止水帷幕失效情况下的地下水控制

姜渭渔 殷立锋 王朝阳 晏 姝 王彭宇 罗军涛 赵志银

1. 上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司 上海 200126；2. 上海长凯岩土工程有限公司 上海 200093

上海市某项目在基坑开挖前进行生产性抽水试验，发现在坑内抽水的同时，坑外水位有所下降，初步判断基坑外围的止水帷幕有一定的缺陷，为保护基坑安全及周边环境安全，一般在发生此类问题的情况下，需要进行止水帷幕的修补工作，但是造价太高，因此需探求一种经济有效的解决方法。该项目在出现止水帷幕有缺陷的情况下，通过试验和模拟计算结合的方法，论证了在坑外布置回灌井的方式，人为制造帷幕，可以避免坑外地下水水位下降过大。这是减少由于降水引起的地表沉降的有效措施，使项目基坑周边地面沉降得到有效控制[1]，既保护了周边环境，也节省了人力、物力、财力。

1 工程概况

上海市某基坑位于上海市浦东新区，总建筑规模约410 261.76 m2，地上计容面积约264 222.50 m2，地下计容面积约143 373.28 m2，地下3层。地下1层主要布置地下商业、机机车库、非机动车库、设备用房等，地下2层布置机动车库及设备用房，地下3层布置人防机动车库及设备用房。该项目主要功能定位为商业、办公、酒店等。周边现有道路下管线密集，基坑北侧开挖边线距离道路红线约4.2 m，道路下分布污水、雨水管线，管线距离基坑边线分别为20.6、25.8 m。道路北侧有轨交11号线区间隧道，距离基坑边70.3～74.1 m；基坑东侧开挖边线距离道路红线约4.2 m，道路下分布雨水污水、燃气、电力等管线，其中较近的雨水和污水管线距离基坑边线为18.7、40.7 m。

该基坑普通开挖深度为14.90 m，局部深坑落深4.20 m（开挖深度19.10 m），采用3道混凝土支撑。基坑安全等级为一级，环境保护等级为二级。基坑采用地下连续墙围护，坑内竖向设置3道钢筋混凝土水平支撑。其中北侧靠近轨交11号线区间隧道100 m范围内采用1 m厚、46 m超深地下连续墙，结合三轴水泥土搅拌桩槽壁加固及RJP墙缝止水。其他区域采用800 mm厚地下连续墙，结合超深TRD止水帷幕（墙底埋深46 m）。

场地杂填土厚度一般为1.0～4.0 m，最厚达5.0 m，填土上部以碎石、砖块为主，下部为黏性土为主。基坑开挖面从上到下土层主要为第②层灰黄色粉质黏土、第③层灰色淤泥质粉质黏土、第④层灰色淤泥质黏土。场地内局部存在原有建筑拆除后的旧基础和建筑垃圾。场地内开挖面以下第⑤2-1层灰色砂质粉土、第⑤2-3层灰色粉砂、第⑤3-2层灰色砂质粉土夹粉质黏土为微承压含水层，第⑦层灰色粉砂为承压水，经抗突涌验算（⑤2-1层、⑤2-3层以及⑤3-2层水头埋深分别取4.5、5.0、6.0 m），大底板开挖时需要对⑤2-1层进行降压。当开挖局部深坑时需要对⑤2-3层进行降压。⑤3-2层与第⑦层承压含水层相连通，不存在坑底承压水突涌问题。基坑围护剖面见图1。

图1 基坑围护剖面示意

第⑤2-2层与第⑤2-1层、第⑤2-3层存在一定的水力联系，且第⑤2-2层为弱透水层，不具备微承压性。根据岩土工程地质勘察报告和水文地质勘察成果，第⑤3-1层可作为隔水层，但因试验场地内⑤3-1层部分缺失或层厚较薄，故⑤2-3层与⑤3-2层存在直接水力联系。该项目主要承压含水层水文地质参数见表1。

表1 水文地质参数

水文地质专项勘察期间，测得第⑤2-1层静止水位埋深为4.10 m，稳定单井出水量约1.10 m3/h，降水井停抽后，平均约400 min恢复10%，恢复速率较慢。测得第⑤2-3层静止水位埋深为5.32 m，稳定单井出水量约3.5 m3/h，降水井停抽后，平均约45 min恢复10%，恢复速率较快。

2 基坑降水分析

降水目的：降低基坑内承压含水层水位，防止开挖过程中产生管涌、流砂等不良现象，保证施工顺利进行；控制降水引起地面沉降，避免产生较大的差异沉降。

降水对策：采用坑内布设减压深井方式，降低坑内承压水水头，对承压水进行“按需降水”。控制水位；坑外布设水位观测井及回灌井，在降水期间观测坑外水位变化情况，必要时开启回灌井，抑制周边地表沉降。

降水井的设计：在坑内布置8口减压降水深井，2口观测兼备用井，在坑外布置11口观测井，井深控制为第⑤2-3层完整井。

3 抽水试验安排

在降水井全部施工完成后，针对各承压含水层进行生产性抽水试验，验证降水效果以及止水帷幕的封闭性。试验期间开启坑内减压井（J1～J8），同步观测坑内观测井（BG1、BG2）及坑外观测井（G1～G11），实时记录各时间段水位数据并绘制历时曲线。

4 抽水试验情况及采取的措施

4.1 抽水试验结果

坑内：在开始降水约7.5 d后，坑内观测井水位基本趋近平稳，坑内观测井水位最大降深为4.60 m，但仍未达到基坑最大开挖深度时的安全水位。

坑外：在第⑤2-3层抽水试验期间，坑外东侧、南侧、西侧观测井水位尚未有平稳趋势，截至坑内抽水井停止抽水，坑外观测井水位东侧最大下降2.69 m，南侧最大下降3.93 m，西侧最大下降2.87 m，北侧最大下降0.04 m。抽水试验过程中第⑤2-3层观测井水位变化历时曲线见图2～图4。

图2 第⑤2-3层坑外观测井水位变化历时曲线

图3 第⑤2-3层坑内观测井水位变化历时曲线

图4 第⑤2-3层坑内外观测井降深平面示意

4.2 试验结果分析

理想状况下，在止水帷幕封闭的情况下，坑内降水井抽水运行，不会引起坑外较大的水位变化，但根据此次试验的结果看来，基坑东侧、南侧及西侧止水帷幕未达到理想效果，考虑对周边环境的保护，需采取措施弥补止水帷幕失效带来的后果。

为了探讨一种性价比高的处理措施，需根据现场第⑤2-3层群井抽水试验的结果，在模型中对单井出水量进行设置，对渗透系数不断进行反演计算，得出和现场实际情况大致相同的参数数值。通过模型反演后，坑内观测井水位处降深4.0～5.0 m，坑外观测井水位降深北侧约0.3 m，东侧2.0～2.5 m，南侧约3.2 m，西侧约3.0 m，模型反演结果接近抽水试验结果，说明该反演模型可以反映真实降水情况，模型反演坑内外水位降深等值线如图5所示。

图5 生产性抽水试验反演得出水位降深等值线（单位：m）

4.3 坑内处理措施

由于止水帷幕止水效果不佳，导致坑外承压水源源不断地对坑内进行补给，使得坑内现有减压井数量不足以降低地下水水位至安全水位。为保证基坑安全开挖，需考虑增加坑内降水井数量，在增加坑内降水井数量后，经过模型计算分析，坑内观测井位置水位降深7.0～7.5 m，满足基坑最大开挖需求的安全水位。根据模拟计算结果，坑外观测井处降深北侧约0.52 m，东侧约3.5 m，南侧约4.6 m，西侧3.5～4.6 m，坑外水位降深相比试验期间降深更大，坑内外水位降深等值线如图6所示。

图6 增加坑内降水井数量后坑内外水位降深等值线（单位：m）

根据模拟计算结果，计算降水引起的坑外地表沉降，由此减压降水引起的坑外地表沉降等值线如图7所示。图中数据反映，靠近基坑位置北侧地表沉降约4 mm，西侧地表沉降约16 mm，南侧靠近学校位置地表沉降2～4 mm，东侧地表沉降约22 mm。因此，在止水帷幕渗水的情况下，坑内降水将引起坑外地下水水位的下降，进而导致坑外地表沉降，影响周边环境安全。

图7 增加减压井数量后由减压降水引起的坑外地表沉降等值线（单位：mm）

4.4 坑外处理措施

根据模型计算结果，基坑周边承压水水位降深较大，考虑到基坑周边环境的保护要求较高，故选择在基坑周边采取布置应急回灌井的措施，人为抬升地下水水位，抑制周边地表沉降[2]，坑外回灌井井结构同坑内抽水井井结构，此方法主要为根据实际情况，建立新的地下水平衡，确保在坑内满足降水需求的前提下，减小由于深基坑引起的周边保护建（构）筑物区域地下水位变化及地面沉降。

回灌井的工作原理主要是把水注入回灌井里，井周围的地下水位就会不断地上升，上升后的水位称为回灌水位。由于回灌井中的回灌水位与地下水位的静水位之间形成一个水头差，注入回灌井里的水有可能向含水层里渗流。当渗流量与注入量保持平衡时，回灌水位就不再继续上升而稳定下来。此时，在回灌井周围形成一个水位的上升锥，其形状与抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反。在回灌井处的回灌水位最高，向四周回灌水位逐渐降低，直至与静水位相重合，由重合点到回灌井中心轴线的距离称为回灌影响半径。回灌水位与静水位之差，称为水位升幅。此外，回灌井的回灌量与含水层的渗透性有密切关系，在不同渗透性能的含水层中，井的回灌量差别很大。为了保持一定的回灌量，渗透性好的含水层，井中的回灌水位较小；反之渗透性愈差，井中所需的回灌水位就愈高。

因此，为了保持建立新的地下水均衡，需在基坑外围设置回灌井，通过地下水的补给，维持坑外水位始终处于初始水位，减少地下水流失，抑制坑外地表沉降。

4.5 处理结果

根据试验及模拟计算结果发现，在止水帷幕未达到理想效果时，坑外水位急剧下降，且将引起较大的地表沉降，在增加应急回灌措施后，基坑周边地表沉降明显减小。增加应急回灌井后，坑内外水位降深等值线如图8所示，图8数据反映，在增加坑外应急回灌井后，坑内观测井位置水位降深约7.0 m，满足基坑开挖需求，坑外观测井处降深北侧约0.28 m，东侧0.2～0.5 m，南侧约3.0 m，西侧3.0～4.0 m，坑外水位降深减小。

图8 增加应急回灌井后坑内外水位降深等值线（单位：m）

根据以上模拟数据，对降水引起的坑外地表沉降进行计算模拟，由此可得减压降水及回灌后引起的坑外地表沉降等值线如图9所示。地表沉降对比分析如表2所示。图9数据反映在增加回灌井且运行后，靠近基坑位置北侧地表沉降约2 mm，西侧地表沉降约14 mm，南侧靠近学校位置地表沉降0～2 mm，东侧地表沉降约4 mm。

表2 地表沉降对比分析

图9 增加应急回灌井后由减压降水引起的坑外地表沉降等值线（单位：mm）

5 结语

在基坑工程中，止水帷幕失效而不能达到理想止水效果的事情是很常见的，一旦止水帷幕发生破坏，将给基坑带来重大的危害。为了保证基坑安全，需要采取措施弥补止水帷幕失效带来的损失，最常见的方法是进行止水帷幕的修补。但是此种方法对人力、物力和财力的消耗过大。以上案例的成功实践，为今后类似问题提供了有价值的参考。此后遇到类似问题时，可根据实际情况，判断坑内外水位情况及周边环境保护要求，在保证基坑开挖安全的前提下，可在靠近重点保护区域设置应急回灌井，建议井间距不大于10 m/口。应急回灌井运行过程中，应进行回灌量和观测井水位数据以及监测数据的梳理分析。维持坑外水位始终位于初始水位位置，人为抬升地下水水位，抑制坑外地表及建筑物沉降[3]。从上述案例当中可以看到，在止水帷幕失效的情况下，坑内和坑外均增加降水井，在坑内地下水可以到达安全水位的同时，坑外水位不至于有较大的水位下降，既保证了基坑安全，又避免降水对周边环境的破坏[4-5]。该方法操作简单，又节省人力、财力和物力，性价比较高。