上海第⑨層減壓降水懸掛式隔水帷幕深度的設(shè)計(jì)方法

楊洪杰 崔永高 孫建軍

1. 上海申通地鐵集團(tuán)有限公司 上海 201103；

2. 上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司環(huán)境巖土中心 上海 200444；

3. 上海地下水綜合治理技術(shù)研究中心 上海 200444；4. 上海隧道工程軌道工程設(shè)計(jì)研究院 上海 200235

1 概述

隨著上海深層地下空間開(kāi)發(fā)力度的加大，基坑的開(kāi)挖深度日益加深[1]。對(duì)第二承壓含水層（⑨層）進(jìn)行減壓，成為部分工程的必需項(xiàng)目。當(dāng)受技術(shù)或經(jīng)濟(jì)條件限制，不能對(duì)第二承壓含水層進(jìn)行隔斷時(shí)，通常采取懸掛式隔水帷幕與減壓降水相結(jié)合的方法。因?yàn)樯虾５貐^(qū)第⑨層滲透系數(shù)大，滿(mǎn)足基坑本體安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗緩、擴(kuò)展范圍廣，環(huán)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(xiàn)實(shí)意義[2-5]。

本文根據(jù)上海蘇州河深層蓄水隧道豎井、上海張江國(guó)家科學(xué)中心硬X射線(xiàn)激光裝置豎井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和研究，對(duì)上海地區(qū)第⑨層減壓降水懸掛式隔水帷幕深度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，包括短濾管減壓井結(jié)構(gòu)、減壓降水的沉降修正系數(shù)等，進(jìn)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(shè)計(jì)的技術(shù)流程建議，為保證深層承壓水控制的基坑本體和環(huán)境雙安全提供了技術(shù)支撐。

2 超深基坑減壓降水懸掛式隔水帷幕的深度設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)及分析

在分析基坑工程特征、場(chǎng)地地質(zhì)條件、環(huán)境保護(hù)要求的基礎(chǔ)上，對(duì)承壓水減壓需求、周邊環(huán)境保護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)等進(jìn)行預(yù)分析，選擇合理的試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)、制定完整的試驗(yàn)綱要。

2.1.1 短濾管減壓井濾管長(zhǎng)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(zhǎng)度，試驗(yàn)期間應(yīng)布置多種濾管長(zhǎng)度的減壓井，以比較不同長(zhǎng)度試驗(yàn)井濾管的減壓效果，進(jìn)而確定滿(mǎn)足基坑減壓需求的較短的濾管長(zhǎng)度[2]。

當(dāng)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(shí)，可初步判斷該試驗(yàn)井的濾管長(zhǎng)度滿(mǎn)足基坑本體減壓需求。

提出不少于2種濾管長(zhǎng)度的井結(jié)構(gòu)，供后續(xù)數(shù)值模擬分析時(shí)選擇，最后選擇濾管長(zhǎng)度較短、井?dāng)?shù)量合理、隔水帷幕深度較小的技術(shù)方案。

2.1.2 參數(shù)反演和基坑滲流模型的建立

為預(yù)測(cè)基坑減壓降水所形成的地下水滲流場(chǎng)和環(huán)境變形的時(shí)空分布特征，應(yīng)構(gòu)建正確的基坑工程水文地質(zhì)滲流模型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)試驗(yàn)，獲得單井涌水量、觀察井的降深與時(shí)間曲線(xiàn)等，進(jìn)而采用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬方法，反演各含水層的水平向和豎向滲透系數(shù)。

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

2.1.3 群井抽水試驗(yàn)期間的分層沉降監(jiān)測(cè)

降水誘發(fā)的沉降計(jì)算修正系數(shù)是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)，宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)群井抽水試驗(yàn)期間的豎向變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演確定。監(jiān)測(cè)工作應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：

埋設(shè)不少于1組深層沉降標(biāo)，監(jiān)測(cè)各亞層層頂?shù)呢Q向位移。當(dāng)只埋設(shè)1組深層沉降標(biāo)時(shí)，其平面宜布置在群井中心。深層標(biāo)的標(biāo)底應(yīng)深入穩(wěn)定土層；宜采用靜力水準(zhǔn)自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)方法；應(yīng)對(duì)群井降水的滲流場(chǎng)同步進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1.4 沉降修正系數(shù)計(jì)算

減壓降水沉降計(jì)算的修正系數(shù)計(jì)算流程如下：

1）利用建立的基坑滲流模型，求取分層沉降標(biāo)平面位置處含水層不同豎向深度的降深和附加應(yīng)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(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)計(jì)算），疊加后得到含水層的壓縮量。

2）將計(jì)算所得的含水層壓縮量與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，從而得到各土層的沉降修正系數(shù)。

本方法通過(guò)監(jiān)測(cè)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(yàn)工作量大，但能較可靠地估計(jì)減壓降水的環(huán)境變形，且可有效控制工程造價(jià)。

2.2 隔水帷幕深度比選

2.2.1 隔水帷幕深度比選的計(jì)算方法和原則

敏感環(huán)境條件下深層強(qiáng)透水性承壓水控制的設(shè)計(jì)，通常從現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)開(kāi)始，確定滿(mǎn)足基坑減壓需求的短濾管井結(jié)構(gòu)、反演水文地質(zhì)參數(shù)、建立滲流模型、計(jì)算降水沉降的修正系數(shù)，然后采用基坑三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬，預(yù)估坑內(nèi)降深場(chǎng)、坑外降深場(chǎng)及變形場(chǎng)的時(shí)空分布，減壓降水的持續(xù)時(shí)間按總包單位施工經(jīng)驗(yàn)確定。

環(huán)境保護(hù)對(duì)象處降水誘發(fā)的沉降采用一維分層總和法計(jì)算（修正系數(shù)采用上一節(jié)中提到的試驗(yàn)反演值），并與基坑開(kāi)挖導(dǎo)致的沉降疊加，其和應(yīng)滿(mǎn)足保護(hù)對(duì)象的沉降控制要求。對(duì)可能采用的帷幕深度進(jìn)行多工況的模擬和分析，從而選擇一個(gè)合理的隔水帷幕深度，獲得一個(gè)令人滿(mǎn)意的基坑本體、環(huán)境雙安全的技術(shù)方案。

2.2.2 隔水帷幕深度確定的技術(shù)流程

綜上所述，形成一個(gè)完整的工作流程，包括技術(shù)預(yù)分析、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和分析、減壓降水和隔水帷幕深度的協(xié)同設(shè)計(jì)、群井試驗(yàn)驗(yàn)證等。

1）技術(shù)預(yù)分析。明確環(huán)境保護(hù)要求，承壓水控制需求分析，降水設(shè)計(jì)類(lèi)型預(yù)分析，制訂工程水文地質(zhì)試驗(yàn)方案。

2）現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。含短濾管的多種井結(jié)構(gòu)的單井抽水試驗(yàn)、群井試驗(yàn)和變形監(jiān)測(cè)；試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究，初步確定不少于2種短濾管減壓井結(jié)構(gòu)。

3）設(shè)計(jì)。工程類(lèi)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(duì)隔水帷幕深度進(jìn)行比選。

4）試驗(yàn)驗(yàn)證。群井驗(yàn)證試驗(yàn)，制訂運(yùn)營(yíng)方案，水位和變形監(jiān)測(cè)。

2.2.3 工程案例

上海張江國(guó)家科學(xué)中心硬X射線(xiàn)激光裝置的5號(hào)豎井開(kāi)挖深度達(dá)45.45 m，第⑨層需降水16.0 m；距離5號(hào)豎井90.7 m處有正在運(yùn)營(yíng)的軌交磁浮線(xiàn)，沉降要求控制在2.0 mm以?xún)?nèi)。場(chǎng)地第⑨層層頂埋深約78.0 m，場(chǎng)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(dá)60.0 m。采用深89.8 m地下連續(xù)墻圍護(hù)，地下連續(xù)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(jié)構(gòu)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(shù)如表1所示，不同隔水帷幕深度參數(shù)下磁浮線(xiàn)沉降見(jiàn)表2。

表1 第⑨層及第11層參數(shù)

表2 隔水帷幕深度磁懸浮線(xiàn)處降深和沉降比較

反演得到的各層沉降修正系數(shù)：⑧2層為0.12，⑨層為0.08，層為0.09，比1小很多。研究表明，對(duì)第⑨層減壓降水誘發(fā)的沉降計(jì)算修正系數(shù)取1，會(huì)高估沉降。

工程實(shí)際的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，⑨層減壓降水期間磁浮線(xiàn)累積沉降約2.0 mm。

3 關(guān)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(zhì)參數(shù)

3.1.1 水文地質(zhì)參數(shù)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(duì)數(shù)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(shù)，部分觀察井的濾管標(biāo)高與抽水井濾管標(biāo)高應(yīng)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(zhì)特性

上海第⑨層的沉積年齡為7.2萬(wàn)～13.0萬(wàn)年，在上海全區(qū)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(gè)亞層。第⑨1層粉細(xì)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(zhì)黏土與第⑨2-1層中砂之間，有的地方也分布第⑨1t層粉質(zhì)黏土，厚度1.5～4.0 m，這對(duì)地下水的滲流會(huì)產(chǎn)生明顯的影響。目前，可獲得沿深度連續(xù)分布力學(xué)指標(biāo)的靜力觸探，由于設(shè)備能力的限制，還較少進(jìn)入⑨層，對(duì)⑨層地質(zhì)特性的認(rèn)識(shí)，還有待進(jìn)一步的細(xì)化，⑨層的現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)的數(shù)量和代表性還不夠。通過(guò)近5年的現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，對(duì)第⑨層的水力學(xué)特征進(jìn)行初步總結(jié)，如表3所示。

表3 ⑨層水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值

3.2 隔水帷幕的缺陷

上海地區(qū)通常采用的隔水帷幕施工工藝有：地下連續(xù)墻（下部一般設(shè)置構(gòu)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(shù)難度高，需編制專(zhuān)項(xiàng)施工組織設(shè)計(jì)，施工完成后應(yīng)進(jìn)行隔水帷幕的質(zhì)量檢測(cè)。目前隔水帷幕的質(zhì)量檢測(cè)還沒(méi)有成熟可靠的辦法，有待進(jìn)一步研究。

隔水帷幕的質(zhì)量缺陷是基坑工程的重大風(fēng)險(xiǎn)源。細(xì)致地分析基坑驗(yàn)證試驗(yàn)階段的滲流場(chǎng)數(shù)據(jù)，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(shù)量。根據(jù)檢測(cè)得到的帷幕缺陷可能性的前兆提出預(yù)警，可在一定程度上減少帷幕缺陷所造成的工程風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)有缺陷的帷幕可以采取冷凍、旋噴、聚氨酯注漿等方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

3.3 地下水的原水回灌

在敏感的保護(hù)對(duì)象處布置回灌井，既可涵養(yǎng)水資源，又可控制環(huán)境變形、節(jié)約造價(jià)，是一種綠色建造方法。業(yè)界對(duì)回灌試驗(yàn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究[4]，上海地區(qū)已積累了一些⑨層回灌試驗(yàn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)采用回灌措施時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抽灌一體化的滲流場(chǎng)模擬。

采用回灌措施的難點(diǎn)有二：一是敏感對(duì)象處常常沒(méi)有施工和運(yùn)營(yíng)場(chǎng)地；二是回灌井的堵塞緩解問(wèn)題。真空緩堵工藝簡(jiǎn)單、費(fèi)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(dá)50～250 m3/h[5]。

3.4 基坑群的減壓降水環(huán)境變形控制

針對(duì)基坑群的第⑨層減壓，應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，各基坑第⑨層減壓應(yīng)錯(cuò)時(shí)運(yùn)營(yíng)，以解決群坑減壓所造成的降深和變形的疊加效應(yīng)問(wèn)題。

上海張江國(guó)家科學(xué)中心基地建造的硬X射線(xiàn)激光裝置共有5個(gè)豎井，均需要對(duì)⑨層減壓。采取錯(cuò)時(shí)運(yùn)營(yíng)，取得了良好的變形控制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)上海第⑨層的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和工程實(shí)踐，得到以下結(jié)論：第⑨層滲透系數(shù)大，單井涌水量大，是強(qiáng)透水性含水層；第⑨層采用短濾管井結(jié)構(gòu)，可減少隔水帷幕深度，節(jié)約工程造價(jià)；第⑨層減壓降水沉降修正系數(shù)，應(yīng)通過(guò)群井抽水變形試驗(yàn)監(jiān)測(cè)后反演確定。

關(guān)于上海第⑨層的水文地質(zhì)特性的研究，應(yīng)在如下幾個(gè)方面進(jìn)一步開(kāi)展工作：開(kāi)展第⑨層的靜力觸探試驗(yàn)研究；進(jìn)一步積累第⑨層現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。