孫小波

1　引言

目前引發(fā)基坑工程事故的原因分為兩類：一是土，二是水[1]。而其中大部分事故是因地下水引起的基坑安全事故及環(huán)境事故，如2003年上海軌道交通4號(hào)線工程浦東南路站-南浦大橋區(qū)間隧道工程進(jìn)行中間風(fēng)井下部聯(lián)絡(luò)隧道施工時(shí)，發(fā)生了大規(guī)模流砂事故，導(dǎo)致約270m隧道發(fā)生坍塌損壞，地面發(fā)生了較大的沉陷，事故場(chǎng)區(qū)建筑物和防汛墻發(fā)生傾斜破壞[2]；2006年，上海地鐵7號(hào)線某車站降承壓水誘發(fā)周圍地層嚴(yán)重沉降，最大沉降量達(dá)到140mm[3]；南京、杭州等沿海城市也發(fā)生過(guò)多次類似事件[4～6]，基坑降水顯得尤其重要。

目前基坑建設(shè)中對(duì)于地下水的認(rèn)識(shí)多來(lái)源于工程勘察資料，其深度及精度受到很大的制約，遠(yuǎn)不能滿足基坑工程地下水控制分析的要求，已成為深基坑工程承壓水風(fēng)險(xiǎn)源之一[7]。

杭州市望江路隧道江南工作井臨近錢(qián)塘江岸邊，周邊環(huán)境及水文地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水控制難度極大。為消除或減弱地下水對(duì)基坑安全及其周邊環(huán)境的不利影響，開(kāi)展了專項(xiàng)抽水試驗(yàn)，進(jìn)行了基坑降水方案評(píng)價(jià)，提出了相應(yīng)的基坑地下水控制措施。

2　工程概況

2.1　工程概況及周邊環(huán)境

杭州市望江路過(guò)江隧道工程位于杭州市錢(qián)江三橋上游約1.5km處，由江北沙地路起，沿望江路，穿越錢(qián)塘江，至南岸江暉路，終于丹鳳路，銜接上城區(qū)與濱江區(qū)，設(shè)計(jì)里程為YK0+000.000～YK3+586.566，全長(zhǎng)3586.566m，其中隧道段長(zhǎng)度3240m。

江南工作井基坑平面尺寸為37.6m×23.6m，開(kāi)挖深度約為25.57m?；訃o(hù)結(jié)構(gòu)及止水采用地下連續(xù)墻，地下連續(xù)墻墻厚1200mm，深度65.0m，入中風(fēng)化巖層不少于2.0m。

圖1　杭州市望江路隧道平面及周邊環(huán)境示意圖

2.2　工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地內(nèi)，根據(jù)勘探揭露地基土的成因時(shí)代、巖性、埋藏分布特征、物理力學(xué)性質(zhì)，結(jié)合原位測(cè)試及勘察單位附近工程經(jīng)驗(yàn)，可將勘探深度內(nèi)地基土劃分為10個(gè)工程地質(zhì)層，共28個(gè)亞層和5個(gè)夾層。

江南工作井所處場(chǎng)地地層自上而下依次為：①2層素填土；③2砂質(zhì)粉土；③3粉砂夾粉土；③4砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；③5粉砂夾粉土；③7砂質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土；⑧1淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉砂；⑧3粉砂；12○1粉砂；14○3卵石；（23）2強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖及（23）3中等風(fēng)化砂礫巖。基坑底板位于⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土中，止水帷幕底部位于（23）3中等風(fēng)化砂礫巖中。

場(chǎng)地勘探深度以淺的地下水類型按其含水介質(zhì)、水動(dòng)力特征及其賦存條件，主要分為第四系松散巖類孔隙潛水、第四系松散巖類孔隙承壓水和基巖裂隙水三類。

孔隙潛水主要賦存于場(chǎng)區(qū)淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內(nèi)，勘察期間實(shí)測(cè)潛水位埋深1.30～4.50m，相對(duì)于標(biāo)高為3.44～5.72m，平均水位標(biāo)高為4.80m。

孔隙承壓水主要賦存于下部⑧3、12○1粉砂和14○3卵石層內(nèi)，上覆⑥和⑧層黏性土，是相對(duì)隔水層，構(gòu)成了含水層的承壓頂板。上述含水層之間水力聯(lián)系密切，各含水層之間局部分布有相對(duì)隔水層，但上下兩層含水層之間或直接接觸或存在越流補(bǔ)給，因此可視為同一承壓含水層。本含水層總的特點(diǎn)是：承壓、透水性好、水量大，水質(zhì)為咸水，屬封存型含水層，地下水逕流滯緩。根據(jù)江南長(zhǎng)期觀測(cè)孔觀測(cè)資料，水位標(biāo)高為-0.45～-1.74m，水位變幅在0.65m之間。承壓含水層在自然狀態(tài)下，總體而言水頭壓力較平穩(wěn)，水位變化較小。但由于受人工開(kāi)采、降水和潮汐的影響，水位變化較大。

基巖裂隙水埋藏于第四紀(jì)土層之下，主要賦存于下部基巖風(fēng)化裂隙內(nèi)，含水層透水性受巖石的風(fēng)化程度、裂隙的發(fā)育程度、裂隙貫通性等控制，裂隙水主要受側(cè)向補(bǔ)給和上部承壓含水層下滲補(bǔ)給，逕流緩慢，向下游排泄，基巖裂隙水水量微弱，對(duì)本工程意義不大。

3　專項(xiàng)水文地質(zhì)試驗(yàn)

3.1　試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

江南工作井承壓含水層由⑧3、⑨3粉砂、12○1粉砂、12○4圓礫和14○3卵石層含水層組構(gòu)成，厚度達(dá)到約37m?；娱_(kāi)挖深達(dá)到25.57m，在基坑施工過(guò)程中需大面積、長(zhǎng)時(shí)間的抽降以上含水層組中的地下水。

鑒于本工程基坑降水井單井出水量大，周邊環(huán)境復(fù)雜敏感，在基坑開(kāi)挖施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)地下水水位的力度，且地下水水頭埋深受季節(jié)性及潮汐影響，為掌握準(zhǔn)確的地下水位信息，本工程基坑在正式開(kāi)挖施工之前進(jìn)行了抽水試驗(yàn)。

試驗(yàn)的目的主要是為制定可行、合理的地下水控制設(shè)計(jì)方案，包括以下幾點(diǎn)：

（1）了解本地區(qū)地下水水頭埋深分布情況、含水層組的水文地質(zhì)性質(zhì)、確定單井涌水量；

（2）分析斷電/停泵施工風(fēng)險(xiǎn)；

（3）確定地層相關(guān)的水文地質(zhì)參數(shù)；

（4）判斷降水設(shè)計(jì)方案的合理性，并對(duì)抽水試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整后續(xù)施工的降水井。

3.2　試驗(yàn)布置

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康模曰游鱾?cè)為試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)，坑外布設(shè)降水試驗(yàn)井。承壓含水層共布置3口試驗(yàn)井（2口抽水井，1口觀測(cè)井），具體井位及井結(jié)構(gòu)如圖2～3所示。結(jié)合監(jiān)測(cè)方案，試驗(yàn)期間在試驗(yàn)區(qū)域范圍內(nèi)布置9個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

圖2　承壓試驗(yàn)井井位布置圖

圖3　承壓試驗(yàn)井井剖面示意圖

3.3　試驗(yàn)安排

本次試驗(yàn)包括單井抽水試驗(yàn)和兩井抽水試驗(yàn)，主要用于確定含水層參數(shù)及分析抽水與環(huán)境變形間的關(guān)系。具體試驗(yàn)如表1所示。

表1　試驗(yàn)工況表（承壓含水層）

4　水文地質(zhì)評(píng)價(jià)

4.1　初始水位的確定

試驗(yàn)期間含水層組的水位埋深為6.17～6.69m，對(duì)應(yīng)標(biāo)高為0.29～0.24m，與勘察測(cè)量的地下水水位標(biāo)高-0.45～-1.74m相比有一定差異。

考慮到水位觀測(cè)時(shí)間的差異、場(chǎng)地地面情況的變化以及觀測(cè)井點(diǎn)施工的影響，在基坑施工階段應(yīng)該對(duì)地下水水位埋深進(jìn)行觀測(cè)，以便使基坑工程降水設(shè)計(jì)施工方案更加合理可靠。

表2　實(shí)測(cè)地下水初始水位

4.2　降水效果

4.2.1單井試驗(yàn)

分別采用GY2、S1作為抽水井，進(jìn)行單井試驗(yàn)，單井平均出水量分別為20.7m3/h、39.4m3/h。單井抽水期間，GY2觀測(cè)井水位降深變化如圖4所示，采用50m揚(yáng)程額定流量為25m3/h的潛水泵，距抽水井不同距離處承壓含水層觀測(cè)井均發(fā)生了相應(yīng)階段性變化，距其7.15m處的S1水位降深為0.72m；距其19m處的GY3水位降深為0.91m，由于卵石層的不均勻分布性，S1井處補(bǔ)給大，降深較小。

圖4　GY2單井，觀測(cè)井水位降深變化歷時(shí)曲線圖

4.2.2兩井試驗(yàn)

采用GY2、S1作為抽水井，單井平均出水量分別為17.5m3/h、33.2m3/h。抽水期間，觀測(cè)井水位降深變化如圖5所示。當(dāng)以兩井形式抽承壓水時(shí)，距抽水井12.05～19.20m距離處的GY3觀測(cè)井處水位降深為3.38m。

圖5　兩井觀測(cè)井水位降深變化歷時(shí)曲線圖

4.3　水文地質(zhì)參數(shù)的確定

本文通過(guò)建立三維地下水滲流數(shù)學(xué)模型，采用有限差分?jǐn)?shù)值法，結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演水文地質(zhì)參數(shù)，參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3　抽水試驗(yàn)反演參數(shù)一覽表

4.4　斷電、停泵施工風(fēng)險(xiǎn)分析

GY2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至83.3%，恢復(fù)速度迅速；S2單井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至85.4～86.5%，恢復(fù)速度迅速；GY2、S2兩井恢復(fù)期間，目的抽水層10min水位恢復(fù)至80.5%，恢復(fù)速度迅速。因此，施工期間如出現(xiàn)斷電或者抽水井水泵損壞，而不能及時(shí)開(kāi)啟水泵時(shí)，基坑的安全將受到嚴(yán)重的威脅，因此降水期間必須配備足夠功率的發(fā)電機(jī)，保障電源的正常工作，同時(shí)需設(shè)置一定數(shù)量的備用井，以防備水泵損壞出現(xiàn)異常情況。

4.5　環(huán)境變形分析

試驗(yàn)期間典型地表沉降數(shù)據(jù)如圖6所示，單抽及恢復(fù)試驗(yàn)期間，地表沉降呈現(xiàn)明顯的下降及回彈現(xiàn)象，但地表沉降變化滯后于抽水變化。單抽及恢復(fù)試驗(yàn)期間，最大累計(jì)沉降量為1.5mm，沉降量較小。兩井抽水由于時(shí)間較短，且存在滯后現(xiàn)象，因抽水時(shí)間較短，試驗(yàn)期間沉降變化不明顯。在實(shí)際降水施工期間，因抽水時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于保護(hù)的建構(gòu)筑物除，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，并做好充分的應(yīng)急預(yù)案。

5　基坑工程地下水控制分析

5.1　基坑工程地下水控制的難點(diǎn)

本基坑工程緊鄰錢(qián)塘江，工程環(huán)境條件復(fù)雜，在承壓地下水控制方面主要存在以下幾點(diǎn)難點(diǎn)：

圖6　試驗(yàn)期間地表沉降累積變化曲線（斷面DB2）

（1）基坑開(kāi)挖深達(dá)25.57m，針對(duì)承壓含水層降壓幅度為14.5m，降水幅度大；

（2）基坑止水圍護(hù)地連墻已進(jìn)入下部的中風(fēng)化巖，理論上已隔斷承壓含水層，故止水帷幕的有效性是本工程降水成功與否的關(guān)鍵因素之一；

（3）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，單井及兩井出水量較大，達(dá)到17.0～40.0m3/h，后期施工運(yùn)行難度大；

（4）本工程斷電、停泵時(shí)，地下水水位恢復(fù)迅速，10min即恢復(fù)81%～87%，因此考慮對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)；

（5）由試驗(yàn)可知，降水后會(huì)引起一定的地表變形。

5.2　基坑工程地下水控制的對(duì)策

針對(duì)上述難點(diǎn)建議采取以下地下水控制措施：

（1）地下水運(yùn)行控制中需做到按需降水，確保開(kāi)挖工況與降水工況保持一致，并加強(qiáng)環(huán)境監(jiān)測(cè)；

（2）基坑內(nèi)降水井施工完成后，需完成驗(yàn)證試驗(yàn)，檢驗(yàn)降水及地墻止水效果；

（3）坑外布設(shè)觀測(cè)井，加強(qiáng)坑外水位的觀測(cè)，加強(qiáng)對(duì)地墻滲漏風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)警；

（4）設(shè)置專項(xiàng)排水系統(tǒng)，應(yīng)及時(shí)外排抽汲的地下水；

（5）考慮到斷電/停泵風(fēng)險(xiǎn)及其他施工風(fēng)險(xiǎn)，地下水控制運(yùn)行過(guò)程中需配備風(fēng)險(xiǎn)智能控系統(tǒng)，包括雙電源智能化切換系統(tǒng)、斷電報(bào)警系統(tǒng)、備用井自動(dòng)開(kāi)啟系統(tǒng)、水位自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

6　結(jié)論

杭州市望江路隧道江南工作井緊鄰錢(qián)塘江，且周邊環(huán)境復(fù)雜，為有效消除或減弱地下水引起的基坑安全風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題，本文通過(guò)專項(xiàng)水文地質(zhì)試驗(yàn)，對(duì)本基坑工程的水文地質(zhì)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析了本基坑工程地下水控制的難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而提出了相應(yīng)的對(duì)策，其結(jié)論可直接應(yīng)用于基坑開(kāi)挖期間的地下水控制設(shè)計(jì)及運(yùn)行。

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