深层水平封底在巨厚砂卵石层基坑地下水控制中的应用

曹树辉， 车灿辉， 吉泳安

(1. 中交第三公路工程局有限公司， 北京 100000； 2. 安徽省地矿局第一水文工程地质勘查院，安徽 蚌埠 233000； 3. 南京达西岩土工程有限公司， 江苏 南京 210014)

0 引言

地下水控制主要有降水、隔水和回灌3种方式，在基坑工程中常常需要组合使用，才能保证地下水控制合理、可行、有效。根据隔水帷幕与含水层之间的关系，地下水控制又可分为无止水帷幕的敞开式降水、悬挂式止水帷幕下的止降结合、落底式止水帷幕下的坑内疏干[1-3]。当周围环境简单、基坑开挖深度浅时，采用无止水帷幕的敞开式降水无疑是一种最经济可行的地下水控制方法。但是，随着我国大规模的经济建设，这种有利的条件逐渐减少，地下工程规模越来越大、基础越埋越深、周边条件越来越复杂，地下水控制已不再是简单的降水，而与基坑工程自身安全及周边环境的保护都密切相关，是基坑工程设计和施工必须要考虑的重要问题。

在实际工程中，与隔水相结合的地下水控制技术得到了广泛的应用。刘清文等[4]在南京长江漫滩地区的青奥轴线超大超深基坑工程中，根据各部位的水文地质条件、开挖深度、周边环境等特点，分别采用敞开式降水、悬挂式止降结合、封闭式疏干降水、回灌等多种地下水控制技术，保证工程及周边环境的安全；卢智强等[5]通过数值模拟及工程实践，认为悬挂式止水帷幕对基坑外承压水的阻碍作用改变了地下水渗流场，对基坑降水起着积极的作用；王建秀等[6]对基坑降水种墙-井作用机制进行了研究，提出了墙-井作用可以改变水流方向、增加渗流路径、减小过水断面，并利用地层渗透各向异性实现水位控制和沉降控制；陆建生[7]从基坑尺度效应方面对悬挂式帷幕基坑地下水控制进行了探讨，提出超过一定尺度且周边环境需要保护时，应将含水层完全隔断，在不能隔断的情况下，应尽可能加大止水帷幕插入深度比，并通过地下水三维渗流计算，找到对应的插入深度最优值；冯晓腊等[8]对落底式止水帷幕的渗漏进行研究，提出了止水效果的评价及渗漏量计算方法；汪玉松等[9]分析了武汉某深基坑水平封底止水工程失败的案例，认为高喷封底点多面广、施工质量难以保证，桩体搭接部位存在局部薄弱带，导致在较大的水压作用下出现冒水翻砂，最后在坑内外施工了8口43 m的深井，将地下水位降低后才确保了工程顺利施工，并提出水平封底+减压降水相结合的止水方案。文献[10-13]分析了止水帷幕对基坑降水及周边地面沉降的影响，认为合理深度的止水帷幕至关重要。

以上研究多侧重于竖向止水帷幕条件下的地下水控制研究，而对水平止水帷幕的地下水控制研究较少，特别是在巨厚强透水性潜水含水层中的成功应用更少，文献[9]中水平封底止水失败的原因除了作者提到的桩体搭接部位存在薄弱带外，封底的位置接近基底也应是其失败的主要原因，封底位置太浅导致其无法抵抗下部水压，同时封底上部未预留降水井滤管空间，导致封底上部的水位无法降低。鉴于此，本文以福州地铁2号线桔园洲站为依托，针对巨厚强透水性潜水含水层给工程带来的涌水量大、降水难度大、施工风险大等难题，提出采用深层水平封底进行地下水控制的技术方案，并对方案实施方法进行理论分析、三维数值模拟及实测分析。

1 止降结合地下水控制原理与计算

1.1 悬挂式竖向止水帷幕

针对巨厚的潜水含水层深基坑工程，在竖向悬挂式止水帷幕情况下(见图1)，流入基坑的涌水量可近似借助达西定律进行分析计算：

(1)

式中：Q为基坑涌水量，m3/d；Kz为地下连续墙嵌固深度范围内地层的垂向渗透系数，m/d； Δh为墙底至基底的水位差，可近似取坑内外水位差，m；ld为墙底至坑内水位的土层厚度，m；A为基坑面积，m2。

图1 悬挂式止水帷幕+坑内降水模型

从式(1)可看出，ld的增加及Kz的减小均可使坑内涌水量变小。而悬挂式止水帷幕的设置，一方面可以延长地下水的渗流路径，另一方面可以使地下水在流经帷幕后渗流方向发生改变，由水平向运动转为垂向运动。通常情况下，含水层的垂向渗透系数要远小于水平方向，因此，悬挂式止水帷幕可有效减小坑内涌水量。

1.2 深层水平封底

当基底下部的地层为分选性较好的砂卵石层时，或垂向渗透系数与水平向相差不大时，悬挂式止水帷幕对坑内涌水量影响较小。如果含水层厚度较小，则可采用落底式止水帷幕，形成全封闭式坑内疏干降水。

如果含水层厚度大，采用落底式止水帷幕施工难度大、成本高时，也可考虑在基底以下一定深度设置水平封底(水平止水帷幕)，人为减小地层的垂向渗透系数Kz，从而降低坑内涌水量。此时，水平封底与基底之间应该预留一定厚度的原状地层，确保可布设降水井抽排由水平封底渗漏至基坑内的地下水，见图2。

图2 悬挂式竖向止水帷幕+深层水平封底+坑内降水模型

Fig. 2 Suspended water curtain, deep horizontal bottom sealing and pit dewatering model

1.3 水平封底深度计算

深层水平封底后，相当于在基底以下人为改造了一个相对弱的透水层，基坑开挖过程中，需要防止水平封底下部地下水造成渗流破坏。因此，深度设置需要满足一定的条件，除了使其上部有一定厚度的原状地层外，还要使得水平封底下部的地下水位可以不降低或者少降低。可借助基底抗突涌稳定性公式进行分析：

(2)

hw=d-h0-S；

(3)

D=d-h1。

(4)

式(2)—(4)中：ps为水平封底及上覆土层的压重，kN；pw为水平封底底部地下水的顶托力， kN；Ks为安全系数；D为水平封底底面至基底的土层厚度， m；m为水平封底厚度， m；hw为水平封底底面的压力水头高度， m；h0为初始地下水埋深， m;γ0为水平封底顶面至基底土层的加权天然重度，kN/m3；γ1为水平封底的重度，kN/m3；γw为水的重度，kN/m3；d为水平封底底面埋深， m；h1为基坑开挖深度， m；S为坑外水位降深， m。

联立式(2)—(4)，可得到水平封底深度计算公式：

(5)

从式(5)中可以看出，水平封底深度与安全系数之间有极大的关系，根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，可取安全系数为1.1。

1.4 水平封底厚度计算

深层水平封底后，墙底嵌固深度范围内土体的垂向等效渗透系数Kv可通过式(6)确定。

(6)

从式(6)可看出，原地层垂向渗透系数Kz及水平封底垂向渗透系数Kz′越小，垂向等效渗透系数Kv也越小。理论上，当Kz′=0，即水平封底不透水时，则垂向等效渗透系数Kv=0，基坑内涌水量也为0。

对式(6)进行变形，可得到水平封底厚度m的计算公式：

(7)

式中η为水平封底止水效果，η=1-Kz′/Kz。

从式(7)可看出，封底厚度与封底止水效果η成反比，当封底止水效果越好，垂向渗透系数越小，则封底厚度设置也可以越小。受施工工艺、地层条件等影响，与垂直止水帷幕相比，水平向止水帷幕施工难度大，实际工程中，无法做到深层水平封底滴水不漏，建议封底厚度不小于5 m。

2 工程概况

地铁车站基坑长约280 m、宽约20 m、深16.5～18.5 m，距离乌龙江约800 m。车站所处场地自上而下主要为〈2-5-2〉粗中砂(稍密)、〈2-5-2〉粗中砂(中密)、〈3-3〉中粗砂、〈3-8〉卵石层，见图3，其中，卵石层中存在漂石。周边存在居民小区及大量管线，车站南侧为已建小区，基础形式为PHC管桩，桩长19.0～27.1 m，小区的地下室边线距离车站主体基坑最近约15.4 m。

场地地下水主要以孔隙潜水为主，主要含水介质为粗中砂、卵石，厚度超过50余m，水位埋深2.30～4.30 m、水位标高3.79～5.78 m。为充分了解场地含水层水文地质特征，选择合适的围护结构方案，现场进行了专项抽水试验[14]，得到场地含水层综合渗透系数约为110 m/d，各地层的渗透系数见表1。根据GB 50307—2012《城市轨道交通岩土工程勘察规范》含水层的透水性为强透水性。

图3 地质剖面示意图(单位： m)

表1 水文地质参数反演结果表

3 方案优选

初步设计时，地下连续墙深度为36.5 m，属悬挂式止降结合的地下水控制方案，预估基坑总涌水量约10万m3/d，涌水量极大。考虑到车站周边环境、工程实施的可行性及高风险源的可控性，无法采用此方案。

采用落底式地下连续墙能有效减少基坑内涌水量及坑外水位降深，但考虑到地下连续墙深度大，垂直度难以保证，下部地下连续墙容易错位，存在渗漏风险；且地下连续墙下部卵石颗粒大(存在孤石)、基岩强度高，成槽难度大。因此，需要选择一种最优的嵌固深度，并结合深层水平封底进行地下水控制。

利用式(1)进行涌水量估算时，墙底至基底的水位差Δh难以确定，因为坑内降水时，坑外水位也会出现不同程度的下降。因此，本次选用目前国际上最为流行的三维地下水流模拟标准可视化专业软件Visual MODFLOW进行数值分析。

3.1 地下水流模型

对于潜水含水层中地下水三维(各向异性)渗流问题可用定解[15]问题来描述：

(8)

式中：Kxx、Kyy和Kzz为平行于主轴x、y和z方向的渗透系数，m/d；W为单位体积流量，代表流进或流出的源汇项，m3/d；h为点(x，y，z)在t时刻的水位，m；Ss为储水率，1/m；Ω为渗流区域；H为水头值，m；H0(x,y,z,0)为研究区各层初始水头值；φ1(x,y,z,t)为研究区各层第1类边界Γ1上的已知水头函数，m； cos(n,x),cos(n,y),cos(n,z)为边界Γ2上法线方向单位矢量的分量；q(x,y,z)为第2类边界Γ2上的单位面积法向流量，m2/d，对于隔水边界，q=0。

3.2 边界条件

基坑西侧约800 m处为乌龙江，江水直接切割含水层，形成了定水头补给边界；而其余三侧距离天然水文地质边界较远，为克服边界的不确定性给计算结果带来影响，将抽水影响范围外人为定义为补给边界；地下连续墙按照隔水界面处理。

初始地下水位标高取+4.50 m。整个模拟区为1个约2 300 m×2 300 m的矩形区域，见图4。

图4 三维模型网格剖分图

3.3 模型剖分

采用六面体网格剖分，网格大小为25 m×25 m，在抽水井、临时止水帷幕附近采用较小的网格距进行再次剖分，大小约1 m×1 m，平面上剖分为84行、105列，共44 100个网格。剖面上，根据地层岩性、钻孔柱状资料、止水帷幕深度等对含水层组进行划分，分为6层，见图5。地层参数采用现场抽水试验参数(见表1)。

图5 模型渗透系数分区剖面图

3.4 模拟结果及分析

3.4.1 增加地下连续墙嵌固深度

以初步设计图纸中的地下连续墙深度36.5 m为起点，逐步加深地下连续墙的嵌固深度，通过数值模拟计算，得到不同嵌固深度下的基坑总涌水量及坑外水位降深，见表2和图6。从表2和图6可看出，随地下连续墙深度的增加，坑内涌水量及坑外水位降深均减少，曲线分别在地下连续墙深度为41.5、53 m出现拐点： 1)从36.5 m增加到41.5 m(墙底进入卵石层2 m左右)，地下连续墙加深5 m，涌水量减少15 500 m3/d，变幅较明显，约3 100 m3/(d·m)； 2)从41.5 m增加到53 m，地下连续墙加深11.5 m，涌水量减少19 900 m3/d，变幅较平缓，约1 730 m3/(d·m)； 3)从53 m到55.5 m时，墙底进入基岩，涌水量减少十分明显。

表2不同地下连续墙深度下的涌水量及坑外水位降深

Table 2 Water inflow and water drawdown outside pit at different wall depths

地下连续墙深度/m坑内涌水量Q/(m3/d)坑外水位降深S/m备注36.598 5006.52原设计39.092 5006.0741.583 0005.35最优44.078 5005.0446.576 5004.9249.073 7004.7551.569 3004.4853.063 1004.0755.518 2001.34

图6 基坑涌水量与地下连续墙深度关系曲线

Fig. 6 Relationship curve between water inflow of foundation pit and wall depth

因此，综合分析，地下连续墙最优深度可按41.5 m考虑。

3.4.2 增加深层水平封底

根据3.4.1计算结果，地下连续墙深度加深到41.5 m时，基坑涌水量依然高达83 000 m3/d。为此，需增加深层水平封底，对地层的渗透性进行改良，以达到减少基坑总涌水量、降低基坑施工风险的目的。

数值模型中，先将地下连续墙嵌固深度范围内的土体作为一个整体，逐步降低其等效渗透系数，通过数值模拟计算，得到不同渗透系数下的基坑涌水量及坑外水位降深，见表3和图7。从表3和图7中可看出，基坑涌水量及坑外水位降深随渗透系数的减小呈抛物线变化。当渗透系数减小到12 m/d时，总涌水量减小到40 000 m3/d以下；当渗透系数减小到7 m/d时，总涌水量减小到25 000 m3/d以下，效果明显。

表3不同透渗透系数下的涌水量及坑外水位降深

Table 3 Water inflow and drawdown outside pit under different permeability coefficients

等效渗透系数Kv/(m/d)基坑涌水量Q/(m3/d)坑外水位降深S/m33.8383 0005.3518.8053 9003.3712.0039 5002.487.0024 5001.563.8514 5000.92

图7 基坑涌水量与等效渗透系数关系曲线

Fig. 7 Relationship curve between water inrush and average permeability coefficient of foundation pit

3.5 封底深度及厚度确定

3.5.1 水平封底深度

基坑开挖深度h1=16.5 m，暂不考虑封底的重度，土层加权重度γ0=γ1=19 kN/m3，初始地下水埋深h0=3.5 m，根据表3，坑外水位降深S取1.56 m；从安全角度考虑，不考虑封底与地下连续墙之间的黏聚力，取安全系数Ks=1.1。

将上述参数带入式(5)，计算得到水平封底的深度d≥32.23 m。因此，按33 m考虑，即较基坑深约16.5 m。

3.5.2 水平封底厚度

将表3中的等效渗透系数Kv代入式(7)，可得到止水效果、封底厚度、等效渗透系数之间的关系，见表4和图8。从表4及图8中可看出： 止水效果达到95%时，封底厚度只要4.8 m，垂向综合渗透系数就可以小于7 m/d，涌水量可减小至24 500 m3/d。

表4等效渗透系数与止水效果、封底厚度关系

Table 4 Relationship among permeability coefficient, waterproof effect and bottom sealing thickness m

水平封底止水效果η/%等效渗透系数Kv/(m/d)18.8012.007.003.8580.04.8010.9223.0085.03.397.7016.2390.02.134.8510.2220.7995.01.012.304.849.8597.50.491.122.364.80

图8 止水效果与封底厚度关系曲线

Fig. 8 Relationship curve between reinforcement effect and thickness

综上分析，结合基坑所处在的地层、周边环境及水文条件，车站基坑围护结构方案如下： 采用800 mm厚地下连续墙，深度以41.5 m及进入卵石层不得小于2 m进行双控；在基底以下11.5～16.5 m处设置5 m厚水平封底止水帷幕，以减小基坑涌水量。另外，为降低施工风险，在基坑横向设置施工3道横向隔断，深度与水平封底深度相同，将基坑划分为4个区域(见图3)。

3.6 降水井布置

3.6.1 降水井数量

降水井数量可根据基坑涌水量和设计单井出水量按式(1)计算[1]。

n′=λQ/q′。

(9)

式中：n′为降压井数量；Q为基坑涌水量，m3/d，按水平封底止水效果90%～95%考虑，根据表3和表4，基坑涌水量取其平均值，按约32 000 m3/d考虑；q′为单井出水量，m3/d，可根据式(10)计算；λ为调整系数，一级安全等级取1.2、二级安全等级取1.1、三级安全等级取1.0，本次按1.2取值。

降水管井的单井出水能力

(10)

式中：r为过滤器半径，取0.136 5 m；l为过滤器进水部分长度，降水后，进水长度约7 m；k为含水层渗透系数，取过滤器所处土层的水平向渗透系数65.7 m/d。计算得到降水井最大单井出水量约1 400 m3/d，与前期现场抽水试验实测值基本一致。

根据式(9)，计算得到降水井数量为28口。另外，根据JGJ 111—2016《建筑与市政工程地下水控制技术规范》，降水应设置备用井，备用井数量应为计算降水井数量的20%。因此，基坑内共布置34口降水井。

3.6.2 降水井结构

降水井主要由井壁管(实管)、滤水管、沉淀管、滤料、水泵及排水泵管等组成。综合考虑基坑挖深、水平封底、地层情况等，降水井深28 m，位于加固体以上。降水井孔径550 mm，井管为直径273 mm、壁厚3 mm钢管，滤管为与井管同规格的桥式滤管，外包单层60目锦纶滤网，底部设1 m沉淀管，场地地层透水性好，为方便后期封井，坑内降水井滤管设置在基坑底板以下，见图9。

4 方案实施

4.1 封底加固

现场采用φ1 100 mm@850 mm超高压三重管旋喷桩进行深层水平封底加固，采用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥。通过试桩，采用喷浆压力22～25 MPa、水压25～30 MPa、气压大于0.7 MPa、流量大于30 L/min、提升速度12 cm/min、水灰比1.0、旋转速度10 r/min、水泥掺量40%、成桩φ1 100 mm@850 mm的参数进行施工控制。

为保证封底加固质量，除了按上述参数严格控制外，同时采取以下措施： 因加固深度大、地层主要为粗中砂层，采用地质钻机预先引孔，避免在施工过程中出现钻进困难及抱杆现象；在加固体顶部50 cm喷浆以保证水平封底整体质量；采用跳打方式施工，1根桩施工结束后，将设备至少间隔2个桩位移动；严格控制垂直度。

图9 围护结构典型剖面及降水井结构图(单位： m)

Fig. 9 Typical profile of retaining structure and structure chart of dewatering well(unit： m)

4.2 取芯检测

现场在成桩28 d后，随机对双头搭接250 mm范围内进行垂直钻孔取芯，共5组，观测桩体完整性、均匀性，并取样做无侧限抗压强度试验。从外观看，芯样均连续、较完整，呈长桩状、喷灰搅拌均匀；芯样抗压强度代表值均大于2.3 MPa；检测桩长最小为4.6 m，普遍桩长达到5 m，符合设计要求，见表5。

4.3 抽水试验

为减少大量取芯对封底的影响，同时检验水平封底的整体止水效果，基坑正式开挖前对各个小基坑进行降水工程检验。现场实测单井出水量最小仅为36 m3/d、最大1 440 m3/d，极不均匀，分析主要原因是三重管高压旋喷桩施工时返浆，造成加固体上部砂层扰动过大，从而影响单井出水能力。为此，再增加10口降水井作为备用兼观测井，以确保有足够的安全备用系数，基坑内实际施工44口降水井，见图10。

表5 加固体搭接部位取芯检测结果

当水位降至基底以下时，现场实测基坑总涌水量为25 580 m3/d，小于设计限制32 000 m3/d，相比初步设计预估值减小了75%；坑外最大水位降深为1.57 m，降深小，未观测到周边地面沉降；利用式(1)和式(6)反算得到水平封底的渗透系数为0.14～ 3.87 m/d，平均止水效果达到90%以上，说明此次深层水平封底是成功的，止水效果满足了本基坑地下水控制要求。

对比4个小基坑的抽水试验结果(见表6)，可以看出： 从①号到④号基坑，封底止水效果逐渐降低，涌水量、水平封底渗透系数逐渐增大； ①号基坑的实测涌水量仅530 m3/d、封底止水效果达到99.60%，而④号基坑涌水量达到10 700 m3/d，封底止水效果仅88.57%，各个基坑封底效果相差悬殊。

从地层剖面看，各小坑封底部位地层存在较大的差异性，①号坑封底部位存在〈3-2〉粉细砂层，②号坑封底下部有一定厚度的中粗砂层，③号坑封底正好坐落在卵石层上，而④号坑封底下部已进入卵石层。不难看出： 地层条件对4个坑封底效果的影响较大，原地层渗透性越小，封底止水效果越好；卵石层因颗粒大，会阻挡水泥浆向其背面喷射，影响旋喷桩加固效果，从而导致封底止水效果降低。

图10 基坑分区及降水井平面布置图

部位基坑深度/m面积/m2实测涌水量/(m/d)实测坑内水位埋深/m实测坑外水位降深/m反算封底渗透系数Kz′/(m/d)反算止水效果/%①号基坑16.28～17.851 45153018.471.260.1499.60②号基坑16.681 4325 60017.451.461.9094.38③号基坑16.511 4168 75018.331.563.1090.82④号基坑16.66～18.381 44910 70018.541.573.8788.57

5 结论与建议

1)在巨厚强透水性潜水含水层中，当无法形成落底式止水帷幕时，本工程在悬挂式竖向止水帷幕的基础上，增加深层水平封底，改善地层垂向渗透性能，并配合坑内管井降水，成功将地下水位控制在基底以下，坑内总涌水量减小了75%，降低了降水难度及施工风险，提高了工程安全性，对类似水文地质条件深基坑地下水控制具有一定的参考意义。

2)深层水平封底位置在很大程度上决定了本方案的实施效果，封底位置太浅，底部水压过大，也会造成基底的渗流破坏。本次通过抗突涌验算公式确定了封底的位置在基底下11～16 m，确保封底与坑底之间保留了不少于9 m的空间用于布设降水井滤管，使得通过水平止水帷幕渗漏的地下水可以很好地通过降水抽排。

3)通过在搭接部位取芯可以对封底加固桩长及质量进行直观判断；通过现场抽水试验，可以对水平封底的整体止水效果进行检测，并可直观判断坑内水位是否能控制在满足开挖要求范围之内。

4)本工程高压旋喷桩加固效果直接决定了封底止水效果，也直接关系到方案的成败，根据4个小坑的实际效果分析可以看出，除了人为因素外，地层条件是影响封底加固止水效果的主要因素，在粉细砂及中粗砂层中加固止水效果较好，而卵石因颗粒大，会阻碍水泥浆的喷射，影响桩体的质量，导致在卵石层止水效果较差。因此，在卵石地层中应慎用水平封底加固。

5)深层水平封底的施工周期长、造价高，且受施工工艺、地层条件等因素影响大。在今后工程中，应充分分析地质、水文地质条件，对多种止水效果下的涌水量进行提前预估，确定可以接受的止水效果范围，并在现场进行小范围试验，确定是否可以采用此方案。

6)本工程确定水平封底位置时，采用的安全系数为1.1，未考虑加固后的地层重度和水平封底强度，以及水平封底与地下连续墙的黏结力，可进一步研究这些因素的影响，并综合考虑降水井的滤管长度，适当提高封底的位置。