上海第⑨層減壓降水懸掛式隔水帷幕深度的設計方法

楊洪杰 崔永高 孫建軍

1. 上海申通地鐵集團有限公司 上海 201103；

2. 上海廣聯環境巖土工程股份有限公司環境巖土中心 上海 200444；

3. 上海地下水綜合治理技術研究中心 上海 200444；4. 上海隧道工程軌道工程設計研究院 上海 200235

1 概述

隨著上海深層地下空間開發力度的加大，基坑的開挖深度日益加深[1]。對第二承壓含水層（⑨層）進行減壓，成為部分工程的必需項目。當受技術或經濟條件限制，不能對第二承壓含水層進行隔斷時，通常采取懸掛式隔水帷幕與減壓降水相結合的方法。因為上海地區第⑨層滲透系數大，滿足基坑本體安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗緩、擴展范圍廣，環境變形控制難度高。因此，合理地確定超深基坑懸掛式隔水帷幕的深度具有重要的現實意義[2-5]。

本文根據上海蘇州河深層蓄水隧道豎井、上海張江國家科學中心硬X射線激光裝置豎井的現場試驗和研究，對上海地區第⑨層減壓降水懸掛式隔水帷幕深度設計的關鍵技術難點，包括短濾管減壓井結構、減壓降水的沉降修正系數等，進行了探討，提出超深基坑深層承壓水控制懸掛式隔水帷幕深度設計的技術流程建議，為保證深層承壓水控制的基坑本體和環境雙安全提供了技術支撐。

2 超深基坑減壓降水懸掛式隔水帷幕的深度設計

2.1 現場抽水試驗及分析

在分析基坑工程特征、場地地質條件、環境保護要求的基礎上，對承壓水減壓需求、周邊環境保護的技術難點等進行預分析，選擇合理的試驗井結構、制定完整的試驗綱要。

2.1.1 短濾管減壓井濾管長度的確定

為增加減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差、控制減壓井的濾管長度，試驗期間應布置多種濾管長度的減壓井，以比較不同長度試驗井濾管的減壓效果，進而確定滿足基坑減壓需求的較短的濾管長度[2]。

當單井減壓降水，距離抽水井25 m處的觀察井的同層降深大于1.5 m時，可初步判斷該試驗井的濾管長度滿足基坑本體減壓需求。

提出不少于2種濾管長度的井結構，供后續數值模擬分析時選擇，最后選擇濾管長度較短、井數量合理、隔水帷幕深度較小的技術方案。

2.1.2 參數反演和基坑滲流模型的建立

為預測基坑減壓降水所形成的地下水滲流場和環境變形的時空分布特征，應構建正確的基坑工程水文地質滲流模型。通過現場水文地質試驗，獲得單井涌水量、觀察井的降深與時間曲線等，進而采用三維非穩定流數值模擬方法，反演各含水層的水平向和豎向滲透系數。

地下水滲流建模的平面范圍較大，應注意搜集資料，提高模型的仿真性。一般應有勘探孔穿過基坑降水所影響的含水層，進入隔水層。含水層中間的黏性土夾層也對滲流場有一定影響，可通過靜力觸探方法加以把握。

2.1.3 群井抽水試驗期間的分層沉降監測

降水誘發的沉降計算修正系數是環境影響評價的關鍵參數，宜通過現場群井抽水試驗期間的豎向變形監測數據反演確定。監測工作應滿足下列要求：

埋設不少于1組深層沉降標，監測各亞層層頂的豎向位移。當只埋設1組深層沉降標時，其平面宜布置在群井中心。深層標的標底應深入穩定土層；宜采用靜力水準自動化變形監測方法；應對群井降水的滲流場同步進行監測。

2.1.4 沉降修正系數計算

減壓降水沉降計算的修正系數計算流程如下：

1）利用建立的基坑滲流模型，求取分層沉降標平面位置處含水層不同豎向深度的降深和附加應力，求取各豎向單元的分層壓縮量（土層壓縮模量采用靜力觸探指標或標準貫入試驗擊數計算），疊加后得到含水層的壓縮量。

2）將計算所得的含水層壓縮量與實測值進行比較，從而得到各土層的沉降修正系數。

本方法通過監測群井抽水期間水位變化、土層豎向位移，力求比較正確地把握土層的降水變形特征。本方法盡管試驗工作量大，但能較可靠地估計減壓降水的環境變形，且可有效控制工程造價。

2.2 隔水帷幕深度比選

2.2.1 隔水帷幕深度比選的計算方法和原則

敏感環境條件下深層強透水性承壓水控制的設計，通常從現場抽水試驗開始，確定滿足基坑減壓需求的短濾管井結構、反演水文地質參數、建立滲流模型、計算降水沉降的修正系數，然后采用基坑三維非穩定流數值模擬，預估坑內降深場、坑外降深場及變形場的時空分布，減壓降水的持續時間按總包單位施工經驗確定。

環境保護對象處降水誘發的沉降采用一維分層總和法計算（修正系數采用上一節中提到的試驗反演值），并與基坑開挖導致的沉降疊加，其和應滿足保護對象的沉降控制要求。對可能采用的帷幕深度進行多工況的模擬和分析，從而選擇一個合理的隔水帷幕深度，獲得一個令人滿意的基坑本體、環境雙安全的技術方案。

2.2.2 隔水帷幕深度確定的技術流程

綜上所述，形成一個完整的工作流程，包括技術預分析、現場試驗和分析、減壓降水和隔水帷幕深度的協同設計、群井試驗驗證等。

1）技術預分析。明確環境保護要求，承壓水控制需求分析，降水設計類型預分析，制訂工程水文地質試驗方案。

2）現場試驗。含短濾管的多種井結構的單井抽水試驗、群井試驗和變形監測；試驗數據分析研究，初步確定不少于2種短濾管減壓井結構。

3）設計。工程類比法制訂承壓水控制方案，基坑減壓隔水一體化的模擬和分析，對隔水帷幕深度進行比選。

4）試驗驗證。群井驗證試驗，制訂運營方案，水位和變形監測。

2.2.3 工程案例

上海張江國家科學中心硬X射線激光裝置的5號豎井開挖深度達45.45 m，第⑨層需降水16.0 m；距離5號豎井90.7 m處有正在運營的軌交磁浮線，沉降要求控制在2.0 mm以內。場地第⑨層層頂埋深約78.0 m，場地缺失第⑩層黏性土隔水層，第二、第三承壓含水層直接連通，第三承壓含水層層底埋深138.0 m，含水層組厚度達60.0 m。采用深89.8 m地下連續墻圍護，地下連續墻未隔斷降水目的含水層組，為懸掛式帷幕減壓降水。⑨層減壓井結構采用6.0 m濾管，濾管深度為76.0～82.0 m。反演得到的滲透系數如表1所示，不同隔水帷幕深度參數下磁浮線沉降見表2。

表1 第⑨層及第11層參數

表2 隔水帷幕深度磁懸浮線處降深和沉降比較

反演得到的各層沉降修正系數：⑧2層為0.12，⑨層為0.08，層為0.09，比1小很多。研究表明，對第⑨層減壓降水誘發的沉降計算修正系數取1，會高估沉降。

工程實際的監測數據表明，⑨層減壓降水期間磁浮線累積沉降約2.0 mm。

3 關于第二承壓水減壓降水懸掛式帷幕深度的討論

3.1 第⑨層的水文地質參數

3.1.1 水文地質參數反演

為獲得降落漏斗的空間分布，觀察井與抽水井的水平距離宜在對數軸上均勻分布，且觀察井不少于3口。為了獲得豎向滲透系數，部分觀察井的濾管標高與抽水井濾管標高應保持一定的豎向間距，以觀察地層的豎向滲流水頭損失。

3.1.2 第⑨層的水文地質特性

上海第⑨層的沉積年齡為7.2萬～13.0萬年，在上海全區分布廣泛，為河流相沉積物，其埋深從西南向東北逐漸加大，層頂埋深為65.0～95.0 m，層底埋深98.0～105.0 m。目前工程上一般將該層分為3個亞層。第⑨1層粉細砂，夾薄層黏性土，厚度3.0～5.2 m；第⑨2-1層中砂，局部為粗砂，厚度9.0～11.5 m；第⑨2-2層粉砂，厚度7.8～8.5 m。

在第⑨1層粉砂夾粉質黏土與第⑨2-1層中砂之間，有的地方也分布第⑨1t層粉質黏土，厚度1.5～4.0 m，這對地下水的滲流會產生明顯的影響。目前，可獲得沿深度連續分布力學指標的靜力觸探，由于設備能力的限制，還較少進入⑨層，對⑨層地質特性的認識，還有待進一步的細化，⑨層的現場抽水試驗的數量和代表性還不夠。通過近5年的現場抽水試驗，對第⑨層的水力學特征進行初步總結，如表3所示。

表3 ⑨層水文地質參數經驗值

3.2 隔水帷幕的缺陷

上海地區通常采用的隔水帷幕施工工藝有：地下連續墻（下部一般設置構造配筋段）、CSM（雙輪銑）、TRD（渠式切割）、MJS（全方位高壓旋噴）等[3]。超深隔水帷幕施工技術難度高，需編制專項施工組織設計，施工完成后應進行隔水帷幕的質量檢測。目前隔水帷幕的質量檢測還沒有成熟可靠的辦法，有待進一步研究。

隔水帷幕的質量缺陷是基坑工程的重大風險源。細致地分析基坑驗證試驗階段的滲流場數據，可以增加隔水帷幕缺陷判斷的可靠度。要明確判斷缺陷的位置，尚需增加坑外觀察井的數量。根據檢測得到的帷幕缺陷可能性的前兆提出預警，可在一定程度上減少帷幕缺陷所造成的工程風險。對有缺陷的帷幕可以采取冷凍、旋噴、聚氨酯注漿等方法進行補強。

3.3 地下水的原水回灌

在敏感的保護對象處布置回灌井，既可涵養水資源，又可控制環境變形、節約造價，是一種綠色建造方法。業界對回灌試驗進行了試驗研究[4]，上海地區已積累了一些⑨層回灌試驗的數據。當采用回灌措施時，應進行抽灌一體化的滲流場模擬。

采用回灌措施的難點有二：一是敏感對象處常常沒有施工和運營場地；二是回灌井的堵塞緩解問題。真空緩堵工藝簡單、費用也較小，緩堵效果較明顯。采用真空緩堵工藝后，⑨層單井回灌水量可達50～250 m3/h[5]。

3.4 基坑群的減壓降水環境變形控制

針對基坑群的第⑨層減壓，應統籌協調，各基坑第⑨層減壓應錯時運營，以解決群坑減壓所造成的降深和變形的疊加效應問題。

上海張江國家科學中心基地建造的硬X射線激光裝置共有5個豎井，均需要對⑨層減壓。采取錯時運營，取得了良好的變形控制效果。

4 結語

根據上海第⑨層的現場試驗和工程實踐，得到以下結論：第⑨層滲透系數大，單井涌水量大，是強透水性含水層；第⑨層采用短濾管井結構，可減少隔水帷幕深度，節約工程造價；第⑨層減壓降水沉降修正系數，應通過群井抽水變形試驗監測后反演確定。

關于上海第⑨層的水文地質特性的研究，應在如下幾個方面進一步開展工作：開展第⑨層的靜力觸探試驗研究；進一步積累第⑨層現場抽水試驗和變形監測數據。