多含水层地层45m级基坑承压水控制设计与实践*

宗露丹

(1.华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院,上海 200011;2.上海基坑工程环境安全控制工程技术研究中心,上海 200002)

0 引言

城市地下空间的开发利用率已成为衡量城市现代化的重要标志,是世界性的城市发展趋势。上海作为我国超大中心城市,其浅中层地下空间利用目前已逐渐趋于饱和,挖掘深层地下空间资源,提高城市土地利用率已成为上海城市绿色安全运营的战略需求和必然趋势。在此时代背景下,上海某重大科学装置项目5号井工程挖深已突破45m,是目前上海地区最深的非圆形基坑工程[1]。

然而,上海地区地质条件为典型的滨海地貌单元,其浅部约30～40m深度为含水量高、抗剪强度低、具有流变特性的软弱黏土层,而深部则分布有多层含承压水砂层,砂层间或夹有相对隔水黏土层、或联通分布。同时,上海作为开发成熟的特大城市,其地面建筑物密集、地下管线众多、交通网络纵横,城市环境保护要求高。

面对如此复杂的地质条件和环境保护需求,挖深达45m级的基坑工程将面临更深层的承压含水层大幅度减压降水需求,周边环境承压水降幅需严格控制。为解决滨海地貌地区超深基坑工程的承压水控制难题,本文依托5号井作为工程背景,重点介绍深部承压含水层水文特征参数研究、复杂多层承压水的基坑隔-降-灌一体化设计、承压水控制试抽水及正式运营效果验证,为滨海地区类似超深基坑工程的承压水控制设计和施工提供借鉴。

1 工程概况

1.1 基坑概况

上海某重大科学装置项目由5座地下工作井、10条地下隧道和若干地上附属设施组成,其中5号井为面积最大、挖深最深的矩形基坑,面积为4 535m2,平面尺寸为57.4m×79m,普遍区域挖深为42.1m,南侧约900m2靶球落深区域挖深为45.45m。

5号井基坑周边环境较复杂,基坑东侧的500kV高压铁塔49号、220kV高压铁塔杨机15号、220kV高压铁塔峰龙58号距基坑分别约为58.2,80.1,116.4m,基坑西侧的磁悬浮距基坑约91m,均采用桩基础形式。其中磁悬浮基础附加变形保护要求极其严苛,基础总沉降控制值为2mm,相邻墩柱不均匀沉降量控制值为1mm。

1.2 工程与水文地质条件

本工程地貌单元为长江三角洲滨海平原,受古河道切割影响,自地表至约45m深度范围内为以流塑～软塑填土、淤泥质黏土、黏土、粉质黏土为主的深厚软弱黏土层,其下⑦2,⑨,⑾层为深厚的密实粉细砂层,标贯击数分别约为58,82,105,⑦2与⑨层之间为⑧21粉质黏土与粉砂互层。土层物理力学指标如表1所示。

表1 土层物理力学指标Table 1 Properties of the soils

场地地下水有潜水和承压水两种类型。潜水含水层主要赋存于浅部软弱黏土层中,水位埋深0.5～3.8m。深部为多层承压含水层,包括赋存于第⑤2,⑤3a层的微承压含水层,水头埋深约5.6m,且⑤3a层大部分区域与第⑦2层联通;深部第⑦2层、第⑨层、第层分别为上海地区第I,II,III承压含水层,水头埋深均约为9m,其中⑦2层与⑨层间分布有第⑧21层作为相对隔水层,⑨层与(11)层相互联通,形成厚度达50m以上的巨厚承压含水层。根据抗突涌稳定性要求,需对开挖面直接揭露的⑤2层进行疏干降水,而深部分别相互联通的⑤3a,⑦层及⑨,(11)层的水头降深需求分别约为38～42m,12～18m。

2 现场抽水试验及水文地质参数反演

上海软土地区目前常规基坑挖深基本为30m以下,常涉及的承压含水层主要为浅部微承压含水层及⑦层第I承压含水层,相应的水文地质参数已积累丰富的经验[2-6]。本基坑挖深突破45m级,涉及深部⑨,(11)层即第II,III承压含水层减压降水需求。而深部承压含水层水文地质参数取值经验较缺乏,且砂层因取样困难也无法获得精确的室内渗透试验参数,需通过现场抽水试验结合数值分析方法反演获得深部承压含水层水文地质参数。

2.1 单井抽水试验

试验场地位于基坑南侧坑外约50m处,分别针对⑨层和(11)层各布设2口抽水井,井位呈方形布置,井间距约为10m,且南侧距基坑约12m处设置1口⑨层抽水井,分别开启单口井进行抽水试验。各抽水试验井构造参数及抽水试验过程如表2所示。

表2 抽水试验井结构参数及抽水试验过程Table 2 Parameters of well structure and process of pumping test

抽水试验过程中,通过分别封堵试验井5Y9-2,5Y9-3底部7m和3m长度的滤管,调整⑨层抽水井的滤管深度以了解⑨层深度方向的透水性变化。单井抽水试验结果如表3所示。由表3可知,第⑾层抽水井单井出水量大,表明其承压含水层富水性极强;⑨层随滤管长度增加,抽水量变化较大,表明该层透水性呈浅部偏弱、深部偏强的垂向不均匀性。当⑨层单井抽水量较大时,⑾层观测井水位降深明显,反之亦然,表明⑨层与⑾层竖向水力联系较强。结合⑨层渗透性分布特点,故初步确定第⑨层抽水井采用6m滤管减压井,滤管深度位置76～82m。此外,可能受地层局部黏性土透镜体分布所致,5Y9-1抽水井单井出水量相对偏小。

表3 单井抽水试验结果Table 3 Results of single well pumping test

2.2 水文地质参数反演分析

通过对⑨和⑾层含水层分别进行单井抽水试验后,根据现场多组单井试验成果,考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点,借助Visual Modflow软件建立三维数值模型,进行数值法反演分析,获得深部承压含水层水文参数。

数值模拟计算采用含水层三维模型,数值模型平面范围以试验区为中心,建模范围为16km×16km;垂向深度为150m,根据实际地层分布情况设置。且根据试验场地勘察静力触探成果,将模型中⑨层细分为⑨上和⑨下两层,分界线深度视静力触探揭示成果相应调整取80～84m。由于抽水试验区较小且抽水时间短,故将模型外边界设为定水头边界。

利用各单井试验数据进行模拟拟合分析,分别求解得到⑨层、(11)层的渗透系数及储水率,以5Y9-2(13m长滤管)单井试验结果拟合分析为例,计算所得的观测井水位与实测水位随时间变化关系对比如图1所示,由图可知两者水位吻合度较好。

图1 5Y9-2单井抽水试验拟合结果Fig.1 Fitting results of 5Y9-2 single well pumping test

通过除5Y9-1外的6组单井抽水试验数据拟合反演分析,并综合考虑各组试验数据的协调性和本工程水文地质特性,所得⑨层与⑾层含水层水文地质参数建议值如表4所示。

表4 单井抽水试验反演分析所得水文参数Table 4 Hydrologic parameters from inversion analysis of single well pumping test

3 基坑围护与降水一体化设计

3.1 基坑支护设计方案

基坑采用顺作法方案,周边围护体采用1.2m厚地下连续墙,地下连续墙受力段入土深度为77.1～79.1m,受力段下方设置一定长度的构造配筋止水段形成悬挂帷幕,墙体分幅槽段之间采用套铣接头。由于本基坑为软土地区超深矩形基坑工程,深部巨大水土压力导致超深地下连续墙墙身及接缝渗水风险大大提高,为提高帷幕体系止水效果的可靠性,在地下连续墙外侧2.3～11m净距范围设置了0.9m厚、69m深的超深TRD工法水泥土搅拌墙止水帷幕,从而针对第Ⅰ承压含水层、微承压含水层及以上潜水含水层形成“地下连续墙+TRD”的双帷幕止水体系。

基坑普遍区域设置9道钢筋混凝土水平支撑,南侧靶球落深区域设置局部第10道钢筋混凝土支撑,支撑采用对撑、角撑结合边桁架布置形式,混凝土强度等级均为C40。普遍区域支撑平面如图2所示,基坑支护结构南北向剖面如图3所示。

图2 基坑支护结构平面布置Fig.2 Plan layout of foundation excavation supports structure

图3 基坑支护体系剖面Fig.3 Profile of foundation excavation supporting system

3.2 分层减压降水控制设计

对于5号工作井基坑而言,由于基坑开挖深度超深,涉及浅层潜水含水层疏干降水、中部及深部承压含水层减压降水需求。为此,本项目基坑地下水分层减压降水控制设计原则主要分为3个阶段。

1)第1阶段疏干降水(针对①～⑤3层) 针对坑底以上潜水层,为保证基坑实施期间安全可控,布设疏干井将潜水疏干至各层开挖面以下,且潜水含水层以物理力学性质较差的软流塑黏土层为主,宜至少保证20d以上的预抽水时间,增加坑内软土层固结程度。

2)第2阶段先减压后疏干降水(针对⑤3a～⑦2层) 由于基坑开挖面已揭露⑤3a层,且地下连续墙受力段底部已隔断⑦2层,故可采取先按需减压后疏干的原则,最终把承压水水位控制在坑底下1m。

3)第3阶段减压降水(针对⑨层) 对于深部第II承压含水层,其渗透系数较大,降水漏斗平缓,需设置坑内减压井,为减小坑内降深对坑外承压水影响,应当按照“按需降压”的原则,开挖至临界开挖面后再开启减压井,同时需结合工程土层分布情况,设置隔断或悬挂帷幕,减少坑外承压水绕流对周边环境造成的影响。

3.3 降水井布置及构造

根据地下水分层控制设计原则,基坑开挖面以上潜水含水层以黏性土为主,通过设置真空管井进行常规疏干降水;坑底下各承压含水层降水方案则根据各土层出水量、渗透系数等水文参数,并结合现场单井抽水试验成果、坑内减压降水计算分析,针对各承压含水层设置不同井深、滤管长度、井径、孔径的减压井、观测井,且在双止水帷幕之间布设抽水井以满足夹弄内应急降水需求,各类型降水井平面、剖面布置分别如图2,3所示,构造参数如表5所示。

表5 降水井数量及构造Table 5 Number and structure of dewatering wells

3.4 悬挂帷幕深度比选优化

由于第II和第III承压含水层联通,形成超50m厚的巨厚承压含水层组,地下连续墙只能采用悬挂帷幕方式进入第II承压含水层,因此需确定合理的插入深度,以确保坑内减压的同时周边环境影响可控。通过三维渗流模拟分析,在坑内各承压含水层减压降水深度满足设计要求的基础上,通过调整对比不同帷幕深度条件下的坑外环境尤其是磁悬浮的影响分析,根据坑外承压水位降深减小幅度的变化规律,提出最佳的地下连续墙悬挂帷幕深度。

渗流分析模型以2.2节中模型为基础,针对本工程平面布置范围调整网格划分,模型尺寸及定水头边界条件不变,并根据本工程范围内的勘探资料,将模型中细分的⑨上和⑨下分界线深度取为80m。根据确定的第⑨层减压井滤管底埋深82m,分别假定地下连续墙墙趾深度为85.8,87.8,89.8,91.8,93.8m,即对应帷幕相对减压井滤管底悬挂长度分别为3.8,5.8,7.8,9.8,11.8m,进行降水模拟对比分析。以帷幕深度为89.8m为例,当⑨层降压井运行100d且坑内水头降深满足减压需求后,坑外主要建构(筑)物处水位降深垂向分布情况如图4所示。距基坑5m处的最大水位降深为4.1m,西侧三八河驳岸、磁悬浮处的最大水位降深分别为3.4,2.4m,东侧的500kV高压铁塔49号、220kV高压铁塔杨机15号、220kV高压铁塔峰龙58号的最大水位降深分别为2.6,2.5,2.1m,且各邻近建(构)筑物的最大水位降深均发生在埋深约90～92m附近的第⑨层中部。

图4 减压降水引起周边环境降深垂向分布曲线Fig.4 The vertical distribution curve of surrounding environment with water reduction

根据周边重要建(构)筑物相应的水位降深情况,进一步采用分层总和法预测周边环境相应的沉降值。并根据本工程邻近1号井水勘试验场地内短期群井抽水引起的沉降变形特性及计算结果,将⑧21,⑨,(11)层的沉降计算修正系数分别取为0.24,0.16和0.18。计算所得的基坑周边环境沉降值随帷幕悬挂深度变化情况如图5所示。

图5 周边环境沉降值随帷幕增加的变化曲线Fig.5 Variation curve of surface settlement with the increase of water curtain length

由图5可知,当止水帷幕深度从85.8m增加至89.8m时,最大水位降深及周边环境沉降减小速率较大;而止水帷幕深度从89.8m增加至93.8m时,对应的环境保护对象处的水位和沉降变化速率趋缓,可见89.8m深度的止水帷幕为相对有效、合理、经济的最优解。

然而当止水帷幕深度为89.8m,磁悬浮最大沉降为4.6mm,已超出沉降控制值。但若通过加深帷幕使沉降控制在2mm以内,磁悬浮处降深要控制在1m以内,理论上帷幕深度应在105m以上,经济造价将大大增加,故考虑在89.8m帷幕深度的基础上,结合地下水回灌措施进一步控制磁悬浮沉降。

3.5 隔-降-灌一体化设计分析

为进一步控制磁悬浮沉降值,需在89.8m深悬挂帷幕基础上进行隔-降-灌一体化设计,故考虑在距离磁悬浮17m处沿其平行方向每间隔12m布置1口回灌井,共设置9口回灌井及2口备用井。同时为增加回灌的影响范围和深度、提高回灌效果,考虑回灌井滤管深度设计为69～82m,滤管上部进入⑧21层底部,同时对⑧21层、⑨层进行回灌。

当坑内⑨层减压井开启时,同时启动所有坑外回灌井进行抽灌,动态运行100d后,由坑内各含水层降深情况可知,⑨层坑内水位降深为16.1m,满足水位降深需求,坑外磁悬浮处降深为0.3～0.8m,0.5m降深影响范围约750m。根据分层总和法计算所得的磁悬浮预估沉降约1.6mm,满足变形控制需求。

4 基坑实施前试抽水试验

为确定各类型降水井结构和井数量,复核数值分析反演水文地质参数可靠性,检验双止水帷幕体系隔水效果,于基坑开挖前分别针对⑤3a～⑦2层、⑨层进行深部承压含水层专项试抽水试验,进一步分析坑内水位降深量及坑外环境影响程度。

4.1 坑内第⑤3a～⑦2层抽水试验

坑内第⑤3a～⑦2层抽水试验阶段,开启了编号5Y578-1～5Y578-4共4口坑内降水井,抽水周期为11.8d,总流量4.3m3/h,此后停抽水位恢复周期为1.9d。此外由于坑内抽水试验之前,于双帷幕之间开启了2口⑤3a～⑦2层抽水井,抽水周期为6d、停抽恢复周期17d,在坑内抽水试验阶段,双帷幕间水位未恢复,水位降深值约为35m。

抽水期间及停抽后各观测井水位变化如图6所示。由图6可知,坑内抽降⑤3a～⑦2层承压水期间,最大水位降深为35.6m,水位降至地表以下46.1m,位于坑底以下,满足水位控制要求;坑内⑧21层水位降深为22.5m,降至地表以下33.20m。坑内抽水周期内,坑外⑤3a～⑦2层基本无水位降深变化,⑧21层水位最大降深0.3m;停抽2天后⑤3a～⑦2层水位基本无恢复,⑧21层水位仅恢复1m,整体恢复速率极缓慢。可见双帷幕体系止水效果良好,且⑤3a～⑦2层垂向层间越流补给较少,⑧21相对隔水层的竖向渗透系数较小。

图6 坑内⑤3a～⑦2层抽水观测井水位历时曲线Fig.6 Duration curve of observation wells’ water level of ⑤3a～⑦2 layers

4.2 坑内第⑨层抽水试验

坑内第⑨层抽水试验阶段,开启了编号5YB9-1～5YB9-2共2口坑内降水井,抽水周期为1d,总流量140m3/h,此后停抽水位恢复周期为1d。

抽水期间及停抽后各观测井水位变化如图7所示。由图7可知,坑内抽降⑨层承压水期间,坑内⑨层观测的最大水位降深为18.5m,水位降至地表以下25.0m,可满足⑨层水位控制要求。坑内抽水周期内,坑外及磁悬浮处水位基本在抽水井运行12h后趋于稳定,坑外⑨层最大水位降深0.6m,坑内外承压水水位降深比1∶30,磁悬浮处降深最大为0.36m。停抽后水位恢复速度较快,坑内水位10min恢复25%,30min恢复68%,1h恢复86%。可见89.8m长度的悬挂帷幕隔水效果良好,且第⑨层渗透系数较大,水量补给迅速。

图7 坑内⑨层抽水观测井水位历时曲线Fig.7 Duration curve of observation wells’ water level of layer ⑨

5 承压水控制正式运行及效果分析

5.1 浅部⑤3a～⑦2层承压含水层降水效果

基坑自开挖至第5皮土方开始陆续开启2口坑内⑤3a～⑦2层减压井,且由于夹弄试抽水试验发现地墙存在局部渗漏,故为减少基坑渗漏水风险,同步陆续开启2口夹弄内⑤3a～⑦2层减压井,形成夹弄内及坑内的阶梯式水头差。坑内、夹弄内的单日抽水量分别为30.1,38.7m3/d。

基坑实施期间,坑内、夹弄内、坑外的⑤3a～⑦2层承压水水位变化如图8所示,由图8可知,在开启减压井之前,因前期夹弄内、坑内试抽水试验产生的水位降深逐步恢复,且夹弄内恢复速率相对缓慢。此后,随坑内、夹弄内⑤3a～⑦2层减压井逐步开启,坑内、夹弄内、坑外的⑤3a～⑦2层最大水位降深值分别为46.0,42.9,1.7m,水位降深比为27∶25∶1,验证了TRD止水帷幕作为第2道隔水防线的封闭性、可靠性、必要性。

图8 基坑实施期间坑内外⑤3a～⑦2层水位变化时程曲线Fig.8 The variation curve of observation wells’ water level of ⑤3a～⑦2 layers during foundation excavation implementation

5.2 深部⑨层承压含水层降水效果

基坑开挖至第9皮土方时开始陆续开启4口坑内⑨层减压井,坑内平均单日抽水量约5 862m3/d,可见由于⑨层承压含水层渗透性好、水量补给丰富且基坑止水帷幕采用悬挂帷幕形式,故而⑨层抽水量较其上覆承压含水层明显偏大。

基坑实施期间,坑内、夹弄内、坑外的⑨层承压水水位变化如图9所示,由图9可知,随减压井开启,坑内水位降深迅速增加,坑内、夹弄内、坑外的⑨层最大水位降深值分别为42.0,2.6,1.3m,水位降深比约为32∶2∶1,磁悬浮处水位降深仅约0.8m,表明89.8m深的地下连续墙针对⑨层悬挂隔水效果十分理想,有效阻隔了坑外⑨层水位的下降,为基坑周边环境保护提供了坚实的保障。此后,在基坑回筑拆除第5道支撑阶段,陆续停抽减压井,水位降深则迅速恢复。

图9 基坑实施期间坑内外⑨层水位变化时程曲线Fig.9 The variation curve of observation wells’ water level of layer ⑨ during foundation excavation implementation

5.3 磁悬浮基础沉降控制效果

基坑实施期间的西侧磁悬浮柱墩基础沉降量、前后邻近承台柱墩差异沉降的历时分布曲线如图10所示。由图10可知,磁悬浮各柱墩沉降量、相邻柱墩的差异沉降量均较小,最大沉降量仅0.8mm、最大差异沉降仅0.7mm,可见基坑实施过程对磁悬浮结构影响很小,满足其正常运营需求。

图10 磁悬浮基础沉降历时曲线Fig.10 Settlement duration curve of magnetic levitation foundation

6 结语

基于工程场地水文地质特性复杂、基坑承压含水层降深幅度大、邻近环境保护对象敏感等降水设计重难点,本文分别就基于现场抽水试验的深部承压含水层水文地质特性研究、满足坑内降水需求的地下水分层减压控制设计原则及双帷幕体系、减少坑外水位降深影响的隔-降-灌一体化承压水控制设计、基坑承压水试验试运行及正式控制运行的实施效果进行了系统研究。

1)根据现场水文勘察试验可知,深部⑨层与⑾层相连通形成承压含水层组补给丰富且渗透系数较大,⑨层垂向土性及水量补给较不均匀,⑨层与⑾层竖向水力联系较强,基于反演分析获得了⑨层与⑾层含水层水文地质参数建议值。

2)针对浅部潜水含水层、中部第I(微)承压含水层及深部相连通的第II、第III承压含水层,提出了承压水分层减压降水控制设计原则:第1阶段疏干降水(针对①～⑤3层)、第2阶段先减压后疏干降水(针对⑤3a层～⑦2层)、第3阶段按需减压降水(针对⑨层)。

3)通过三维数值模拟分析对比不同止水帷幕深度条件下的周边环境水位降深及预估沉降分析,明确89.8m深悬挂帷幕为相对有效、合理、经济的最优解。为进一步控制邻近磁悬浮沉降值,结合隔-降-灌一体化分析,在89.8m深悬挂帷幕基础上于磁悬浮沿线布设一定数量的回灌井。

4)基坑开挖前进行坑内承压含水层抽水试验,试验结果表明双帷幕体系隔水效果良好,满足设计需求。基坑正式开挖期间,双帷幕隔断的第Ⅰ(微)承压含水层坑内外水位降深分别为46.0,1.7m,悬挂式帷幕遮拦的第II承压含水层坑内外水位降深分别为42.0,1.3m,磁悬浮处的水位降深仅0.8m,可见坑内承压水降水及隔水帷幕设计既保证了基坑实施阶段的抗承压水突涌稳定性安全,又有效控制了抽降承压水对磁悬浮基础及线路的影响。