城市复杂环境富水砂层盾构接收井深基坑降水实验研究与分析

吴烁

摘 要：盾构竖井是盾构隧道工程建设的重难点，特别是在复杂城市环境下，要确保周围城市地铁、高速铁路等建（构）筑物的正常运营，必须严格控制基坑降水对周围地表的沉降影响。以上海市域线区间盾构接收井深基坑为工程背景，根据工程面临的具体疑难，提出针对性的降水设计方案，并采用抽水试验结合数值模拟的手段对降水方案进行验证，研究结果可为类似工程提供一定的参考价值。

关键词：城市盾构;深大基坑;降水方案设计;抽水试验;数值模拟

中图分类号：U455.49文献标识码：A文章编号：2096-6903（2022）08-0040-04

0引言

盾构以其快速、安全、稳定、适合大断面隧道施工、对地表沉降控制精度高、无需用气压法施工等优点广泛适用于城市隧道的施工[1]。而始发井、接收井的施工往往是盾构工程的重点难点，特别是在复杂周边环境情况下，必须严格控制基坑施工对周围环境的影响，尤其是基坑降水对周围构筑物的沉降影响[2]。由此，研究复杂环境下基坑降水技术具有重要意义。

国内外学者对基坑降水技术展开了大量研究。定培中等[3]对比了多种基坑降水方法，研究发现传统的降水方法都能很好地解决深大基坑的降水问题，降水施工方案的设计离不开对基坑地层参数的准确把握;游洋[4]采用数值模拟的方法研究了深基坑降水技术;骆祖江[5]以某塔楼深基坑为依托工程，借助现场原位测试对模型参数进行了校正，优化了深基坑降水设计和施工方案。

综上，国内外学者对深基坑降水技术的研究上取得了显著的成果[6]，但对复杂环境下城市盾构深大基坑的降水技术研究还较少。以上海市域线区间盾构接收井深基坑为工程背景，根据工程具体疑难，提出针对性的降水设计方案，并采用抽水试验结合数值模拟的手段对降水方案进行验证，研究成果可为类似工程提供参考价值。

1工程简介

2#风井位于七宝站至华泾站区间，为盾构接收井兼中间风井（如图1所示）。基坑长30.4 m，宽25.4 m，深30.218 m，围护结构采用1.5 m厚地下连续墙，地下连续墙深64 m，未隔断承压水层。基坑墙缝止水措施加强为直径2400 mm的RJP高压旋喷桩，在地墙墙趾处设置6 m厚N-jet人工隔水层进行封闭式降水，降低坑内降水对坑外水位影响，沿基坑深度共设置8道支撑。

1.1 工程地质条件

2#风井位于上海市中西部，属滨海平原地貌类型。据钻孔勘察，基坑从上至下地层依次为人工填土、粉质粘土、灰色粘土、灰色粉质粘土、草黄色粉质黏土、灰黄色粉砂夹粉质黏土、灰色粉砂等，基坑底部位于⑦1层粉砂夹粉质粘土层。（基坑地质剖面如图2所示）

1.2 水文地质条件

拟建场地揭露的地下水类型为赋存于浅部土层中的潜水以及中下部粉砂中的承压水。基坑下部承压水层分布比较均匀，⑦1层粉砂夹粉质粘土、⑦2层粉砂，两者相互贯通，可视为同一承压含水层，基坑底部位于⑦1层粉砂夹粉质粘土层之中，承压含水层力学参数如下表1所示。根据水位监测，第⑦层承压含水层初始水位绝对标高约为-0.86 m，承压水水初始水位约在地下6.04～6.62 m。从安全角度考虑，降水设计时，第⑦层承压含水层初始水位按地下以下6 m计算为宜。

2 工程难点分析

2.1 承压含水层突涌风险与防治

据水文地质专项勘察报告，本工程下部⑦2层不满足基坑抗突涌验算要求。需要对承压含水层进行降水处理，水位应维持在地下30.69 m，相应降水幅度约为24.69 m，需考虑对该含水层进行封闭式减压降水。

针对承压含水层于坑内单独布设降压井，降压井按照降压幅度，在满足坑内降深需求的同时，尽量缩短滤管长度，井深不进入N-JET封底隔水层。同时于坑内布置一定数量的观测兼备用井。坑内布设2口降压井，井深48 m，5口坑内备用兼观测井，井深45 m和56 m;同时考虑到N-JET封底隔水层存在失效的风险，在坑外布置针对N-JET隔水层和止水帷幕的备用兼观测井，观测N-JET和止水帷幕深度范围内水位的灵敏度，以便及时发现问题并准备应急措施。

2.2 富水淤泥质粘土降水控制

本工程开挖较深，基坑底板位于⑦1层粉砂夹粉质粘土层，开挖范围以粘土为主，该基层渗透性差，压缩性高，为软弱土层。若不采取措施降低土层含水量，将造成开挖面软弱，滞水等不良现象，影响开挖面上的施工，较大的含水量也使得土体自立性差，影响开挖效率。由此可考虑采取以下解决方案：

疏干井和降压井分开布置，疏干井主要针对上部潜水含水层，为避免疏干井揭穿承压含水层，引起承压水沿着疏干井突涌的问题，疏干井的深度应与承压含水层保持一定的安全距离。疏干井数量按200平方一口布置。配置双路电源或备用发电机，确保后期抽水持续性;各区段前期成井后，需进行降水验证试验，检验降深效果，细化降水方案。

2.3 復杂周边环境沉降精准控制

拟建场地西侧约26.3 m为沪杭高铁线，其为地面高架线路，工程周边环境等级为一级，对沉降变形控制要求为2 mm。解决方案如下：

本工程虽有N-JET水平封底作为隔水层隔断承压水，但考虑到坑内承压水降深幅度较大，同时N-JET封底效果存在一定的不确定性，故在坑外高铁一侧针对承压含水层单独设置若干口应急回灌井，平均间距15 m，在基坑开挖前进行降水验证试验，判定坑内抽水对坑外的渗流影响，提前做好风险评估，及时掌握坑内外承压水头差异，且在必要时能够作为回灌井使用。

在布置回灌井一侧布设一定数量的观测兼备用回灌井。施工过程中，需密切关注坑内抽水对坑外水位的影响，实时监测坑外不同含水层的水位变化。

3实验及结果分析

3.1 试验井选择

试验根据现场实际情况选择坑内井为Y1～Y2、YG1～YG5，坑外观测井为HG1～HG10、BG1～BG2、GW1～GW4。降压井性质一览表如表1所示，试验井平面位置图见图3所示。

疏干井布设。为保证施工安全，基坑开挖前需采用疏干井降低地层含水量。原则上疏干井滤管不应进入⑦层承压含水层，考虑到第⑥层粉质粘土为硬土层，所以将疏干井的滤管底设在⑥1层层顶处，疏干井深度为25 m。

降压井布设。影响本工程的承压含水层主要为⑦2层承压含水层。该层层厚度较大，围护结构未将其隔断，地墙墙趾处设置有5 m厚N-Jet隔水层，考虑在坑内布设减压降水井进行封闭式降水。考虑到⑦层降水需降到坑底以下1 m，根据类似项目工程经验，结合水勘试验成果，考虑到地层扰动，本工程降压井的井深设为48 m，滤管长度为15 m。

坑内观测兼备用井布设。工作井中布置5口观测兼备用井。井的四边且靠近支撑的地方均匀布设4口观测兼备用井，用以观测坑内降水薄弱位置的水位;工作井中心处布设1口观测兼备用井。针对N-Jet布设井深为45 m、56 m的两种观测井，滤管长度均为12 m。

坑外观测兼备用井井布设。本工程下伏含水层较厚，⑦2层渗透性较大，地墙及水平封底的质量是决定本次基坑降水效果的关键因素之一。分别针对地墙及封底层布设深、浅不同类型的坑外观测井。其中41 m井2口，64 m井及 71 m井各1口。

坑外应急回灌井布设。坑外应急回灌井井布设原则如下：对于⑦2层承压含水层共布设10口坑外应急回灌井，布设在靠近高铁一侧，平均井间距15 m，井深53 m;布设2口坑外观测兼备用回灌井，井深53 m。在基坑开挖前进行群井验证试验，检验帷幕防渗质量，根据试验结果及时采取相应补漏等措施。

3.2 实验及分析

试验前对试验井点进行了水位观测，初始水位如表2所示。

降水实验降压井所用水泵为功率5.5 kW，额定出水量25 m³/h的QJ型潜水泵，水泵下深至43～45 m。

采用Y1～Y2作为抽水井，抽水历时35.1 h，Y1出水量约为219 m³，平均流量约为6.24 m³/h，Y2出水量约为309 m³，平均流量约为8.80 m³/h， YG1～YG3、YG5，坑外HG1～HG7、HG9～HG10、BG1、GW1～GW4作为观测井。

群井抽水后，流量随抽水时间整体呈逐步减小的趋势。开始第一小时流量为15.7～18.9 m³/h，往后逐渐减小至4.5～5.5 m³/h。抽水后坑内外水位变化如图4、5所示。

由图4可以看出，随着抽水时间的增长，坑内水位明显下降。抽水10 h左右，坑内水位下降速度较为明显，随着持续抽水，下降速度减缓。随着抽水时间的增长，坑外略有下降。

降压井停抽后，对坑内⑦层井恢复试验，恢复试验历时34.5 h，坑内各层井水位恢复曲线如图6所示，恢复速率如图7所示。

降压井抽水试验恢复阶段，经过30 min水位恢复后，坑内井水位恢复了0.4%～1.3%，经过60 min坑内井水位恢复了0.9%～2.5%，经过5 h坑内井水位恢复了6.3%～10.3%，经过12 h坑内井水位恢复了14.4%～19.6%，经过18 h坑内井水位恢复了19.3%～23.4%，经过24.5 h坑内井水位恢复了25.4%～26.9%，经过34.5 h坑内井水位恢复了36.1%～38.6%。恢复速率较慢，恢复程度较低。

4结语

4.1 结论

以上海盾构接收井深基坑为工程背景，根据工程具体疑难，提出了针对性的降水设计方案，同时采用抽水试验结合数值模拟的手段对降水方案进行验证，得到了以下结论：

第一，坑内Y1、Y2抽水35.1 h，坑内水位明显下降，下降趋势随时间逐渐减缓。坑内⑦1层、⑦2层混合观测井YG1、YG3、YG5静水位埋深为31.94～32.10 m，满足基坑开挖至底时⑦1层水位31.20 m的控制要求;坑内⑦2层观测井YG2静水位埋深为32.09 m，满足基坑开挖至底时⑦2层水位25.4 m的控制要求。

第二，抽水过程中，坑外各承压水位观测井下降幅度为0.04～0.18 m，最大降深为GW1（深度41 m）——0.18 m，位于基坑西侧。坑内水位在满足安全水位控制要求的情况下，坑外各观测井整体下降量较小。基本判定坑内外承压水没有联通，地连墙及封底加固共同形成的止水体系整体起到了较好的封闭效果。

第三，坑内抽水35.1 h后停抽恢复，坑内观测井水位恢复速率比较平稳，总体水位恢复速率慢，恢复程度较低。

4.2 建议

正式降压时切实做好按需降压，并密切关注周边环境问题。基坑开挖至临界深度前一周，应加强对承压含水层初始水位的观测，并根据后期实测的承压初始水位调整降压运行工况。

基坑开挖前期及开挖过程中，应提前排摸止水质量并加强过程监测，对潜在的渗漏点需及早处理。根据现阶段坑内水位恢复速率，建议在停电30 min内需完成供电恢复。

基坑面积小，但基坑風险较高，周边环境控制要求高，基坑外布设了应急回灌井，必要情况下可进行常压回灌，从而减小降水对周边环境的影响。

参考文献

[1] 刘国强.可溶岩中隧道初支局部堵水注浆施工技术[J].铁道建筑技术，2016（9）：13-17.

[2] 梁太略，陈坤.纬三路过江通道盾构工作井降水方案探究[J].科技创新导报，2018，15（10）：73-75+77.

[3] 定培中，肖利，李威，等.深厚透水性地层中大型深基坑降水方案设计探讨[J].长江科学院院报，2012，29（2）：46-50.

[4] 游洋，阎长虹，刘实，等.复杂地质条件下某深大基坑降水方案优化设计[J].工程地质学报，2017，25（3）：715-722.

[5] 骆祖江，刘昌军，瞿成松，等.深基坑降水疏干过程中三维渗流场数值模拟研究[J].水文地质工程地质，2005（5）：48-53.

[6] 徐剑波.富含水厚砂地层深基坑降水控制技术工程案例研究[J].绿色建筑，2018，10（2）：67-70.