城市復(fù)雜環(huán)境富水砂層盾構(gòu)接收井深基坑降水實(shí)驗(yàn)研究與分析

吳爍

摘 要：盾構(gòu)豎井是盾構(gòu)隧道工程建設(shè)的重難點(diǎn)，特別是在復(fù)雜城市環(huán)境下，要確保周圍城市地鐵、高速鐵路等建（構(gòu)）筑物的正常運(yùn)營，必須嚴(yán)格控制基坑降水對(duì)周圍地表的沉降影響。以上海市域線區(qū)間盾構(gòu)接收井深基坑為工程背景，根據(jù)工程面臨的具體疑難，提出針對(duì)性的降水設(shè)計(jì)方案，并采用抽水試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的手段對(duì)降水方案進(jìn)行驗(yàn)證，研究結(jié)果可為類似工程提供一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：城市盾構(gòu);深大基坑;降水方案設(shè)計(jì);抽水試驗(yàn);數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：U455.49文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-6903（2022）08-0040-04

0引言

盾構(gòu)以其快速、安全、穩(wěn)定、適合大斷面隧道施工、對(duì)地表沉降控制精度高、無需用氣壓法施工等優(yōu)點(diǎn)廣泛適用于城市隧道的施工[1]。而始發(fā)井、接收井的施工往往是盾構(gòu)工程的重點(diǎn)難點(diǎn)，特別是在復(fù)雜周邊環(huán)境情況下，必須嚴(yán)格控制基坑施工對(duì)周圍環(huán)境的影響，尤其是基坑降水對(duì)周圍構(gòu)筑物的沉降影響[2]。由此，研究復(fù)雜環(huán)境下基坑降水技術(shù)具有重要意義。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基坑降水技術(shù)展開了大量研究。定培中等[3]對(duì)比了多種基坑降水方法，研究發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的降水方法都能很好地解決深大基坑的降水問題，降水施工方案的設(shè)計(jì)離不開對(duì)基坑地層參數(shù)的準(zhǔn)確把握;游洋[4]采用數(shù)值模擬的方法研究了深基坑降水技術(shù);駱祖江[5]以某塔樓深基坑為依托工程，借助現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行了校正，優(yōu)化了深基坑降水設(shè)計(jì)和施工方案。

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)深基坑降水技術(shù)的研究上取得了顯著的成果[6]，但對(duì)復(fù)雜環(huán)境下城市盾構(gòu)深大基坑的降水技術(shù)研究還較少。以上海市域線區(qū)間盾構(gòu)接收井深基坑為工程背景，根據(jù)工程具體疑難，提出針對(duì)性的降水設(shè)計(jì)方案，并采用抽水試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的手段對(duì)降水方案進(jìn)行驗(yàn)證，研究成果可為類似工程提供參考價(jià)值。

1工程簡(jiǎn)介

2#風(fēng)井位于七寶站至華涇站區(qū)間，為盾構(gòu)接收井兼中間風(fēng)井（如圖1所示）?；娱L(zhǎng)30.4 m，寬25.4 m，深30.218 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用1.5 m厚地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻深64 m，未隔斷承壓水層?；訅p止水措施加強(qiáng)為直徑2400 mm的RJP高壓旋噴樁，在地墻墻趾處設(shè)置6 m厚N-jet人工隔水層進(jìn)行封閉式降水，降低坑內(nèi)降水對(duì)坑外水位影響，沿基坑深度共設(shè)置8道支撐。

1.1 工程地質(zhì)條件

2#風(fēng)井位于上海市中西部，屬濱海平原地貌類型。據(jù)鉆孔勘察，基坑從上至下地層依次為人工填土、粉質(zhì)粘土、灰色粘土、灰色粉質(zhì)粘土、草黃色粉質(zhì)黏土、灰黃色粉砂夾粉質(zhì)黏土、灰色粉砂等，基坑底部位于⑦1層粉砂夾粉質(zhì)粘土層。（基坑地質(zhì)剖面如圖2所示）

1.2 水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地揭露的地下水類型為賦存于淺部土層中的潛水以及中下部粉砂中的承壓水?；酉虏砍袎核畬臃植急容^均勻，⑦1層粉砂夾粉質(zhì)粘土、⑦2層粉砂，兩者相互貫通，可視為同一承壓含水層，基坑底部位于⑦1層粉砂夾粉質(zhì)粘土層之中，承壓含水層力學(xué)參數(shù)如下表1所示。根據(jù)水位監(jiān)測(cè)，第⑦層承壓含水層初始水位絕對(duì)標(biāo)高約為-0.86 m，承壓水水初始水位約在地下6.04～6.62 m。從安全角度考慮，降水設(shè)計(jì)時(shí)，第⑦層承壓含水層初始水位按地下以下6 m計(jì)算為宜。

2 工程難點(diǎn)分析

2.1 承壓含水層突涌風(fēng)險(xiǎn)與防治

據(jù)水文地質(zhì)專項(xiàng)勘察報(bào)告，本工程下部⑦2層不滿足基坑抗突涌驗(yàn)算要求。需要對(duì)承壓含水層進(jìn)行降水處理，水位應(yīng)維持在地下30.69 m，相應(yīng)降水幅度約為24.69 m，需考慮對(duì)該含水層進(jìn)行封閉式減壓降水。

針對(duì)承壓含水層于坑內(nèi)單獨(dú)布設(shè)降壓井，降壓井按照降壓幅度，在滿足坑內(nèi)降深需求的同時(shí)，盡量縮短濾管長(zhǎng)度，井深不進(jìn)入N-JET封底隔水層。同時(shí)于坑內(nèi)布置一定數(shù)量的觀測(cè)兼?zhèn)溆镁？觾?nèi)布設(shè)2口降壓井，井深48 m，5口坑內(nèi)備用兼觀測(cè)井，井深45 m和56 m;同時(shí)考慮到N-JET封底隔水層存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，在坑外布置針對(duì)N-JET隔水層和止水帷幕的備用兼觀測(cè)井，觀測(cè)N-JET和止水帷幕深度范圍內(nèi)水位的靈敏度，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并準(zhǔn)備應(yīng)急措施。

2.2 富水淤泥質(zhì)粘土降水控制

本工程開挖較深，基坑底板位于⑦1層粉砂夾粉質(zhì)粘土層，開挖范圍以粘土為主，該基層滲透性差，壓縮性高，為軟弱土層。若不采取措施降低土層含水量，將造成開挖面軟弱，滯水等不良現(xiàn)象，影響開挖面上的施工，較大的含水量也使得土體自立性差，影響開挖效率。由此可考慮采取以下解決方案：

疏干井和降壓井分開布置，疏干井主要針對(duì)上部潛水含水層，為避免疏干井揭穿承壓含水層，引起承壓水沿著疏干井突涌的問題，疏干井的深度應(yīng)與承壓含水層保持一定的安全距離。疏干井?dāng)?shù)量按200平方一口布置。配置雙路電源或備用發(fā)電機(jī)，確保后期抽水持續(xù)性;各區(qū)段前期成井后，需進(jìn)行降水驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)降深效果，細(xì)化降水方案。

2.3 復(fù)雜周邊環(huán)境沉降精準(zhǔn)控制

擬建場(chǎng)地西側(cè)約26.3 m為滬杭高鐵線，其為地面高架線路，工程周邊環(huán)境等級(jí)為一級(jí)，對(duì)沉降變形控制要求為2 mm。解決方案如下：

本工程雖有N-JET水平封底作為隔水層隔斷承壓水，但考慮到坑內(nèi)承壓水降深幅度較大，同時(shí)N-JET封底效果存在一定的不確定性，故在坑外高鐵一側(cè)針對(duì)承壓含水層單獨(dú)設(shè)置若干口應(yīng)急回灌井，平均間距15 m，在基坑開挖前進(jìn)行降水驗(yàn)證試驗(yàn)，判定坑內(nèi)抽水對(duì)坑外的滲流影響，提前做好風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)掌握坑內(nèi)外承壓水頭差異，且在必要時(shí)能夠作為回灌井使用。

在布置回灌井一側(cè)布設(shè)一定數(shù)量的觀測(cè)兼?zhèn)溆没毓嗑?。施工過程中，需密切關(guān)注坑內(nèi)抽水對(duì)坑外水位的影響，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)坑外不同含水層的水位變化。

3實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)井選擇

試驗(yàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況選擇坑內(nèi)井為Y1～Y2、YG1～YG5，坑外觀測(cè)井為HG1～HG10、BG1～BG2、GW1～GW4。降壓井性質(zhì)一覽表如表1所示，試驗(yàn)井平面位置圖見圖3所示。

疏干井布設(shè)。為保證施工安全，基坑開挖前需采用疏干井降低地層含水量。原則上疏干井濾管不應(yīng)進(jìn)入⑦層承壓含水層，考慮到第⑥層粉質(zhì)粘土為硬土層，所以將疏干井的濾管底設(shè)在⑥1層層頂處，疏干井深度為25 m。

降壓井布設(shè)。影響本工程的承壓含水層主要為⑦2層承壓含水層。該層層厚度較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)未將其隔斷，地墻墻趾處設(shè)置有5 m厚N-Jet隔水層，考慮在坑內(nèi)布設(shè)減壓降水井進(jìn)行封閉式降水?？紤]到⑦層降水需降到坑底以下1 m，根據(jù)類似項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合水勘試驗(yàn)成果，考慮到地層擾動(dòng)，本工程降壓井的井深設(shè)為48 m，濾管長(zhǎng)度為15 m。

坑內(nèi)觀測(cè)兼?zhèn)溆镁荚O(shè)。工作井中布置5口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?。井的四邊且靠近支撐的地方均勻布設(shè)4口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁靡杂^測(cè)坑內(nèi)降水薄弱位置的水位;工作井中心處布設(shè)1口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁?。針?duì)N-Jet布設(shè)井深為45 m、56 m的兩種觀測(cè)井，濾管長(zhǎng)度均為12 m。

坑外觀測(cè)兼?zhèn)溆镁荚O(shè)。本工程下伏含水層較厚，⑦2層滲透性較大，地墻及水平封底的質(zhì)量是決定本次基坑降水效果的關(guān)鍵因素之一。分別針對(duì)地墻及封底層布設(shè)深、淺不同類型的坑外觀測(cè)井。其中41 m井2口，64 m井及 71 m井各1口。

坑外應(yīng)急回灌井布設(shè)?？油鈶?yīng)急回灌井井布設(shè)原則如下：對(duì)于⑦2層承壓含水層共布設(shè)10口坑外應(yīng)急回灌井，布設(shè)在靠近高鐵一側(cè)，平均井間距15 m，井深53 m;布設(shè)2口坑外觀測(cè)兼?zhèn)溆没毓嗑?3 m。在基坑開挖前進(jìn)行群井驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)帷幕防滲質(zhì)量，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果及時(shí)采取相應(yīng)補(bǔ)漏等措施。

3.2 實(shí)驗(yàn)及分析

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)井點(diǎn)進(jìn)行了水位觀測(cè)，初始水位如表2所示。

降水實(shí)驗(yàn)降壓井所用水泵為功率5.5 kW，額定出水量25 m³/h的QJ型潛水泵，水泵下深至43～45 m。

采用Y1～Y2作為抽水井，抽水歷時(shí)35.1 h，Y1出水量約為219 m³，平均流量約為6.24 m³/h，Y2出水量約為309 m³，平均流量約為8.80 m³/h， YG1～YG3、YG5，坑外HG1～HG7、HG9～HG10、BG1、GW1～GW4作為觀測(cè)井。

群井抽水后，流量隨抽水時(shí)間整體呈逐步減小的趨勢(shì)。開始第一小時(shí)流量為15.7～18.9 m³/h，往后逐漸減小至4.5～5.5 m³/h。抽水后坑內(nèi)外水位變化如圖4、5所示。

由圖4可以看出，隨著抽水時(shí)間的增長(zhǎng)，坑內(nèi)水位明顯下降。抽水10 h左右，坑內(nèi)水位下降速度較為明顯，隨著持續(xù)抽水，下降速度減緩。隨著抽水時(shí)間的增長(zhǎng)，坑外略有下降。

降壓井停抽后，對(duì)坑內(nèi)⑦層井恢復(fù)試驗(yàn)，恢復(fù)試驗(yàn)歷時(shí)34.5 h，坑內(nèi)各層井水位恢復(fù)曲線如圖6所示，恢復(fù)速率如圖7所示。

降壓井抽水試驗(yàn)恢復(fù)階段，經(jīng)過30 min水位恢復(fù)后，坑內(nèi)井水位恢復(fù)了0.4%～1.3%，經(jīng)過60 min坑內(nèi)井水位恢復(fù)了0.9%～2.5%，經(jīng)過5 h坑內(nèi)井水位恢復(fù)了6.3%～10.3%，經(jīng)過12 h坑內(nèi)井水位恢復(fù)了14.4%～19.6%，經(jīng)過18 h坑內(nèi)井水位恢復(fù)了19.3%～23.4%，經(jīng)過24.5 h坑內(nèi)井水位恢復(fù)了25.4%～26.9%，經(jīng)過34.5 h坑內(nèi)井水位恢復(fù)了36.1%～38.6%?；謴?fù)速率較慢，恢復(fù)程度較低。

4結(jié)語

4.1 結(jié)論

以上海盾構(gòu)接收井深基坑為工程背景，根據(jù)工程具體疑難，提出了針對(duì)性的降水設(shè)計(jì)方案，同時(shí)采用抽水試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬的手段對(duì)降水方案進(jìn)行驗(yàn)證，得到了以下結(jié)論：

第一，坑內(nèi)Y1、Y2抽水35.1 h，坑內(nèi)水位明顯下降，下降趨勢(shì)隨時(shí)間逐漸減緩。坑內(nèi)⑦1層、⑦2層混合觀測(cè)井YG1、YG3、YG5靜水位埋深為31.94～32.10 m，滿足基坑開挖至底時(shí)⑦1層水位31.20 m的控制要求;坑內(nèi)⑦2層觀測(cè)井YG2靜水位埋深為32.09 m，滿足基坑開挖至底時(shí)⑦2層水位25.4 m的控制要求。

第二，抽水過程中，坑外各承壓水位觀測(cè)井下降幅度為0.04～0.18 m，最大降深為GW1（深度41 m）——0.18 m，位于基坑西側(cè)?？觾?nèi)水位在滿足安全水位控制要求的情況下，坑外各觀測(cè)井整體下降量較小。基本判定坑內(nèi)外承壓水沒有聯(lián)通，地連墻及封底加固共同形成的止水體系整體起到了較好的封閉效果。

第三，坑內(nèi)抽水35.1 h后停抽恢復(fù)，坑內(nèi)觀測(cè)井水位恢復(fù)速率比較平穩(wěn)，總體水位恢復(fù)速率慢，恢復(fù)程度較低。

4.2 建議

正式降壓時(shí)切實(shí)做好按需降壓，并密切關(guān)注周邊環(huán)境問題。基坑開挖至臨界深度前一周，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)承壓含水層初始水位的觀測(cè)，并根據(jù)后期實(shí)測(cè)的承壓初始水位調(diào)整降壓運(yùn)行工況。

基坑開挖前期及開挖過程中，應(yīng)提前排摸止水質(zhì)量并加強(qiáng)過程監(jiān)測(cè)，對(duì)潛在的滲漏點(diǎn)需及早處理。根據(jù)現(xiàn)階段坑內(nèi)水位恢復(fù)速率，建議在停電30 min內(nèi)需完成供電恢復(fù)。

基坑面積小，但基坑風(fēng)險(xiǎn)較高，周邊環(huán)境控制要求高，基坑外布設(shè)了應(yīng)急回灌井，必要情況下可進(jìn)行常壓回灌，從而減小降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

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