含渗漏通道砂层动态降水技术

闫子舰（上海建科工程咨询有限公司，上海 200032）

0 引 言

砂质粉土层具有颗粒松散、孔隙性多、渗透性强的特点，深基坑开挖至该地层前需要将基坑外围水位降至基底以下，否则基坑内外形成水头差，一旦围护结构发生渗漏，就会在水头差作用下发生向基坑内涌水涌砂现象，进而造成周边地层沉降以致地上建筑物损坏。

动态降水是对降水井开启井数、降水时间、降水深度等方面系统性的降水过程进行控制，目的是在有效降低粉细砂地层地下水水位的同时，又确保抽排水量保持在合理范围内，减少降水过程对周边环境的影响[1]。

1 工程概况

某地铁车站位于两条主干道交叉口，周边环境复杂，既有居民区和学校，也有数栋大厦。车站主体结构长 166 m，宽 21.7 m，为地下 5 层 14 m 岛式站台车站，基坑标准段开挖深度为 33 m，端头井开挖深度为 35 m，基底位于第 ⑦1层砂质粉土，另外场区内第 ⑦ 层为第一承压含水层，顶板埋深为 26.5 m～34.4 m、顶板标高为 －22.98 m～－30.76 m，第⑨ 层为第二承压含水层，顶板埋深为 64.5 m～70.5 m、顶板标高为 －61.15 m～－66.88 m，承压水位埋深一般为 5.00 m。基坑采用井点降水，具体降水井施工参数如表 1 所示。

表1 基坑原有降水井施工参数

基坑开挖至第八道基坑支撑位置时，转角幅地墙处发生涌水涌砂现象（见图 1），涌水涌砂点深约 31 m，土层位于第 ⑦1-1层草黄色黏质粉土夹粉质黏土土质，后采取措施险情得到控制。

后续在基坑未开挖区域地墙外侧采用全断面连续 MJS加固，渗漏点外侧进行双重管高压旋喷堵漏，坑外保障降水井、回灌井施工（见图 2）。

图1 渗漏点平面示意图

图2 基坑加固平面示意图

降水的初步思路是在基坑恢复开挖施工前，开启坑外降水井，分别将基坑所在开挖区域外侧的第 ⑦ 层地下水位降低 10.00 m～15.00 m，以减少基坑地下连续墙内外的水头差。恢复开挖过程中基坑地墙再次出现渗漏且无法有效堵漏时，先将地墙渗漏点周边的第 ⑦ 层水位降至 33.00 m～35.00 m，对渗漏点进行封堵，封堵完成后恢复坑外第 ⑦层水位至 10.00 m～15.00 m，故北坑坑外降水井需具备降水能力至 33.00 m～35.00 m。

2 动态降水模型

本工程减压降水目的层为第 ⑦ 层承压含水层。考虑到降水过程中，上覆潜水含水层将与下伏承压含水层组之间发生一定的水力联系，因此将上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层组一起纳入模型参与计算，并将其概化为三维空间上的非均质、各向异性水文地质概念模型。

为了克服由于边界的不确定性给计算结果带来随意性，定水头边界应远离源、汇项。通过试算，本次计算以整个基坑的东、西、南、北最远边界点为起点，向外扩展约 600 m～700 m，即实际计算平面尺寸为 1 400 m×1 400 m，四周均按定水头边界处理。建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定数学模型[2-3]

S为储水系数；Sy为给水度；

M为承压含水层单元体厚度（m）；

B为潜水含水层单元体地下水饱和厚度（m）。

kxx、kyy、kzz分别为各向异性主方向渗透系数（m/d）；

h为点（x，y，z）在t时刻的水头值（m）；

W为源汇项（1/d）；h0为计算域初始水头值（m）；

h1为第一类边界的水头值（m）；t为时间（d）；

Ω 为计算域；Γ1为第一类边界。

3 动态模型求解

采用 ModFlow 有限差分软件[4-5]，结合岩土工程勘察报告，以基坑为中心，以降水井影响半径之外为边界，建立离散模型网络三维图（见图 3）。

图3 离散型网络三维图

三维渗流模型假设条件如下：

（1）第 ⑦ 层承压含水层初始水头埋深为 5.00 m；

（2）基坑主体地下连续墙深度为 66.50 m，外围止水帷幕 49.00 m;

（3）1 号附属结构及北端头止水帷幕区域内布置47.00 m 和 58.00 m 深井，47.00 m 深井按单井涌水量10.00 m3/h，过滤器长 14.00 m，58.00 m 深井按单井涌水量 40.00 m3/h，过滤器长 10.00 m，区域外布置的 58.00 m降水井按单井涌水量 60.00 m3/h，过滤器长 24.00 m，回灌井井深 52.00 m，按单井回灌量 10.00 m3/h，过滤器长18.00 m。

在三维渗流模型计算的基础上，对基坑开挖区域所需开启的应急井数量按照正常降水状态和应急状态分别计算。

正常降水状态下，基坑标准段未开挖区域外侧第 ⑦ 层水位降深为 10.00 m～15.00 m。通过三维地下水渗流模型计算，需开启 3 口 47.00 m 和 1 口 58 m 降水井，3 h 内可将外侧第 ⑦ 层水位降低 15.00 m。东北角居民区最大水位降深为 0.93 m，受降水影响较小。

正常降水状态下，基坑端头井未开挖区域外侧第 ⑦ 层水位降深为 10.00 m～15.00 m。通过三维地下水渗流模型计算，需开启 4 口 47.00 m 降水井，3 h 内可将外侧第 ⑦层水位降低 15.00 m。居民区最大水位降深为 0.53 m，受降水影响较小。

应急状况下，基坑西侧若发生地墙渗漏，需开启坑外58.00 m 应急井，将第 ⑦ 层水位降至 33.00 m～35.00 m。通过三维地下水渗流模型计算，坑外需开启 2 口 58.00 m应急井（另布 1 口水位观测兼备用井），6 h 内能将水位降至 33.00 m～35.00 m。居民区最大水位降深为 0.79 m，受降水影响较小。

应急状况下，基坑北侧若发生地墙渗漏，需开启北端头井内 47.00 m 和 58.00 m 应急井，将第 ⑦ 层水位降至 33.00 m～35.00 m。通过三维地下水渗流模型计算，坑内需开启2 口 47.00 m 和 3 口 58.00 m 应急井（另布 2 口水位观测兼备用井），6 h 内能将水位降至 33.00 m～35.00 m。东北角居民区最大水位降深为 3.38 m，受降水影响较大，需采取回灌措施。

4 施工工艺优化

基坑坑外降水井在抢险和加固过程中，已出现部分降水井损坏或封堵现象，为此需要重新加设降水井。

按照三维渗流模型假设条件，北端头帷幕止水区域内47.00 m 深井按单井涌水量 10.00 m3/h，58.00 m 深井按单井涌水量 40.00 m3/h，区域外布置 58.00 m 降水井按单井涌水量 60.00 m3/h，回灌井井深 52.00 m，按单井回灌量10.00 m3/h 计算，故必须确保降水井单井排水量与假设情况相符。这就需要对降水井的施工质量进行严格管控，为此，采取以下措施优化施工工艺。

（1）预埋钢护筒。由于基坑西侧发生过渗漏，地层中形成渗流通道，在渗流区域采用泥浆护壁钻孔时，泥浆极易从渗流通道流失造成塌孔，进而影响到降水井施工质量，为此，采取预埋长钢护筒措施，所用钢护筒长度达38/40 m，钢护筒外径为 700 mm，内径约 663 mm，且采用直径小一号的 550 mm 钻头成孔。

（2）滤料级配控制和动水填砂。为防止砂滤料层含泥量过高，造成地下水向井内渗透的通道不畅，严重影响单井出水能力，本工程对滤料级配采取严格控制。采用的粒径为 1.2 m～2.2 m 占 85% 以上的级配砂。回填滤料过程中，采用动水人工填砂的方式，将填砂滤料沿井壁四周均匀徐徐填入（见图 4）。

图4 动水填砂示意图

（3）气举反循环清孔。通过接空压机的风管（风管放在导管内）压入空气，空气从风管底端流出与泥浆形成气泡，气泡上升过程中压力逐渐变小，形成负压，具有排渣大、排渣快的特点，适用于孔壁不稳的情况。

（4）活塞洗井。为防止孔壁附近土层在钻孔时遗留下来的泥浆没有洗净，造成地下水向井内渗流不畅，在下井管、回填滤料及黏土封孔后，先进行空压机洗井，待洗通滤料后，再进行活塞洗井，活塞洗井时间不少于 5 h 或不少于 60 次。

（5）回灌井回灌水。为减少基坑降水过程中造成地面沉降，以致东北角居民住宅损坏，在基坑东北角区域设置了一排回灌井，回灌井井深 52.00 m，单井回灌量在 10 m3/h。

经过降水，基坑帷幕止水区域内降水井单井出水量达到要求，观测井内地下水位降至 33 m 以下，周围房屋在基坑外侧抢险加固后降水期间沉降在合理范围内，且采用回灌井回灌水略有抬升。

5 结 结

对于砂性地层，考虑到潜水层对承压层的水力补充关系，采用三维各向异性渗流模型，然后基于 ModFlow 有限差分软件构建离散三维渗流网络图，计算出基坑在正常降水状况下和应急状况下开启的降水井数和达到目标水位开启的时间，为施工过程中的降水操作提供了参考依据，将抽水量控制在合理范围内，减小了地面沉降。

考虑到原地层存在渗漏通道，为保证降水井施工质量，确保单井出水量满足要求，采用了预埋钢护筒、滤料级配控制和动水填砂、气举反循环清孔、活塞洗井、回灌井回灌水等措施，促使地下水位降至设计要求，房屋沉降在合理范围内且有略微上抬。