含滲漏通道砂層動態(tài)降水技術(shù)

閆子艦（上海建科工程咨詢有限公司，上海 200032）

0 引 言

砂質(zhì)粉土層具有顆粒松散、孔隙性多、滲透性強(qiáng)的特點(diǎn)，深基坑開挖至該地層前需要將基坑外圍水位降至基底以下，否則基坑內(nèi)外形成水頭差，一旦圍護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏，就會在水頭差作用下發(fā)生向基坑內(nèi)涌水涌砂現(xiàn)象，進(jìn)而造成周邊地層沉降以致地上建筑物損壞。

動態(tài)降水是對降水井開啟井?dāng)?shù)、降水時間、降水深度等方面系統(tǒng)性的降水過程進(jìn)行控制，目的是在有效降低粉細(xì)砂地層地下水水位的同時，又確保抽排水量保持在合理范圍內(nèi)，減少降水過程對周邊環(huán)境的影響[1]。

1 工程概況

某地鐵車站位于兩條主干道交叉口，周邊環(huán)境復(fù)雜，既有居民區(qū)和學(xué)校，也有數(shù)棟大廈。車站主體結(jié)構(gòu)長 166 m，寬 21.7 m，為地下 5 層 14 m 島式站臺車站，基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖深度為 33 m，端頭井開挖深度為 35 m，基底位于第 ⑦1層砂質(zhì)粉土，另外場區(qū)內(nèi)第 ⑦ 層為第一承壓含水層，頂板埋深為 26.5 m～34.4 m、頂板標(biāo)高為 －22.98 m～－30.76 m，第⑨ 層為第二承壓含水層，頂板埋深為 64.5 m～70.5 m、頂板標(biāo)高為 －61.15 m～－66.88 m，承壓水位埋深一般為 5.00 m?；硬捎镁c(diǎn)降水，具體降水井施工參數(shù)如表 1 所示。

表1 基坑原有降水井施工參數(shù)

基坑開挖至第八道基坑支撐位置時，轉(zhuǎn)角幅地墻處發(fā)生涌水涌砂現(xiàn)象（見圖 1），涌水涌砂點(diǎn)深約 31 m，土層位于第 ⑦1-1層草黃色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土土質(zhì)，后采取措施險情得到控制。

后續(xù)在基坑未開挖區(qū)域地墻外側(cè)采用全斷面連續(xù) MJS加固，滲漏點(diǎn)外側(cè)進(jìn)行雙重管高壓旋噴堵漏，坑外保障降水井、回灌井施工（見圖 2）。

圖1 滲漏點(diǎn)平面示意圖

圖2 基坑加固平面示意圖

降水的初步思路是在基坑恢復(fù)開挖施工前，開啟坑外降水井，分別將基坑所在開挖區(qū)域外側(cè)的第 ⑦ 層地下水位降低 10.00 m～15.00 m，以減少基坑地下連續(xù)墻內(nèi)外的水頭差?；謴?fù)開挖過程中基坑地墻再次出現(xiàn)滲漏且無法有效堵漏時，先將地墻滲漏點(diǎn)周邊的第 ⑦ 層水位降至 33.00 m～35.00 m，對滲漏點(diǎn)進(jìn)行封堵，封堵完成后恢復(fù)坑外第 ⑦層水位至 10.00 m～15.00 m，故北坑坑外降水井需具備降水能力至 33.00 m～35.00 m。

2 動態(tài)降水模型

本工程減壓降水目的層為第 ⑦ 層承壓含水層?？紤]到降水過程中，上覆潛水含水層將與下伏承壓含水層組之間發(fā)生一定的水力聯(lián)系，因此將上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層組一起納入模型參與計算，并將其概化為三維空間上的非均質(zhì)、各向異性水文地質(zhì)概念模型。

為了克服由于邊界的不確定性給計算結(jié)果帶來隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)。通過試算，本次計算以整個基坑的東、西、南、北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，向外擴(kuò)展約 600 m～700 m，即實(shí)際計算平面尺寸為 1 400 m×1 400 m，四周均按定水頭邊界處理。建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動非穩(wěn)定數(shù)學(xué)模型[2-3]

S為儲水系數(shù)；Sy為給水度；

M為承壓含水層單元體厚度（m）；

B為潛水含水層單元體地下水飽和厚度（m）。

kxx、kyy、kzz分別為各向異性主方向滲透系數(shù)（m/d）；

h為點(diǎn)（x，y，z）在t時刻的水頭值（m）；

W為源匯項(xiàng)（1/d）；h0為計算域初始水頭值（m）；

h1為第一類邊界的水頭值（m）；t為時間（d）；

Ω 為計算域；Γ1為第一類邊界。

3 動態(tài)模型求解

采用 ModFlow 有限差分軟件[4-5]，結(jié)合巖土工程勘察報告，以基坑為中心，以降水井影響半徑之外為邊界，建立離散模型網(wǎng)絡(luò)三維圖（見圖 3）。

圖3 離散型網(wǎng)絡(luò)三維圖

三維滲流模型假設(shè)條件如下：

（1）第 ⑦ 層承壓含水層初始水頭埋深為 5.00 m；

（2）基坑主體地下連續(xù)墻深度為 66.50 m，外圍止水帷幕 49.00 m;

（3）1 號附屬結(jié)構(gòu)及北端頭止水帷幕區(qū)域內(nèi)布置47.00 m 和 58.00 m 深井，47.00 m 深井按單井涌水量10.00 m3/h，過濾器長 14.00 m，58.00 m 深井按單井涌水量 40.00 m3/h，過濾器長 10.00 m，區(qū)域外布置的 58.00 m降水井按單井涌水量 60.00 m3/h，過濾器長 24.00 m，回灌井井深 52.00 m，按單井回灌量 10.00 m3/h，過濾器長18.00 m。

在三維滲流模型計算的基礎(chǔ)上，對基坑開挖區(qū)域所需開啟的應(yīng)急井?dāng)?shù)量按照正常降水狀態(tài)和應(yīng)急狀態(tài)分別計算。

正常降水狀態(tài)下，基坑標(biāo)準(zhǔn)段未開挖區(qū)域外側(cè)第 ⑦ 層水位降深為 10.00 m～15.00 m。通過三維地下水滲流模型計算，需開啟 3 口 47.00 m 和 1 口 58 m 降水井，3 h 內(nèi)可將外側(cè)第 ⑦ 層水位降低 15.00 m。東北角居民區(qū)最大水位降深為 0.93 m，受降水影響較小。

正常降水狀態(tài)下，基坑端頭井未開挖區(qū)域外側(cè)第 ⑦ 層水位降深為 10.00 m～15.00 m。通過三維地下水滲流模型計算，需開啟 4 口 47.00 m 降水井，3 h 內(nèi)可將外側(cè)第 ⑦層水位降低 15.00 m。居民區(qū)最大水位降深為 0.53 m，受降水影響較小。

應(yīng)急狀況下，基坑西側(cè)若發(fā)生地墻滲漏，需開啟坑外58.00 m 應(yīng)急井，將第 ⑦ 層水位降至 33.00 m～35.00 m。通過三維地下水滲流模型計算，坑外需開啟 2 口 58.00 m應(yīng)急井（另布 1 口水位觀測兼?zhèn)溆镁? h 內(nèi)能將水位降至 33.00 m～35.00 m。居民區(qū)最大水位降深為 0.79 m，受降水影響較小。

應(yīng)急狀況下，基坑北側(cè)若發(fā)生地墻滲漏，需開啟北端頭井內(nèi) 47.00 m 和 58.00 m 應(yīng)急井，將第 ⑦ 層水位降至 33.00 m～35.00 m。通過三維地下水滲流模型計算，坑內(nèi)需開啟2 口 47.00 m 和 3 口 58.00 m 應(yīng)急井（另布 2 口水位觀測兼?zhèn)溆镁? h 內(nèi)能將水位降至 33.00 m～35.00 m。東北角居民區(qū)最大水位降深為 3.38 m，受降水影響較大，需采取回灌措施。

4 施工工藝優(yōu)化

基坑坑外降水井在搶險和加固過程中，已出現(xiàn)部分降水井損壞或封堵現(xiàn)象，為此需要重新加設(shè)降水井。

按照三維滲流模型假設(shè)條件，北端頭帷幕止水區(qū)域內(nèi)47.00 m 深井按單井涌水量 10.00 m3/h，58.00 m 深井按單井涌水量 40.00 m3/h，區(qū)域外布置 58.00 m 降水井按單井涌水量 60.00 m3/h，回灌井井深 52.00 m，按單井回灌量10.00 m3/h 計算，故必須確保降水井單井排水量與假設(shè)情況相符。這就需要對降水井的施工質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格管控，為此，采取以下措施優(yōu)化施工工藝。

（1）預(yù)埋鋼護(hù)筒。由于基坑西側(cè)發(fā)生過滲漏，地層中形成滲流通道，在滲流區(qū)域采用泥漿護(hù)壁鉆孔時，泥漿極易從滲流通道流失造成塌孔，進(jìn)而影響到降水井施工質(zhì)量，為此，采取預(yù)埋長鋼護(hù)筒措施，所用鋼護(hù)筒長度達(dá)38/40 m，鋼護(hù)筒外徑為 700 mm，內(nèi)徑約 663 mm，且采用直徑小一號的 550 mm 鉆頭成孔。

（2）濾料級配控制和動水填砂。為防止砂濾料層含泥量過高，造成地下水向井內(nèi)滲透的通道不暢，嚴(yán)重影響單井出水能力，本工程對濾料級配采取嚴(yán)格控制。采用的粒徑為 1.2 m～2.2 m 占 85% 以上的級配砂?；靥顬V料過程中，采用動水人工填砂的方式，將填砂濾料沿井壁四周均勻徐徐填入（見圖 4）。

圖4 動水填砂示意圖

（3）氣舉反循環(huán)清孔。通過接空壓機(jī)的風(fēng)管（風(fēng)管放在導(dǎo)管內(nèi)）壓入空氣，空氣從風(fēng)管底端流出與泥漿形成氣泡，氣泡上升過程中壓力逐漸變小，形成負(fù)壓，具有排渣大、排渣快的特點(diǎn)，適用于孔壁不穩(wěn)的情況。

（4）活塞洗井。為防止孔壁附近土層在鉆孔時遺留下來的泥漿沒有洗凈，造成地下水向井內(nèi)滲流不暢，在下井管、回填濾料及黏土封孔后，先進(jìn)行空壓機(jī)洗井，待洗通濾料后，再進(jìn)行活塞洗井，活塞洗井時間不少于 5 h 或不少于 60 次。

（5）回灌井回灌水。為減少基坑降水過程中造成地面沉降，以致東北角居民住宅損壞，在基坑?xùn)|北角區(qū)域設(shè)置了一排回灌井，回灌井井深 52.00 m，單井回灌量在 10 m3/h。

經(jīng)過降水，基坑帷幕止水區(qū)域內(nèi)降水井單井出水量達(dá)到要求，觀測井內(nèi)地下水位降至 33 m 以下，周圍房屋在基坑外側(cè)搶險加固后降水期間沉降在合理范圍內(nèi)，且采用回灌井回灌水略有抬升。

5 結(jié) 結(jié)

對于砂性地層，考慮到潛水層對承壓層的水力補(bǔ)充關(guān)系，采用三維各向異性滲流模型，然后基于 ModFlow 有限差分軟件構(gòu)建離散三維滲流網(wǎng)絡(luò)圖，計算出基坑在正常降水狀況下和應(yīng)急狀況下開啟的降水井?dāng)?shù)和達(dá)到目標(biāo)水位開啟的時間，為施工過程中的降水操作提供了參考依據(jù)，將抽水量控制在合理范圍內(nèi)，減小了地面沉降。

考慮到原地層存在滲漏通道，為保證降水井施工質(zhì)量，確保單井出水量滿足要求，采用了預(yù)埋鋼護(hù)筒、濾料級配控制和動水填砂、氣舉反循環(huán)清孔、活塞洗井、回灌井回灌水等措施，促使地下水位降至設(shè)計要求，房屋沉降在合理范圍內(nèi)且有略微上抬。