深基坑群井降水法效果研究与实例分析

庄群虎,顾家慧

(1.苏州市轨道交通集团有限公司，江苏 苏州 215000； 2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

0 引言

近年来，对于基坑开挖和地铁项目的建设，不可避免地遭遇越来越复杂的岩土问题，其中地下水控制就是一项风险性比较大的技术[1]。基坑工程在实施之前必须重视地下水对基坑的不良影响，重视通过生产性抽水试验[2-4]获取水文地质参数。地下水控制的成败既与工程施工阶段实际运行控制有关，也与基坑降水设计是否合理有直接的关系[5]，为实现基坑降水设计和工程施工控制，工程中常常通过生产性抽水试验获取足够的水文地质参数，用来指导基坑开挖、井点布置以及评价止水帷幕[6-7]的止水效果。

本文通过苏州市港田路站基坑降水工程群井的生产性抽水试验来重点分析说明生产性抽水试验获得的水文地质参数对降水运行施工、基坑安全评价、关键施工步骤和止水帷幕效果的重要指导意义。

1 工程概况

1.1 工程及场地概况

港田路站是苏州市轨道交通6号线工程的第25个车站，车站位于锦溪河下方，跨港田路沿锦溪河南北向布置。车站为地下2层12 m岛式站，设置站前停车双折返线，共设置2组风亭和4组出入口。车站前方接中新大道东站，后方接金家堰站，两端区间均采用盾构法施工。标准段基坑深17.6 m～18.0 m，端头井基坑深19.25 m，均采用明挖法施工。

标准段围护结构形式：靠近谰调小区的区段采用1 000厚地下连续墙，其余区段采用800厚地下连续墙[8-9]。地下连续墙施工采用“地下连续墙液压抓斗工法”[10-11]进行施工。本标段港田路站主体围护结构采用800地墙和1 000地墙，接缝处采用φ800旋喷桩[12-13](三重管)止水。

1.2 工程地质及水文地质条件

施工前进行了详细的地质勘查，得到该场地土层物理力学性质指标：

①-1淤泥：底层标高-1.70 m～-2.18 m，饱和、流塑态，层高0.20 m～0.30 m。①-2杂填土：底层标高-2.34 m～ 1.52 m，饱和，层高2.50 m～4.70 m。①-3素填土：底层标高-2.08 m～2.16 m，松散状态，层高0.80 m～4.90 m。③-1黏土：底层标高-4.59 m～-2.78 m，可塑状态，层高0.80 m～5.20 m。③-2粉质黏土：底层标高-10.52 m～-4.04 m，软塑～可塑，层高1.10 m～6.90 m。③-3粉土：底层标高-7.43 m～-6.77 m，呈湿、稍密状态，层高2.00 m～2.80 m。④-1粉质黏土：底层标高-17.38 m～-11.23 m，软塑～可塑，层高2.10 m～8.80 m。④-1a粉土：底层标高-21.07 m～-14.52 m,很湿、稍密～中密，层高1.60 m～4.30 m。⑤-1粉质黏土夹粉土：底层标高为-28.37 m～-20.60 m，软～可塑，层高2.90 m～12.90 m。⑥-1黏土：底层标高-30.20 m～-23.79 m，可塑～硬塑，层高1.70 m～5.40 m。⑥-2a粉土：底层标高-28.18 m～-24.69 m，很湿～饱和，中密，层高0.50 m～3.30 m。⑥-2粉质黏土夹粉土：底层标高-30.38 m～-26.19 m，可塑，局部软塑，层高0.50 m～2.70 m。⑦-1粉质黏土：底层标高-36.52 m～-30.64 m，软塑～可塑，层高3.20 m～10.50 m。⑦-2粉土夹粉砂：底层标高-42.76 m～-38.00 m，饱和，中密～密实，层高4.50 m～14.90 m。⑦-3粉质黏土夹粉土：底层标高-61.17 m～-54.98 m，可塑状态，层高12.90 m～19.00 m。

根据本次钻探揭露，拟开挖基坑范围内的水文状况如下所示：

1)地表水：场地内宽约25 m的锦溪河，该河道常年有水，现状河底标高约为-2 m。

2)地下水：本工程地下水分为潜水、微承压水以及承压水三类：

a.潜水:拟建场地浅层孔潜水赋存于表层填土层中，勘察期间，通过干钻测得初见水位埋深0.50 m～2.50 m，24 h后测定浅层潜水稳定水位埋深0.40 m～2.40 m，相应稳定水位标高为1.27 m～1.79 m。

b.微承压水:场地内的承压水主要存于④1a中，④1及⑤1亦有零星分布，④1a的厚度较小，一般厚度为1.6 m～4.3 m，且局部缺失，该含水层水量较小，富水性及透水性均一般。该微承压含水层稳定水头标高为1985国家高程基准1.48 m。

c.第Ⅰ承压水:根据本次勘察揭示，第Ⅰ承压水含水层主要为⑦2粉土夹粉砂层，该含水层厚度较大，厚度为4.50 m～14.90 m，富水性及透水性较好，该层承压水含水隔水层顶板为⑤1,⑥1,⑥2,⑦1。该承压含水层稳定水头标高为1985国家高程基准-1.93 m。

根据钻探结果分析可知：

本站基坑开挖范围内存在④1a层微承压含水层，微承压水水头标高1.48 m，坑底有承压含水层⑦2层，承压水水头标高-1.93 m。基坑开挖时需降低承压水水头。本站围护结构完全隔断④1a层微承压含水层，对于坑内浅层潜水以及开挖后由微承压水转为潜水部分，采用疏干井降水。地连墙未对第Ⅰ层承压含水层隔断，为满足坑底抗突涌稳定性要求，当基坑开挖至14.94 m时，应按需降承压水，其中端头井段基坑承压水最大降深约8.57 m，标准段基坑承压水最大降深约5.56 m。

2 群井抽水试验实施

本工程基坑开挖深度为18.0 m～19.60 m，基坑开挖过程中需大面积、长时间抽降第⑦2层承压水，为了解承压水水头埋深分布，取得承压含水层的详细水文地质参数，从而制定合理、可行的降水设计处理方案，确定施工期间降压井的降水施工参数和为布置降压井提供依据，以及分析与预测降压施工过程中对基坑周边临近建筑、周边道路及市政管线的影响，本工程基坑专项开展承压水现场抽水试验。

2.1 井群平面布置与结构

为分析水文地质条件，拟进行水文地质抽水试验，试验平面布置图如图1所示，对水力渗透性质进行全面的分析研究。

1)试验井工作量：在第⑦2层设置3口抽水井，观测井7口。

2)井群结构与平面布置：降水井的深度、滤管位置及结构参数。

其中抽水井为G1～G5，观测井为J1～J5。

2.2 抽水试验部署

J1,J3,J5作为抽水井，抽水试验过程中，观测坑内J2和J4井内地下水位和坑外G1～G5观测井水位。

A基坑南端头井内群井抽水，开启J1,J3,J5三口井进行群井抽水，坑内J2,J4内最终水位降至12 m～13 m，满足安全水位所需。观测井为坑内J2,J4两口井，坑外G1～G5五口井。坑内抽水井J1,J3,J5，坑内观测井J2,J4和坑外承压水观测井G1～G5各项参数相同，均为孔径650 mm，井径273 mm，井深40 mm，过滤器长6 m。

3 结果分析

3.1 初始水位

工程抽水试验前对承压水初始水位进行了观测，坑内井J1,J2,J3,J4,J5的井口以下水位埋深分别为2.90 m,3.50 m,3.10 m,3.50 m,3.30 m，坑外井G1,G2,G3,G4,G5的井口以下水位埋深分别为3.20 m,4.10 m,2.70 m,3.40 m,4.80 m。

根据目前资料，坑内、外水位有一定起伏，第⑦层水位平均约在井口以下3.50 m，所以，本工程第⑦层承压水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

3.2 抽水井流量

抽水试验共历时48 h。其中，J1井平均出水量约为14.50 m3/h，J3井平均出水量约为15.27 m3/h，J5井平均出水量约为15.00 m3/h。3口抽水井出水量均较为稳定，平均出水量约为15.00 m3/h(=360.00 m3/d)，整体出水量比较大。

3.3 观测井水位降深

抽水试验期间，3口抽水井时，对坑内、外7口井水位变化进行同步监测。最终水位降幅坑内J2，J4分别为10.0 m，8.8 m，坑外G1，G2，G3，G4，G5分别为3.9 m，0.8 m，1.1 m，3.5 m，0.7 m。抽水期间，坑内观测井水位有明显下降，水位已稳定，坑内最大水位降深已经降至12.3 m～13.5 m，完全满足基坑安全所需。坑外水位下降幅度0.70 m～3.90 m。综合分析坑外水位变化趋势，认为基坑的围护结构对地下水的阻隔作用较明显，考虑到降水井深度比围护结构深，同时观测井与抽水井距离不一样，所以坑外观测井水位下降不一，距离近的水位下降达到3.5 m～3.9 m，距离相对较远的观测井水位下降约0.7 m～1.1 m。

3.4 观测井水位恢复

停止抽水后，进行水位恢复，水位恢复速度整体较快，坑内井6 h水位恢复约90%。基坑超过临界挖深以后，将进行减压降水，随着基坑挖深增加，降压幅度逐渐增加，减压降水过程中，不得出现长时间断电情况，否则承压水水位恢复，基坑有突涌风险。

4 基坑降水复核计算

“按需降水”[14]进行控制(见表1)，本工程基坑充分考虑基坑底板的突涌安全性，须对下部承压水含水层的顶托力对基坑的稳定性进行验算，以防止产生高水头承压水从最不利点突涌的不良现象[15]。通常采用下式判别基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌(以下简称“抗突涌”)稳定(安全)的状态。

表1 承压水“按需降水”安全水位控制表

(1)

其中，Ps为承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，kPa；Pw为初始状态下(未减压降水时)承压水的顶托力，kPa；hi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，m；γsi为承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度(根据勘察资料本工程19.1 kN/m3)；H为高于承压含水层顶面的承压水头高度，m；γw为水的重度，工程上一般取10.0 kN/m3；Fs为安全系数，工程上一般取1.05～1.20，本工程取1.10。

根据初步设计资料，基坑挖深18.00 m～19.65 m，本工程基坑开挖过程中基坑不满足第⑦2层承压含水层抗突涌验算的要求，需要对第⑦2层承压含水层进行降水处理。

根据工况，基坑南端头井第4道支撑施工时需要进行减压降水，最大降深幅度近9.57 m；最终水位控制在9.56 m～12.57 m。根据试验结果，坑内降水井抽水时，可以将水位控制在基底以下，可以保证基坑最深开挖时不发生突涌风险。

5 结语

1)根据目前资料，坑内、外水位有一定起伏，第⑦2层水位平均约在井口以下3.50 m，建议本工程第⑦2层承压水初始水位埋深宜取地面以下4.00 m。

2)本工程南端基坑内5口井，坑外5口井，基坑临界挖深14.40 m，3口井以单井流量15.0 m3/h抽水时，水位能控制在安全所需，最终水位控制在9.56 m～12.57 m，满足抗突涌计算所需，其余井为备用井。

3)基坑围护结构深度32.5 m～35.0 m，插入承压含水层3.0 m～6.0 m，降水井深度40.0 m，超过围护体深度。抽水试验期间坑内外水位差明显，该区域围护结构(止水帷幕)对⑦2层承压水有绕流作用。

4)基坑开挖过程中，需加强对降水井的保护，以免井破坏后，影响降水运行能力。基坑开挖过程中，需加强留意前期地质勘探孔、监测孔突水问题，出现冒水时，坑内备用井可以开启进行抽水。