孫小波

1　引言

目前引發(fā)基坑工程事故的原因分為兩類：一是土，二是水[1]。而其中大部分事故是因地下水引起的基坑安全事故及環(huán)境事故，如2003年上海軌道交通4號線工程浦東南路站-南浦大橋區(qū)間隧道工程進行中間風(fēng)井下部聯(lián)絡(luò)隧道施工時，發(fā)生了大規(guī)模流砂事故，導(dǎo)致約270m隧道發(fā)生坍塌損壞，地面發(fā)生了較大的沉陷，事故場區(qū)建筑物和防汛墻發(fā)生傾斜破壞[2]；2006年，上海地鐵7號線某車站降承壓水誘發(fā)周圍地層嚴重沉降，最大沉降量達到140mm[3]；南京、杭州等沿海城市也發(fā)生過多次類似事件[4～6]，基坑降水顯得尤其重要。

目前基坑建設(shè)中對于地下水的認識多來源于工程勘察資料，其深度及精度受到很大的制約，遠不能滿足基坑工程地下水控制分析的要求，已成為深基坑工程承壓水風(fēng)險源之一[7]。

杭州市望江路隧道江南工作井臨近錢塘江岸邊，周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水控制難度極大。為消除或減弱地下水對基坑安全及其周邊環(huán)境的不利影響，開展了專項抽水試驗，進行了基坑降水方案評價，提出了相應(yīng)的基坑地下水控制措施。

2　工程概況

2.1　工程概況及周邊環(huán)境

杭州市望江路過江隧道工程位于杭州市錢江三橋上游約1.5km處，由江北沙地路起，沿望江路，穿越錢塘江，至南岸江暉路，終于丹鳳路，銜接上城區(qū)與濱江區(qū)，設(shè)計里程為YK0+000.000～YK3+586.566，全長3586.566m，其中隧道段長度3240m。

江南工作井基坑平面尺寸為37.6m×23.6m，開挖深度約為25.57m。基坑圍護結(jié)構(gòu)及止水采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻墻厚1200mm，深度65.0m，入中風(fēng)化巖層不少于2.0m。

圖1　杭州市望江路隧道平面及周邊環(huán)境示意圖

2.2　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場地內(nèi)，根據(jù)勘探揭露地基土的成因時代、巖性、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測試及勘察單位附近工程經(jīng)驗，可將勘探深度內(nèi)地基土劃分為10個工程地質(zhì)層，共28個亞層和5個夾層。

江南工作井所處場地地層自上而下依次為：①2層素填土；③2砂質(zhì)粉土；③3粉砂夾粉土；③4砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；③5粉砂夾粉土；③7砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂；⑧3粉砂；12○1粉砂；14○3卵石；（23）2強風(fēng)化砂礫巖及（23）3中等風(fēng)化砂礫巖?；拥装逦挥冖?淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，止水帷幕底部位于（23）3中等風(fēng)化砂礫巖中。

場地勘探深度以淺的地下水類型按其含水介質(zhì)、水動力特征及其賦存條件，主要分為第四系松散巖類孔隙潛水、第四系松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水三類。

孔隙潛水主要賦存于場區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi)，勘察期間實測潛水位埋深1.30～4.50m，相對于標(biāo)高為3.44～5.72m，平均水位標(biāo)高為4.80m。

孔隙承壓水主要賦存于下部⑧3、12○1粉砂和14○3卵石層內(nèi)，上覆⑥和⑧層黏性土，是相對隔水層，構(gòu)成了含水層的承壓頂板。上述含水層之間水力聯(lián)系密切，各含水層之間局部分布有相對隔水層，但上下兩層含水層之間或直接接觸或存在越流補給，因此可視為同一承壓含水層。本含水層總的特點是：承壓、透水性好、水量大，水質(zhì)為咸水，屬封存型含水層，地下水逕流滯緩。根據(jù)江南長期觀測孔觀測資料，水位標(biāo)高為-0.45～-1.74m，水位變幅在0.65m之間。承壓含水層在自然狀態(tài)下，總體而言水頭壓力較平穩(wěn)，水位變化較小。但由于受人工開采、降水和潮汐的影響，水位變化較大。

基巖裂隙水埋藏于第四紀土層之下，主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，含水層透水性受巖石的風(fēng)化程度、裂隙的發(fā)育程度、裂隙貫通性等控制，裂隙水主要受側(cè)向補給和上部承壓含水層下滲補給，逕流緩慢，向下游排泄，基巖裂隙水水量微弱，對本工程意義不大。

3　專項水文地質(zhì)試驗

3.1　試驗?zāi)康?/h3>

江南工作井承壓含水層由⑧3、⑨3粉砂、12○1粉砂、12○4圓礫和14○3卵石層含水層組構(gòu)成，厚度達到約37m?；娱_挖深達到25.57m，在基坑施工過程中需大面積、長時間的抽降以上含水層組中的地下水。

鑒于本工程基坑降水井單井出水量大，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，在基坑開挖施工時，應(yīng)加強監(jiān)測地下水水位的力度，且地下水水頭埋深受季節(jié)性及潮汐影響，為掌握準確的地下水位信息，本工程基坑在正式開挖施工之前進行了抽水試驗。

試驗的目的主要是為制定可行、合理的地下水控制設(shè)計方案，包括以下幾點：

（1）了解本地區(qū)地下水水頭埋深分布情況、含水層組的水文地質(zhì)性質(zhì)、確定單井涌水量；

（2）分析斷電/停泵施工風(fēng)險；

（3）確定地層相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)；

（4）判斷降水設(shè)計方案的合理性，并對抽水試驗結(jié)果調(diào)整后續(xù)施工的降水井。

3.2　試驗布置

根據(jù)試驗?zāi)康?，以基坑西?cè)為試驗場區(qū)，坑外布設(shè)降水試驗井。承壓含水層共布置3口試驗井（2口抽水井，1口觀測井），具體井位及井結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。結(jié)合監(jiān)測方案，試驗期間在試驗區(qū)域范圍內(nèi)布置9個地表沉降監(jiān)測點。

圖2　承壓試驗井井位布置圖

圖3　承壓試驗井井剖面示意圖

3.3　試驗安排

本次試驗包括單井抽水試驗和兩井抽水試驗，主要用于確定含水層參數(shù)及分析抽水與環(huán)境變形間的關(guān)系。具體試驗如表1所示。

表1　試驗工況表（承壓含水層）

4　水文地質(zhì)評價

4.1　初始水位的確定

試驗期間含水層組的水位埋深為6.17～6.69m，對應(yīng)標(biāo)高為0.29～0.24m，與勘察測量的地下水水位標(biāo)高-0.45～-1.74m相比有一定差異。

考慮到水位觀測時間的差異、場地地面情況的變化以及觀測井點施工的影響，在基坑施工階段應(yīng)該對地下水水位埋深進行觀測，以便使基坑工程降水設(shè)計施工方案更加合理可靠。

表2　實測地下水初始水位

4.2　降水效果

4.2.1單井試驗

分別采用GY2、S1作為抽水井，進行單井試驗，單井平均出水量分別為20.7m3/h、39.4m3/h。單井抽水期間，GY2觀測井水位降深變化如圖4所示，采用50m揚程額定流量為25m3/h的潛水泵，距抽水井不同距離處承壓含水層觀測井均發(fā)生了相應(yīng)階段性變化，距其7.15m處的S1水位降深為0.72m；距其19m處的GY3水位降深為0.91m，由于卵石層的不均勻分布性，S1井處補給大，降深較小。

圖4　GY2單井，觀測井水位降深變化歷時曲線圖

4.2.2兩井試驗

采用GY2、S1作為抽水井，單井平均出水量分別為17.5m3/h、33.2m3/h。抽水期間，觀測井水位降深變化如圖5所示。當(dāng)以兩井形式抽承壓水時，距抽水井12.05～19.20m距離處的GY3觀測井處水位降深為3.38m。

圖5　兩井觀測井水位降深變化歷時曲線圖

4.3　水文地質(zhì)參數(shù)的確定

本文通過建立三維地下水滲流數(shù)學(xué)模型，采用有限差分數(shù)值法，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)反演水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)計算結(jié)果如表3所示。

表3　抽水試驗反演參數(shù)一覽表

4.4　斷電、停泵施工風(fēng)險分析

GY2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至83.3%，恢復(fù)速度迅速；S2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至85.4～86.5%，恢復(fù)速度迅速；GY2、S2兩井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至80.5%，恢復(fù)速度迅速。因此，施工期間如出現(xiàn)斷電或者抽水井水泵損壞，而不能及時開啟水泵時，基坑的安全將受到嚴重的威脅，因此降水期間必須配備足夠功率的發(fā)電機，保障電源的正常工作，同時需設(shè)置一定數(shù)量的備用井，以防備水泵損壞出現(xiàn)異常情況。

4.5　環(huán)境變形分析

試驗期間典型地表沉降數(shù)據(jù)如圖6所示，單抽及恢復(fù)試驗期間，地表沉降呈現(xiàn)明顯的下降及回彈現(xiàn)象，但地表沉降變化滯后于抽水變化。單抽及恢復(fù)試驗期間，最大累計沉降量為1.5mm，沉降量較小。兩井抽水由于時間較短，且存在滯后現(xiàn)象，因抽水時間較短，試驗期間沉降變化不明顯。在實際降水施工期間，因抽水時間較長，對于保護的建構(gòu)筑物除，必須加強監(jiān)測，并做好充分的應(yīng)急預(yù)案。

5　基坑工程地下水控制分析

5.1　基坑工程地下水控制的難點

本基坑工程緊鄰錢塘江，工程環(huán)境條件復(fù)雜，在承壓地下水控制方面主要存在以下幾點難點：

圖6　試驗期間地表沉降累積變化曲線（斷面DB2）

（1）基坑開挖深達25.57m，針對承壓含水層降壓幅度為14.5m，降水幅度大；

（2）基坑止水圍護地連墻已進入下部的中風(fēng)化巖，理論上已隔斷承壓含水層，故止水帷幕的有效性是本工程降水成功與否的關(guān)鍵因素之一；

（3）根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)，單井及兩井出水量較大，達到17.0～40.0m3/h，后期施工運行難度大；

（4）本工程斷電、停泵時，地下水水位恢復(fù)迅速，10min即恢復(fù)81%～87%，因此考慮對應(yīng)風(fēng)險；

（5）由試驗可知，降水后會引起一定的地表變形。

5.2　基坑工程地下水控制的對策

針對上述難點建議采取以下地下水控制措施：

（1）地下水運行控制中需做到按需降水，確保開挖工況與降水工況保持一致，并加強環(huán)境監(jiān)測；

（2）基坑內(nèi)降水井施工完成后，需完成驗證試驗，檢驗降水及地墻止水效果；

（3）坑外布設(shè)觀測井，加強坑外水位的觀測，加強對地墻滲漏風(fēng)險的預(yù)警；

（4）設(shè)置專項排水系統(tǒng)，應(yīng)及時外排抽汲的地下水；

（5）考慮到斷電/停泵風(fēng)險及其他施工風(fēng)險，地下水控制運行過程中需配備風(fēng)險智能控系統(tǒng)，包括雙電源智能化切換系統(tǒng)、斷電報警系統(tǒng)、備用井自動開啟系統(tǒng)、水位自動化監(jiān)測和遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

6　結(jié)論

杭州市望江路隧道江南工作井緊鄰錢塘江，且周邊環(huán)境復(fù)雜，為有效消除或減弱地下水引起的基坑安全風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險問題，本文通過專項水文地質(zhì)試驗，對本基坑工程的水文地質(zhì)進行了評價，分析了本基坑工程地下水控制的難點和風(fēng)險，進而提出了相應(yīng)的對策，其結(jié)論可直接應(yīng)用于基坑開挖期間的地下水控制設(shè)計及運行。

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