承压水突涌临界状态下基坑隔水帷幕与降压设计研究

冯翠霞 ，陆丽君 （上海申元岩土工程有限公司，上海 200011）

0 前言

上海作为深厚软土层地区，近年来地下空间开发日趋成熟。基坑工程在常规两层地下室，即挖深约11m的项目中已累积丰富的设计与施工经验。结合上海地区承压水分布特点[1]，第⑤2层微承压含水层与第⑦层承压含水层（第一承压含水层）在部分地区出露较浅，层顶埋深约20m～25m。在具备上述地层分布特点的区域，挖深11m左右的深基坑坑底常不满足（微）承压水抗突涌稳定性[2]，即；且接近临界状态，多数情况下。按照工程经验，当基坑工程不满足（微）承压水抗突涌稳定性时，除却沿基坑外侧设置封闭的隔水帷幕外，基坑内部亦采用减压井降压的方式来降低（微）承压水水位，以减少基坑突涌风险。但工程实际中较少考虑此类（微）承压水接近临界状态下的基坑工程隔水帷幕与降压设计特点。

本文将结合工程实例，研究探讨此类基坑工程的隔水帷幕与降压设计特点，并提出针对性的设计及施工建议。

1隔水帷幕设计

上海地区因其软土土层特性、场地条件及周边环境复杂等因素，挖深超过7m的深基坑工程通常采用板式支护体系。隔水帷幕可以与基坑围护墙体结合设置，如地下连续墙、型钢水泥土搅拌墙等；也可以单独设置，如三轴水泥土搅拌桩、双轴水泥土搅拌桩，高压旋喷桩等[3]。其中，受施工机械所限，双轴水泥土搅拌桩成桩深度一般不超过18m。三轴水泥土搅拌桩成桩深度一般不超过30m；当大于30m时，需采用超深三轴搅拌桩机械。当受场地、设备等条件限制时，局部区域也可采用高压旋喷桩[4]作为隔水帷幕。因此，挖深11m左右的深基坑工程，常选用钻孔灌注桩或型钢水泥土搅拌墙作为围护结构，三轴水泥土搅拌桩、高压旋喷桩则作为隔水帷幕。在环境保护要求高或场地受限等情况下，可选用地下连续墙兼作围护墙体及隔水帷幕。

按照布置方式，隔水帷幕可分为落底式和悬挂式两种[5]。结合工程实例，挖深11m左右的深基坑工程隔水帷幕常划分两类，一类仅隔断潜水含水层（实例1）；一类除潜水含水层外，还隔断存在突涌风险的（微）承压水含水层（实例2）。

实例1中，基坑挖深11m，仅考虑隔断基坑浅部潜水含水层，隔水帷幕需进入相对隔水层不小于1.5m，并满足[5]。同时，隔水帷幕埋深宜大于疏干井滤管插入深度，以增加地下水绕流路径。经计算，隔水帷幕总长度取18m。此外，项目拟建场地分布第⑤2层微承压含水层，层顶最浅埋深23.30m，按微承压水高水位3m埋深估算，，即基坑开挖至坑底时，坑底不满足第⑤2层微承压水抗突涌稳定性，但接近临界状态。因第⑤2层微承压含水层层底最深埋深32.3m，若隔水帷幕隔断该含水层，长度不宜小于34.5m。综合考虑含水层特点及工程造价，该项目隔水帷幕按不隔断第⑤2层微承压含水层设计。隔水帷幕仍取18m长，基坑开挖时则通过设置减压井来降低坑底及局部落深区的承压水突涌风险。

实例2中，基坑挖深11m，仅考虑隔断浅部潜水含水层，隔水帷幕仍可取18m长。因场地分布⑦层承压含水层，层顶最浅埋深21m；且根据抽水试验报告，⑦层承压水埋深3.36m，经计算，，即基坑开挖至坑底时，坑底不满足第⑦层承压水抗突涌稳定性，但接近临界状态。考虑到该项目基坑临近居民住宅楼及医院建筑群，从安全角度出发，结合场地内含水层出露较浅这一特点，隔水帷幕按隔断⑦层承压含水层设计。隔水帷幕根据地质剖面划分，加长至30m～31.5m，确保进入⑧层相对隔水层不小于2m。

图1 含水层、隔水帷幕与降水井剖面对应关系(实例1)

图2 含水层、隔水帷幕与降水井剖面对应关系(实例2)

抽水试验参数表(实例2) 表1

2 降压设计

2.1 基坑设计降深及涌水量计算

如前述，实例2中基坑坑底存在第⑦层承压水突涌风险。经验算，，基坑开挖至10.41m时即需开启减压井进行承压水降压；基坑开挖至坑底时，第⑦层承压水降深sd不应小于0.98 m。考虑到基坑降压需求不大，拟在基坑内部设置第⑦层承压水非完整井，基坑降水总涌水量可按“大井法”计算[6]：

式中，k为渗透系数，R为降水影响半径，均取抽水试验求参结果；M为承压含水层厚度，取第⑦层平均厚度7 m；l为降水井进入承压含水层的滤管长度，取3.5 m；sd为基坑地下水位设计降深，取 0.98 m；r0为基坑等效半径，按计算，A为基坑面积9150 m2，r0为54 m。经计算，该项目第⑦层承压含水层基坑降水总涌水量Q为35 m3/d。

由于“大井法”公式未考虑隔水帷幕的边界作用，拟通过mODFLOW数值法分析隔水帷幕与减压井不同组合下的基坑及周边降深分布规律。

2.2 基坑降压计算

图3 隔水帷幕三种布置形式(实例1)

图4 减压降水运行后预测基坑⑦层水位降深等值线图(工况1，单位:m)

本次减压降水目标含水层为第⑦层承压含水层。考虑到不同土层特性以及地层之间存在水力联系，水文地质模型自上而下概化为：潜水含水层、相对隔水层1、第⑦层承压含水层和相对隔水层2。同时，为克服边界的不确定性影响计算结果，取基坑各边向外扩展约170 m（大于减压井影响半径），即实际平面尺寸470 m×420 m，四周均按定水头边界处理。模型中第⑦层承压含水层相关水文参数均取自抽水试验。模拟周期则参照基坑第二道支撑下土方开挖到底板结构完成的施工时间，设定为50天。

通过试算，本次模拟共计考虑三种隔水帷幕与减压井组合形式：组合一，隔水帷幕仅隔断潜水含水层，坑内设置4口减压井；组合二，隔水帷幕隔断潜水含水层，并进入第⑦层承压水含水层约3 m，坑内设置4口减压井；组合三，隔水帷幕隔断第⑦层承压水含水层，坑内设置1口减压井。

计算结果表明，三种隔水帷幕与减压井的组合形式均能满足基坑减压需求，降水运行后基坑内部⑦层水位均能达到设计水位。其中，工况一基坑周边3倍挖深范围内第⑦层水位降深0.7～0.9 m m。工况二隔水帷幕采用悬挂式，坑外水源绕流补给，基坑涌水量减小；相应地，基坑周边3倍挖深范围内第⑦层水位降深0.5mm～0.8mm。工况三，隔水帷幕采用落底式，仅需抽取基坑内部⑦层承压水，基坑周边⑦层水位降深接近0mm。

图5 减压降水运行后预测基坑⑦层水位降深等值线图(工况2，单位:m)

2.3 地面沉降预测

结合数值分析求出的基坑周边⑦层承压水降深分布，降水引起的地层压缩变形量可按下式计算[6]：

其中，Ψw为沉降计算修正系数，取抽水试验建议值；Δσ'zi为降水引起的土的附加有效应力；Δhi与Esi分别为对应土层的厚度和压缩模量。

经计算，工况一基坑周边因⑦层承压含水层减压引起的地面沉降约0.15 mm～0.19mm；工况二基坑周边地面沉降约0.11mm～0.17mm；工况三由于隔水帷幕隔断，坑外地面几乎不受影响。

3 结论与建议

①软土地区因其地下水丰富，受土层分布以及基坑工程规模影响，较常遇到基坑坑底不满足（微）承压水抗突涌稳定性，但又接近临界状态的工程实例。这类基坑工程降压需求较小，设计降深不大，基坑降压设计可结合隔水帷幕的边界作用综合考虑。

②因设计降深不大，隔水帷幕未隔断承压含水层时，基坑降压施工对周边环境影响有限。当基坑周边环境保护要求不高时，隔水帷幕可按仅隔断潜水含水层来设置。一方面基坑安全性有保障，另一方面也减少了工程造价投入。

图6 减压降水运行后预测基坑⑦层水位降深等值线图(工况3，单位:m)

③若基坑周边环境保护要求高，可结合承压含水层厚度，采取悬挂式或者落底式隔水帷幕。通过对基坑实例的数值分析，可知受隔水帷幕边界作用影响，基坑实际涌水量减小，基坑降压对周边环境影响也相应降低。当采取落底式隔水帷幕时，基坑周边环境几乎不受坑内降压影响。

④因实际降压需求较小，此类基坑工程坑内减压井布置可结合数值分析作适当优化。当采取落底式隔水帷幕时，结合实例2减压施工效果，坑内减压井还可进一步优化。

⑤工程实际中，按需降压更为关键。基坑降压施工应充分考虑前期抽水试验结论，并严格按照降压设计实施。