部分，采用疏干井降水。地連墻未對第Ⅰ層承壓含水層隔斷，為滿足坑底抗突涌穩(wěn)定性要求，當(dāng)基坑開挖至14.94 m時，應(yīng)按需降承壓水，其中端頭井段基坑承壓水最大降深約8.57 m，標(biāo)準(zhǔn)段基坑承壓水最大降深約5.56 m。

2 群井抽水試驗(yàn)實(shí)施

本工程基坑開挖深度為18.0 m～19.60 m，基坑開挖過程中需大面積、長時間抽降第⑦2層承壓水，為了解承壓水水頭埋深分布，取得承壓含水層的詳細(xì)水文地質(zhì)參數(shù)，從而制定合理、可行的降水設(shè)計處理方案，確定施工期間降壓井的降水施工參數(shù)和為布置降壓井提供依據(jù)，以及分析與預(yù)測降壓施工過程中對基坑周邊臨近建筑、周邊道路及市政管線的影響，本工程基坑專項開展承壓水現(xiàn)場抽水試驗(yàn)。

2.1 井群平面布置與結(jié)構(gòu)

為分析水文地質(zhì)條件，擬進(jìn)行水文地質(zhì)抽水試驗(yàn)，試驗(yàn)平面布置圖如圖1所示，對水力滲透性質(zhì)進(jìn)行全面的分析研究。

1)試驗(yàn)井工作量：在第⑦2層設(shè)置3口抽水井，觀測井7口。

2)井群結(jié)構(gòu)與平面布置：降水井的深度、濾管位置及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

其中抽水井為G1～G5，觀測井為J1～J5。

2.2 抽水試驗(yàn)部署

J1,J3,J5作為抽水井，抽水試驗(yàn)過程中，觀測坑內(nèi)J2和J4井內(nèi)地下水位和坑外G1～G5觀測井水位。

A基坑南端頭井內(nèi)群井抽水，開啟J1,J3,J5三口井進(jìn)行群井抽水，坑內(nèi)J2,J4內(nèi)最終水位降至12 m～13 m，滿足安全水位所需。觀測井為坑內(nèi)J2,J4兩口井，坑外G1～G5五口井。坑內(nèi)抽水井J1,J3,J5，坑內(nèi)觀測井J2,J4和坑外承壓水觀測井G1～G5各項參數(shù)相同，均為孔徑650 mm，井徑273 mm，井深40 mm，過濾器長6 m。

3 結(jié)果分析

3.1 初始水位

工程抽水試驗(yàn)前對承壓水初始水位進(jìn)行了觀測，坑內(nèi)井J1,J2,J3,J4,J5的井口以下水位埋深分別為2.90 m,3.50 m,3.10 m,3.50 m,3.30 m，坑外井G1,G2,G3,G4,G5的井口以下水位埋深分別為3.20 m,4.10 m,2.70 m,3.40 m,4.80 m。

根據(jù)目前資料，坑內(nèi)、外水位有一定起伏，第⑦層水位平均約在井口以下3.50 m，所以，本工程第⑦層承壓水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

3.2 抽水井流量

抽水試驗(yàn)共歷時48 h。其中，J1井平均出水量約為14.50 m3/h，J3井平均出水量約為15.27 m3/h，J5井平均出水量約為15.00 m3/h。3口抽水井出水量均較為穩(wěn)定，平均出水量約為15.00 m3/h(=360.00 m3/d)，整體出水量比較大。

3.3 觀測井水位降深

抽水試驗(yàn)期間，3口抽水井時，對坑內(nèi)、外7口井水位變化進(jìn)行同步監(jiān)測。最終水位降幅坑內(nèi)J2，J4分別為10.0 m，8.8 m，坑外G1，G2，G3，G4，G5分別為3.9 m，0.8 m，1.1 m，3.5 m，0.7 m。抽水期間，坑內(nèi)觀測井水位有明顯下降，水位已穩(wěn)定，坑內(nèi)最大水位降深已經(jīng)降至12.3 m～13.5 m，完全滿足基坑安全所需。坑外水位下降幅度0.70 m～3.90 m。綜合分析坑外水位變化趨勢，認(rèn)為基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)對地下水的阻隔作用較明顯，考慮到降水井深度比圍護(hù)結(jié)構(gòu)深，同時觀測井與抽水井距離不一樣，所以坑外觀測井水位下降不一，距離近的水位下降達(dá)到3.5 m～3.9 m，距離相對較遠(yuǎn)的觀測井水位下降約0.7 m～1.1 m。

3.4 觀測井水位恢復(fù)

停止抽水后，進(jìn)行水位恢復(fù)，水位恢復(fù)速度整體較快，坑內(nèi)井6 h水位恢復(fù)約90%。基坑超過臨界挖深以后，將進(jìn)行減壓降水，隨著基坑挖深增加，降壓幅度逐漸增加，減壓降水過程中，不得出現(xiàn)長時間斷電情況，否則承壓水水位恢復(fù)，基坑有突涌風(fēng)險。

4 基坑降水復(fù)核計算

“按需降水”[14]進(jìn)行控制(見表1)，本工程基坑充分考慮基坑底板的突涌安全性，須對下部承壓水含水層的頂托力對基坑的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，以防止產(chǎn)生高水頭承壓水從最不利點(diǎn)突涌的不良現(xiàn)象[15]。通常采用下式判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌(以下簡稱“抗突涌”)穩(wěn)定(安全)的狀態(tài)。

表1 承壓水“按需降水”安全水位控制表

(1)

其中，Ps為承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，kPa；Pw為初始狀態(tài)下(未減壓降水時)承壓水的頂托力，kPa；hi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，m；γsi為承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度(根據(jù)勘察資料本工程19.1 kN/m3)；H為高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；γw為水的重度，工程上一般取10.0 kN/m3；Fs為安全系數(shù)，工程上一般取1.05～1.20，本工程取1.10。

根據(jù)初步設(shè)計資料，基坑挖深18.00 m～19.65 m，本工程基坑開挖過程中基坑不滿足第⑦2層承壓含水層抗突涌驗(yàn)算的要求，需要對第⑦2層承壓含水層進(jìn)行降水處理。

根據(jù)工況，基坑南端頭井第4道支撐施工時需要進(jìn)行減壓降水，最大降深幅度近9.57 m；最終水位控制在9.56 m～12.57 m。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，坑內(nèi)降水井抽水時，可以將水位控制在基底以下，可以保證基坑最深開挖時不發(fā)生突涌風(fēng)險。

5 結(jié)語

1)根據(jù)目前資料，坑內(nèi)、外水位有一定起伏，第⑦2層水位平均約在井口以下3.50 m，建議本工程第⑦2層承壓水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

2)本工程南端基坑內(nèi)5口井，坑外5口井，基坑臨界挖深14.40 m，3口井以單井流量15.0 m3/h抽水時，水位能控制在安全所需，最終水位控制在9.56 m～12.57 m，滿足抗突涌計算所需，其余井為備用井。

3)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度32.5 m～35.0 m，插入承壓含水層3.0 m～6.0 m，降水井深度40.0 m，超過圍護(hù)體深度。抽水試驗(yàn)期間坑內(nèi)外水位差明顯，該區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)(止水帷幕)對⑦2層承壓水有繞流作用。

4)基坑開挖過程中，需加強(qiáng)對降水井的保護(hù)，以免井破壞后，影響降水運(yùn)行能力。基坑開挖過程中，需加強(qiáng)留意前期地質(zhì)勘探孔、監(jiān)測孔突水問題，出現(xiàn)冒水時，坑內(nèi)備用井可以開啟進(jìn)行抽水。