杭州市望江路隧道工程江南工作井深基坑工程地下水控制分析与对策

孙小波

1　引言

目前引发基坑工程事故的原因分为两类：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环境事故，如2003年上海轨道交通4号线工程浦东南路站-南浦大桥区间隧道工程进行中间风井下部联络隧道施工时，发生了大规模流砂事故，导致约270m隧道发生坍塌损坏，地面发生了较大的沉陷，事故场区建筑物和防汛墙发生倾斜破坏[2]；2006年，上海地铁7号线某车站降承压水诱发周围地层严重沉降，最大沉降量达到140mm[3]；南京、杭州等沿海城市也发生过多次类似事件[4～6]，基坑降水显得尤其重要。

目前基坑建设中对于地下水的认识多来源于工程勘察资料，其深度及精度受到很大的制约，远不能满足基坑工程地下水控制分析的要求，已成为深基坑工程承压水风险源之一[7]。

杭州市望江路隧道江南工作井临近钱塘江岸边，周边环境及水文地质条件复杂，地下水控制难度极大。为消除或减弱地下水对基坑安全及其周边环境的不利影响，开展了专项抽水试验，进行了基坑降水方案评价，提出了相应的基坑地下水控制措施。

2　工程概况

2.1　工程概况及周边环境

杭州市望江路过江隧道工程位于杭州市钱江三桥上游约1.5km处，由江北沙地路起，沿望江路，穿越钱塘江，至南岸江晖路，终于丹凤路，衔接上城区与滨江区，设计里程为YK0+000.000～YK3+586.566，全长3586.566m，其中隧道段长度3240m。

江南工作井基坑平面尺寸为37.6m×23.6m，开挖深度约为25.57m。基坑围护结构及止水采用地下连续墙，地下连续墙墙厚1200mm，深度65.0m，入中风化岩层不少于2.0m。

图1　杭州市望江路隧道平面及周边环境示意图

2.2　工程地质及水文地质条件

拟建场地内，根据勘探揭露地基土的成因时代、岩性、埋藏分布特征、物理力学性质，结合原位测试及勘察单位附近工程经验，可将勘探深度内地基土划分为10个工程地质层，共28个亚层和5个夹层。

江南工作井所处场地地层自上而下依次为：①2层素填土；③2砂质粉土；③3粉砂夹粉土；③4砂质粉土夹淤泥质粉质粘土；③5粉砂夹粉土；③7砂质粉土夹淤泥质粉质粘土；⑥2淤泥质粉质粘土；⑧1淤泥质粉质粘土夹粉砂；⑧3粉砂；12○1粉砂；14○3卵石；（23）2强风化砂砾岩及（23）3中等风化砂砾岩。基坑底板位于⑥2淤泥质粉质粘土中，止水帷幕底部位于（23）3中等风化砂砾岩中。

场地勘探深度以浅的地下水类型按其含水介质、水动力特征及其赋存条件，主要分为第四系松散岩类孔隙潜水、第四系松散岩类孔隙承压水和基岩裂隙水三类。

孔隙潜水主要赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内，勘察期间实测潜水位埋深1.30～4.50m，相对于标高为3.44～5.72m，平均水位标高为4.80m。

孔隙承压水主要赋存于下部⑧3、12○1粉砂和14○3卵石层内，上覆⑥和⑧层黏性土，是相对隔水层，构成了含水层的承压顶板。上述含水层之间水力联系密切，各含水层之间局部分布有相对隔水层，但上下两层含水层之间或直接接触或存在越流补给，因此可视为同一承压含水层。本含水层总的特点是：承压、透水性好、水量大，水质为咸水，属封存型含水层，地下水迳流滞缓。根据江南长期观测孔观测资料，水位标高为-0.45～-1.74m，水位变幅在0.65m之间。承压含水层在自然状态下，总体而言水头压力较平稳，水位变化较小。但由于受人工开采、降水和潮汐的影响，水位变化较大。

基岩裂隙水埋藏于第四纪土层之下，主要赋存于下部基岩风化裂隙内，含水层透水性受岩石的风化程度、裂隙的发育程度、裂隙贯通性等控制，裂隙水主要受侧向补给和上部承压含水层下渗补给，迳流缓慢，向下游排泄，基岩裂隙水水量微弱，对本工程意义不大。

3　专项水文地质试验

3.1　试验目的

江南工作井承压含水层由⑧3、⑨3粉砂、12○1粉砂、12○4圆砾和14○3卵石层含水层组构成，厚度达到约37m。基坑开挖深达到25.57m，在基坑施工过程中需大面积、长时间的抽降以上含水层组中的地下水。

鉴于本工程基坑降水井单井出水量大，周边环境复杂敏感，在基坑开挖施工时，应加强监测地下水水位的力度，且地下水水头埋深受季节性及潮汐影响，为掌握准确的地下水位信息，本工程基坑在正式开挖施工之前进行了抽水试验。

试验的目的主要是为制定可行、合理的地下水控制设计方案，包括以下几点：

（1）了解本地区地下水水头埋深分布情况、含水层组的水文地质性质、确定单井涌水量；

（2）分析断电/停泵施工风险；

（3）确定地层相关的水文地质参数；

（4）判断降水设计方案的合理性，并对抽水试验结果调整后续施工的降水井。

3.2　试验布置

根据试验目的，以基坑西侧为试验场区，坑外布设降水试验井。承压含水层共布置3口试验井（2口抽水井，1口观测井），具体井位及井结构如图2～3所示。结合监测方案，试验期间在试验区域范围内布置9个地表沉降监测点。

图2　承压试验井井位布置图

图3　承压试验井井剖面示意图

3.3　试验安排

本次试验包括单井抽水试验和两井抽水试验，主要用于确定含水层参数及分析抽水与环境变形间的关系。具体试验如表1所示。

表1　试验工况表（承压含水层）

4　水文地质评价

4.1　初始水位的确定

试验期间含水层组的水位埋深为6.17～6.69m，对应标高为0.29～0.24m，与勘察测量的地下水水位标高-0.45～-1.74m相比有一定差异。

考虑到水位观测时间的差异、场地地面情况的变化以及观测井点施工的影响，在基坑施工阶段应该对地下水水位埋深进行观测，以便使基坑工程降水设计施工方案更加合理可靠。

表2　实测地下水初始水位

4.2　降水效果

4.2.1单井试验

分别采用GY2、S1作为抽水井，进行单井试验，单井平均出水量分别为20.7m3/h、39.4m3/h。单井抽水期间，GY2观测井水位降深变化如图4所示，采用50m扬程额定流量为25m3/h的潜水泵，距抽水井不同距离处承压含水层观测井均发生了相应阶段性变化，距其7.15m处的S1水位降深为0.72m；距其19m处的GY3水位降深为0.91m，由于卵石层的不均匀分布性，S1井处补给大，降深较小。

图4　GY2单井，观测井水位降深变化历时曲线图

4.2.2两井试验

采用GY2、S1作为抽水井，单井平均出水量分别为17.5m3/h、33.2m3/h。抽水期间，观测井水位降深变化如图5所示。当以两井形式抽承压水时，距抽水井12.05～19.20m距离处的GY3观测井处水位降深为3.38m。

图5　两井观测井水位降深变化历时曲线图

4.3　水文地质参数的确定

本文通过建立三维地下水渗流数学模型，采用有限差分数值法，结合试验数据反演水文地质参数，参数计算结果如表3所示。

表3　抽水试验反演参数一览表

4.4　断电、停泵施工风险分析

GY2单井恢复期间，目的抽水层10min水位恢复至83.3%，恢复速度迅速；S2单井恢复期间，目的抽水层10min水位恢复至85.4～86.5%，恢复速度迅速；GY2、S2两井恢复期间，目的抽水层10min水位恢复至80.5%，恢复速度迅速。因此，施工期间如出现断电或者抽水井水泵损坏，而不能及时开启水泵时，基坑的安全将受到严重的威胁，因此降水期间必须配备足够功率的发电机，保障电源的正常工作，同时需设置一定数量的备用井，以防备水泵损坏出现异常情况。

4.5　环境变形分析

试验期间典型地表沉降数据如图6所示，单抽及恢复试验期间，地表沉降呈现明显的下降及回弹现象，但地表沉降变化滞后于抽水变化。单抽及恢复试验期间，最大累计沉降量为1.5mm，沉降量较小。两井抽水由于时间较短，且存在滞后现象，因抽水时间较短，试验期间沉降变化不明显。在实际降水施工期间，因抽水时间较长，对于保护的建构筑物除，必须加强监测，并做好充分的应急预案。

5　基坑工程地下水控制分析

5.1　基坑工程地下水控制的难点

本基坑工程紧邻钱塘江，工程环境条件复杂，在承压地下水控制方面主要存在以下几点难点：

图6　试验期间地表沉降累积变化曲线（断面DB2）

（1）基坑开挖深达25.57m，针对承压含水层降压幅度为14.5m，降水幅度大；

（2）基坑止水围护地连墙已进入下部的中风化岩，理论上已隔断承压含水层，故止水帷幕的有效性是本工程降水成功与否的关键因素之一；

（3）根据现场抽水试验数据，单井及两井出水量较大，达到17.0～40.0m3/h，后期施工运行难度大；

（4）本工程断电、停泵时，地下水水位恢复迅速，10min即恢复81%～87%，因此考虑对应风险；

（5）由试验可知，降水后会引起一定的地表变形。

5.2　基坑工程地下水控制的对策

针对上述难点建议采取以下地下水控制措施：

（1）地下水运行控制中需做到按需降水，确保开挖工况与降水工况保持一致，并加强环境监测；

（2）基坑内降水井施工完成后，需完成验证试验，检验降水及地墙止水效果；

（3）坑外布设观测井，加强坑外水位的观测，加强对地墙渗漏风险的预警；

（4）设置专项排水系统，应及时外排抽汲的地下水；

（5）考虑到断电/停泵风险及其他施工风险，地下水控制运行过程中需配备风险智能控系统，包括双电源智能化切换系统、断电报警系统、备用井自动开启系统、水位自动化监测和远程监控系统。

6　结论

杭州市望江路隧道江南工作井紧邻钱塘江，且周边环境复杂，为有效消除或减弱地下水引起的基坑安全风险及环境风险问题，本文通过专项水文地质试验，对本基坑工程的水文地质进行了评价，分析了本基坑工程地下水控制的难点和风险，进而提出了相应的对策，其结论可直接应用于基坑开挖期间的地下水控制设计及运行。

[1]龚晓南，主编.基坑工程实例3[M].中国建筑工业出版社，2010.

[2]上海隧道工程股份有限公司等.上海轨道交通4号线（董家渡）修复工程[M].同济大学出版社，2008.

[3]吴林高，姚迎.连续墙周边的地下水渗流特征及数值模拟[J].上海地质.1995（3）：8～14.

[4]郑剑升，张克平，章立峰.承压水地层基坑底部突涌及解决措施[J].建设科技，2003，10.

[5]缪国建.南京地铁元通路车站降水工程[J].建材与装饰，2011，07.

[6]李长山.杭州地铁秋涛路站基坑施工管涌分析处理[J].路基工程，2006，3.

[7]刘军，潘延平.轨道交通工程承压水风险控制指南[M].上海：同济大学出版社，2008.

[8]陆建生，崔永高，缪俊发.基坑工程环境水文地质评价[J].地下空间与工程学报，2011（增刊）：1506～1513.