富水層深基坑工程減壓降水設計與試驗研究

陳瀲

（中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030001）

1 工程概況

某項目工程位于長興島北環河北側的農田內，沿南北向布置，為地上2層、地下2層（局部地下4層）單柱雙跨混凝土箱形結構。本區域基坑工程共分為南端頭、標準段、機架段和北端頭4個區域，南端頭井基坑開挖深度約25.8 m，標準段及機架段基坑開挖深度約24.11～28.16 m，北端頭井基坑開挖深度約31.7 m。場地整平后地面標高為+3.60 m。本工程基坑性質如表1所示。經本次勘察揭露，場地地基土在85.29 m深度范圍內均為第四紀松散沉積物，主要由飽和粘性土、粉土和粉砂組成，一般具有成層分布特點。擬建場地地基土自上而下分布及特征如表2所示。

表1 基坑工程施工內容概況

表2 場地土層分布及特征

表2（續）

影響本基坑開挖范圍的主要承壓含水層為第⑤3-2層、第⑦1-2層、第⑦2層、第⑨層。⑦1-2層水位埋深為2.19 m，標高為+1.41 m；⑦3層水位埋深為1.97 m，標高為+1.63 m；⑨1層水位埋深為1.77 m，標高為+1.83 m。前期水文地質勘察結果表明各承壓水層性質，如表3所示。

表3 不同含水層性質一覽表

2 減壓降水設計

2.1 基坑底板抗突涌穩定性驗算[1]

基坑底板抗突涌穩定性條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數下承壓水的頂托力。即：

式（1）中：h為基坑底至承壓含水層頂板間距離，m；γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的厚度加權平均重度，kN/m3；Fs為抗突涌安全系數，取1.05；γw為水的重度，kN/m3，取10 kN/m3；H為承壓含水層頂板以上承壓水頭高度，m。

依據勘察報告及水勘報告，對本工程影響的承壓含水層主要為⑤3-2、⑦層，應根據基坑不同位置及最不利鉆孔進行驗算，⑤3-2層水位取標高+1.42 m，⑦層水位取標高+1.4 m。具體基坑各部位底板抗突涌穩定性驗算結果如表4所示。

表4 基坑底抗突涌穩定性驗算表

上述驗算結果表明，本基坑工程全段均需要減壓降水。

2.2 設計思路

本基坑工程的止水帷幕深入⑦2層，隔斷⑤3-2、⑦1-2層，未隔斷⑦2層。因此針對⑤3-2、⑦1-2層為懸掛式降水[2-4]，于坑內布置減壓井，坑內觀測。⑦2層為敞開式，在坑外設置⑦2層單獨的減壓井，坑外設置⑦2層獨立觀測井。

2.3 工程難點

本工程承壓含水層降壓范圍為⑤3-2、⑦1-2、⑦2層，且前期水勘資料表明⑦2層為強富水層[5-6]，滲透系數大，對減壓降水提出了一定的難度；本工程全區段均需減壓降水，基坑周邊有一定的環境保護要求，需控制降水引起的周邊環境變形[7-8]，而⑦2層敞開式減壓降水對減壓設計以及降水運行管理提出了較高的要求；本工程⑦2層敞開式減壓降水運營期間，水位恢復迅速，要求備用電源啟用前的允許斷電時間間隔不大于2 min，這不僅加大了承壓水控制難度，同時也給后續降水運行管理提出了較高的要求。

2.4 抽水試驗

2.4.1 抽水井概況

根據工程安排，在降水井施工結束后進行群井試驗，群井試驗分為三階段，即三井群抽、九井群抽和十四井群抽。三井群抽和九井群抽階段主要針對⑤3-2、⑦1-2層減壓降水進行，十四井群抽是在九井群抽的基礎上增開坑外五口⑦2層減壓井針對⑦2層減壓降水。抽水試驗減壓井平面位置示意圖及井結構示意圖分別如圖1、圖2所示。

圖1 減壓井平面示意圖

圖2 抽水試驗井結構示意圖

2.4.2 試驗結果

三井群抽階段單井出水量平均約為11.66 m3/h，九井群抽階段單井出水量平均為6.8～12.6 m3/h。抽水井動水位埋深為39.2～46.3 m。三井群抽階段坑內觀測井YG1水位埋深為12.8 m，九井群抽穩定后坑內南端頭及標準段處觀測井水位埋深為27.15 m（安全水位控制埋深為15.19～16.83 m）；機架段處觀測井水位埋深為25.97 m（安全水位控制埋深為20.64 m）；北端頭井觀測井水位埋深為28.01 m（安全水位控制埋深為26.8 m）。各區域水位均滿足相應區域的⑤3-2、⑦1-2層安全水位控制需求。

九井群抽階段，YW4、YW8單井平均流量為73.5～76 m3/h，YW3、YW5、YW6單井平均流量為25.7～35.9 m3/h。抽水穩定后，在坑內9口⑤3-2、⑦1-2層減壓井+坑外5口⑦2層減壓井聯合抽水的基礎上，本工程南端頭及標準段處觀測井水位埋深為13.41 m（安全水位控制埋深為6.96～8.57 m）；機架段處觀測井水位埋深為14.55 m（安全水位控制埋深為12.41 m）；北端頭井⑦2層觀測井水位埋深為11.35 m（安全水位控制埋深為18.62 m）。南端頭及標準段、機架段水位均滿足相應的⑦2層安全水位控制需求，北端頭處因有2口減壓井YW1、YW2尚未施工，需待端頭加固施工完畢后方可施工。由三維數值模擬計算結果可知，待YW1、YW2施工完畢，在坑內9口⑤3-2、⑦1-2層減壓井+坑外8口⑦2層減壓井聯合抽水，可滿足北端頭井處⑦2層安全水位控制要求。抽水試驗期間各觀測井內水位變化如圖3所示。

圖3 不同群井抽水試驗階段觀測井水位變化曲線

2.4.3 試驗結論

根據本工程抽水試驗結果與分析，可以得出以下結論：①本工程的承壓水抽水試驗實測結果顯示，基坑內⑤3-2、⑦1-2層減壓井群抽可滿足基坑開挖至底時⑤3-2、⑦1-2層最大安全水位埋深需求。⑦2層減壓井群抽滿足南端頭、標準段、機架段區域對⑦2層的水位控制需求，北端頭因尚有2口減壓井YW1、YW2未施工，需待端頭加固施工完畢后方可施工，經數值模擬計算表明，待北端頭2口減壓井施工完畢，坑內⑤3-2、⑦1-2層群抽+坑外⑦2層群抽也可滿足北端頭對⑦2層的水位控制需求。②根據前期水文地質勘察報告可知，本工程⑦2層水位恢復迅速，要求備用電源啟用前的允許斷電時間間隔不大于2 min，運行高峰期排水量大、用電量高，現場需采取群抽狀態下的大流量排水措施和用電保障措施。③后期需合理配置抽水井內的深水泵，并按照擬定減壓井運行工況，秉承“按需降水、分層減壓”原則，嚴格控制基坑內⑤3-2、⑦1-2層、⑦2層水位降深，避免少降或超降。

3 減壓降水運行管理

為了控制減壓降水對工程周邊環境及工程自身的影響，根據降水方案及抽水試驗、試降水工況，結合基坑開挖工況，制定了詳細的減壓降水工況，如表5所示。

表5 減壓降水運行工況

根據表5可知，每個開挖工況提前1～2 d開啟相應的降水井進行降水，同時采用回水閥控制減壓井出水量，做到按需減壓。

4 結論

本工程作為長興島內鄰近長江的某項目深基坑工程，承壓含水層為強富水層，工程地質條件復雜；基坑全區段均需減壓降水，開挖深度最大的部位距離承壓水層頂僅6.57 m，減壓降水風險高。在正式減壓降水前通過抽水試驗進行分析，實現了減壓降水的安全設計，解決了工程施工過程中的難點，滿足了基坑開挖的安全需求。結合基坑開挖工況制定詳細的減壓運行工況，做到“按需減壓”[3]，控制減壓降水對周邊環境的影響。在減壓降水運行期間，采取備用電源及備用井等一系列的配套措施，是控制減壓降水運行風險最有效的措施。本工程的順利實施，為后續其他標段及其他類似臨近深基坑工程提供了良好的參考。