上海第⑨层承压水的短滤管减压井试验研究

崔永高

1. 上海广联环境岩土工程股份有限公司环境岩土中心 上海 200444；

2. 上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心 上海 200022

上海张江国家科学中心基地建造的硬X射线自由电子激光装置，是目前世界上最为先进的X射线光源。该装置沿线设置5个竖井，其中5号竖井开挖深度达45.45 m。为实现基坑本体安全开挖，⑨层承压水（第二承压含水层）需减压16.0 m；距离5号竖井90.7 m处有正在运营的磁浮线，沉降要求控制在2.0 mm以内，环境保护要求极高。

场地第二承压含水层层顶埋深约78.0 m，场地缺失标准的第⑩层黏性土隔水层，第二、第三承压含水层直接连通，第三承压含水层层底埋深138.0 m，含水层组厚度达60.0 m。采用深89.8 m、厚1.2 m地下连续墙围护，地下连续墙未隔断降水目的含水层组，为悬挂式帷幕减压降水。

上海地区第二、第三承压含水层渗透系数大，满足基坑本体安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗扩展范围广。采用三维非稳定流数值模拟进行流场预分析，磁浮线处第二承压含水层降深将达到2.4 m，不能满足沉降控制2.0 mm的要求。

项目决定在现场进行单井和群井的抽水试验，获得合理的含水层水力学参数，并对不同滤管长度的减压井降深进行比较，为工程设计提供依据。为保证成井施工质量，管井成孔采用气举反循环工艺。

本文介绍了在张江硬X射线工地现场开展的不同滤管长度减压试验井单井抽水试验，成果表明短滤管减压井可以减小深部含水层的水位降深，适用于基坑悬挂式帷幕减压降水，可以有效地保护环境。文末对上海深层地下空间开发超深竖井开挖悬挂式帷幕深层减压降水的一些技术难点进行了讨论。

1 现场单井抽水试验

1.1 场地地层组合

试验在硬X射线5号井场地进行。地层组合如表1所示。

表1 地层参数

表1中含水层的水平向渗透系数，是根据5号竖井现场抽水试验数据，采用Visual modflow软件反演得到的，含水层渗透性呈各向异性，竖向渗透系数约为水平向渗透系数的1/10。

1.2 短滤管减压井的内涵

为控制5号竖井悬挂式帷幕减压降水导致的坑外磁浮线处含水层的水位下降和地层压缩，可供选择的技术措施有：加长截水帷幕的深度、缩短减压井的滤管长度等。增加截水帷幕深度的工程费用较高，缩短减压井滤管长度，可以增加滤管底和截水帷幕底的高差，有效地控制坑外降深和环境沉降，工程造价比增加截水帷幕深度经济。所以，开展短滤管减压井的试验和理论研究，有很强的现实意义。

现对短滤管减压井内涵作如下说明：设计理念以最大程度增加减压井滤管底与隔水帷幕底之间的高差为目的；滤管一般设置在粉砂含水层（如上海地区的⑦2或⑨层）中，滤管长度一般为3.0～6.0 m；无隔水帷幕试验条件下单井抽水试验证明距离抽水井25.0 m处的降深一般不小于1.5 m；采用三维非稳定流数值模拟，悬挂式帷幕群井减压降水的坑内降深满足抗突涌安全系数要求。

为确定合适的短滤管减压井的滤管长度，现场需要布置多口不同滤管长度的试验井，这势必会增加工程费用和试验周期，遂开发了利用一口试验井进行多个滤管长度单井抽水试验的滤管缩短装置。

1.3 滤管缩短新型装置和地下水顶托力自平衡装置的开发

1.3.1 滤管缩短新型装置

针对需要布置多口不同滤管长度的试验井的问题，发明了一种减压降水试验井部分滤管段的密封装置，解决试验费用高、施工周期长的问题。

滤管缩短新型装置[1]由以下主要部件组成：上下抵抗浮力的压重铁板、上下铁板中间缠绕在钢管上的干海带。利用干海带膨胀后的阻水性将原长滤管试验井下部滤管段堵塞。

对原先施工的较长滤管的井进行抽水试验后，获知较长滤管的试验井单井涌水量较大、观察井降深效果明显，说明滤管有缩短的可能。对该滤管较长、降深能力较强的试验井，采用本滤管缩短装置，堵塞滤管的下部，从而进行较短滤管长度的单井抽水试验，并进行长短滤管井降深的比较，确认短滤管减压井用于拟建工程的可行性。

1.3.2 地下水顶托力自平衡装置

在第1次试验过程中，发现滤管缩短装置上浮。分析原因如下，当对设置了滤管缩短装置的试验井抽水时，滤管缩短装置顶部水压力急剧减小，滤管缩短装置顶底面之间产生明显水压力差，从而导致滤管缩短装置上浮。

为解决上述问题，发明了一种减压试验井地下水顶托力自平衡装置[2]，其原理是通过潜水泵上的泵管，将滤管缩短装置承受的地下水顶托力，传递给井管试验井外侧的土体，由井管外侧的土体摩擦力与地下水顶托力实现系统的自平衡。

1.4 6.0 m滤管与9.0 m 滤管的降深效果比较

5Y9-3井深为87.0 m，滤管深度76.0～85.0 m，滤管位于⑨层（静力触探贯入阻力Ps平均值约20.0 MPa）中，初始滤管长度9.0 m。抽水试验采用非稳定流方法[3]。

抽水试验数据如表2所示。由表2得知，5Y9-3试验井在9.0 m滤管条件下，单井涌水量249.0 m3/h，⑨层观察井降深为3.48～8.82 m，降水效果良好。同时，11层观察井的降深也达到了1.09～1.18 m。这说明该试验井滤管长度有缩短的可能。

表2 5Y9-3单井抽水数据比较

对该试验井设置滤管缩短装置，保留上部滤管长度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次进行短滤管条件下的抽水试验。潜水泵下至82.0 m（滤管缩短装置顶），单井涌水量为95.0 m3/h。

由表2得知，在对5Y9-3（6.0 m滤管）进行单井抽水时，⑨层观察井降深为1.18～3.45 m，在群井效应下，单井降深能力可以满足工程⑨层的降深需求；同时，11层观察井的降深为0.30～0.34 m，与9.0 m滤管长度的试验井相比，11层观察井的降深有明显减小。

11层观察井降深的减小，可以控制坑外含水层组的降深和降落漏斗的扩展范围，进而可有效控制磁悬浮线的沉降。

1.5 6.0 m滤管与13.0 m滤管的降深效果比较

只有1组6.0 m滤管长度单井抽水试验成果对工程决策的依据还不充分。进一步对5Y9-2（滤管初始长度13.0 m）下部滤管进行封堵，保留滤管长度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次进行短滤管试验井的抽水试验（表3）。潜水泵下至82.0 m，稳定的单井涌水量为72.0 m3/h，而堵管前流量为260.0 m3/h。

表3 5Y9-2单井抽水数据比较

由表3得知，在对5Y9-2（6.0 m滤管）进行抽水时，距离抽水井13.9～45.4 m的⑨层观测井5Y9-1和5Y9-3内水位降深为1.29～2.37 m；距离抽水井（5Y9-2）10.0 m左右的11层降深为0.27～0.30 m，与13.0 m滤管长度的试验井相比，11层观察井的降深有明显减小，减少比率达77.0%。这对控制磁浮线处的沉降非常有利。

2 关于上海深层地下空间开发竖井深层承压含水层减压降水的讨论

2.1 悬挂式帷幕减压降水的流场特征

对于悬挂式帷幕减压降水而言，满足基坑安全开挖的坑内承压水位下降幅度越大，坑外含水层的水位下降幅度一般也越大，环境的风险也随之升高[4]。上海地区已经有大量的第一承压含水层悬挂式帷幕减压降水的工程实践。统计数据表明，其坑外降深与坑内降深的比值一般为0.1～0.6，该比值与帷幕防渗质量、含水层的渗透各向异性、滤管底与帷幕底的高差等有密切关系，值得注意的是，降水区域面积越大，坑外降深与坑内降深的比值也越大，表现出明显的平面尺度效应。

悬挂式帷幕减压降水流态的空间分布规律较为复杂，坑外降深的大小及竖向分布形态，除了与保护对象至基坑降水区域的距离密切相关外，还与坑内降深、减压井滤管底与隔水帷幕底之间的高差、地层结构、水文地质参数等有关。悬挂式帷幕降水时，隔水帷幕附近为三维流，止水帷幕插入含水层的深度越大，三维流特征越明显。

概括而言，悬挂式帷幕降水的坑外降深有如下特征：1）观察点离基坑降水区域越远，含水层组竖向不同深度的承压水位降深均越小。

2）坑外水位降深在隔水帷幕趾端最大，靠近承压含水层顶部的水位降深最小，从隔水帷幕趾端向下，水位降深也逐渐减小。

3）观察点离降水区域越近，承压水位降深沿深度的分布越不均匀，地下水三维流特征越明显。观察点离降水区域越远，承压水位降深沿深度的分布越均匀，地下水近似呈水平流。

4）观察点离降水区域越近，水平面内降落漏斗的斜率也越大。

减压降水井的滤管长度决定了减压井滤管底与隔水帷幕底之间的高差，是减压降水设计的重点之一。上海地区还缺少第二承压含水层短滤管减压井试验数据。对具体项目，应通过现场抽水试验，确定滤管长度。

2.2 上海深层承压水控制的技术难点分析

上海深层地下空间开发正在迅猛发展，竖井的开挖深度不断加深，超深基坑减压降水必须满足基坑本体和环境的双安全[5]。上海苏州河蓄水隧道云岭工作井开挖深度已达到56.0 m。上海深层地下空间开发必然会遇到上海地区第二承压含水层及第三承压含水层减压降水，强透水性承压水降水及其导致的坑外环境沉降控制已成为上海深层地下空间开发的一个技术难点[6]。

含水层水文地质参数经验值如表4所示。由表4可知，上海地区第二承压含水层、第三承压含水层渗透系数较大，采用悬挂式帷幕减压降水时，单井涌水量大，坑外降落漏斗范围广，环境影响大。

表4 含水层水文地质参数经验值

上海第二承压含水层层顶埋深65.0～70.0 m，相应减压井的深度为74.0～85.0 m。一般把深度超过70.0 m的降水井称为超深管井。为保证超深管井的施工质量，需采用反循环工艺成孔，需要专业队伍进行施工。

目前上海地区超深竖井的隔水帷幕建造方法有：地下连续墙、等厚度水泥土搅拌墙（包括TRD、CSM）。超深帷幕施工技术难度高，也难免存在缺陷，目前还没有对超深帷幕缺陷检测的成熟技术，开挖过程中承压水的渗漏和底侧突涌还时有发生，需制定针对性的预案。

2.3 上海深层地下空间开发减压降水采用短滤管减压井的必要性及设计流程

在超深基坑采用悬挂式帷幕减压降水时，采用短滤管减压井，可以减少基坑竖向下卧的承压含水层的降深，进而会减少坑外含水层的降深和地层压缩，保护环境。焦点问题是，滤管缩短后，能否实现坑内减压的设计需求。这需要在类似工程经验的基础上，针对拟建场地的地质条件，进行现场抽水试验，通过试验时观察井的降深，对短滤管试验井的降深能力加以判断。

以试验确定的较短的滤管长度，建立实际工程悬挂式帷幕下的三维非稳定渗流模拟，分析井的数量和平面位置。采用短滤管减压井结构，井的数量会多一些。由于井数量的增加而增加的工程费用相对于增加帷幕长度而言，还是经济的。值得注意的是，采用短滤管减压井减少了单井涌水量，也节约了水资源，符合绿色施工的时代要求。

3 结语

超深竖井开挖推动了承压水控制技术的发展。本次试验得到以下结论：

1）采用短滤管减压井，可以减少含水层深部的水位下降，可有效地保护环境，节约水资源。

2）开发的滤管缩短装置可以减少试验费用，缩短试验周期。

3）地下水顶托力自平衡装置为试验完成创造了条件。

关于上海深层地下空间开发遇到的第二、第三承压水控制，下一步应加强工程原型监测，总结实践经验，并进一步完善原水回灌技术。