李衛(wèi)華,劉天任,洪小星,景旭成,譚 勇*
(1.南通城市軌道交通有限公司,江蘇 南通 226000;2.同濟大學 土木工程學院,上海 200092)
基坑降水是保證基坑施工安全的關鍵環(huán)節(jié),一旦處理不當將威脅施工人員和周邊環(huán)境的安全。基坑降水造成地層中孔隙水壓力消散,土體有效應力增加,從而引發(fā)地面沉降。同時,降水后基坑內外水頭壓力差會引發(fā)地下水滲流,容易引發(fā)流砂、管涌等工程地質災害。因此,在建筑物密集的城市環(huán)境中進行地鐵車站深基坑開挖降水很容易對周邊道路和鄰近建筑物造成危害。工程實踐中,在城市深基坑施工前,需要進行抽水回灌現(xiàn)場試驗,來探明水位埋深、各含水層之間的聯(lián)系等水文地質情況,并結合監(jiān)測周邊沉降的數(shù)據(jù),得出抽水與地層沉降的關系和規(guī)律,為基坑圍護和降水設計提供理論依據(jù)。
不少學者對基坑工程降水問題和現(xiàn)場抽水回灌試驗進行了相關研究。Xu 等[1]指出城市中的區(qū)域性沉降的一部分原因是開挖過程中的降水引起的;Shen 等[2]基于杭州地區(qū)某地鐵車站基坑的多組抽水試驗,發(fā)現(xiàn)地連墻完全插入到第一隔水層底部能夠更好地控制坑外地下水的涌入與周邊地面沉降的發(fā)展;蘇歡等[3]利用抽水試驗水位恢復法確定了北京某深基坑工程的水文地質參數(shù);林波等[4]根據(jù)天津粉土地層中某場地抽水試驗結果,分析得出承壓含水層與相鄰土層間具有密切水力聯(lián)系;Shen 等[5]結合天津地區(qū)多含水層-隔水層地層結構中的抽水試驗,獲取了場地水文地質參數(shù),并將其與通過考慮土壤各向異性的數(shù)值模擬方法得出的參數(shù)進行比對,結果較吻合;宮能軍等[6]基于數(shù)值模擬和抽水試驗數(shù)據(jù),針對現(xiàn)場工況提出了減壓降水方案以保證基坑安全穩(wěn)定;崔永高等[7]對深厚強透水含水層超大基坑降水進行了研究,得出群井效應下強透水層條件下回灌對減少坑外水位下降有明顯的效果的結論。
以上研究多是針對滲透系數(shù)較小的粉土、黏土地層中深基坑降水情況,而針對富水砂性地層特別是隔水層缺失的全斷面富水砂性地層中進行降水回灌試驗的研究非常有限。富水砂性地層具有孔隙率大、含水量高、自穩(wěn)性差等特點[8-9]。因此,在全斷面富水砂性地層條件下進行降水,往往面臨著地下水補給速度快、止水帷幕不能完全隔斷含水層等難題,極易發(fā)生涌水涌沙等工程災害事故。本文針對南通市全斷面富水砂性地層條件,基于南通某地鐵車站基坑抽水回灌現(xiàn)場試驗研究(單井試驗、群井試驗及其回灌試驗),得出水位降深規(guī)律、回灌量與水位抬升關系,并結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),探究降水對地面沉降的影響及回灌后引起的地層回彈規(guī)律。為優(yōu)化基坑降水設計、管控降水不良影響提供數(shù)據(jù)參考,為今后相關工程設計和施工提供經驗借鑒。
本車站為島式站臺地下二層車站,采取明挖順作法施工,標準段開挖深度16.7 m,端頭井開挖深度18.4 m。車站位于兩條主要道路交口,交通繁忙,地下管線密集。車站所在路口東北角有一高層建筑物,與車站結構最小距離約為23 m,需重點關注開挖和降水對該建筑物的不良影響。車站周圍具體環(huán)境見圖1。
南通市地處長江下游沖積平原,地形平坦。所研究深基坑工程場地屬于沖-海積新三角洲平原地貌類型。該類型地區(qū)高程在2.5~4.5 m 之間,地勢低平,溝渠密布,常受洪水和高潮位的威脅,表層以砂性土為主。
擬建場地的土層分布、物理力學性質參數(shù)及土體滲透系數(shù)如表1、表2 所示,其中,h 為土層厚度,c 為土體黏聚力,φ 為土體內摩擦角,KH為水平滲透系數(shù),KV為垂直滲透系數(shù)。車站主體主要處于深厚砂土地層中,如圖2 所示,地表以下60 m 深度范圍內均為透水砂性地層,隔水層缺失。
表2 土體滲透系數(shù)(室內試驗)Tab.2 Permeability coefficients of soil(indoor test)
根據(jù)水文地質勘察報告顯示,本車站地下水類型主要為潛水。
潛水主要賦存于淺部①層雜填土、②層砂質粉土、③1層粉砂夾砂質粉土、③2層粉砂和③4層粉細砂層中。勘察期間實測潛水穩(wěn)定水位埋深0.4~2.3 m,根據(jù)區(qū)域水文資料,地下潛水年變化幅度一般為1~2 m。具體地層分布如圖2 所示(圖中數(shù)值表示各點的相對標高)。
車站所處場地的④層土(隔水層)全部缺失,處于上部的潛水含水層(①、②、③1、③2、③4)和原本處于下部的承壓水含水層(⑥)互相連通。潛水和承壓水連通會使基坑開挖降水困難。源源不斷的地下水補給會增加降水負擔,使水位難以降低到較深位置。由于止水帷幕無法隔絕基坑內外水力聯(lián)系,因此坑內降水將會對坑外水位下降和地表沉降發(fā)展產生較大影響。
圖2 水文地質剖面圖Fig.2 Hydrogeological profile
抽水回灌現(xiàn)場試驗具體任務如下:
1)通過現(xiàn)場單井及群井抽水試驗,測定第③2、③4、⑥層靜止水位并查明各含水層之間的水力聯(lián)系;
2)在抽水回灌試驗過程中對各含水層水位、地表沉降及深層土體沉降進行實時監(jiān)測,并根據(jù)實測數(shù)據(jù)繪制各含水層降深歷時曲線、地面沉降歷時曲線、深層土體沉降歷時曲線等,探究全斷面富水砂性地層條件下基坑降水回灌對周邊地表沉降和深層土體沉降的規(guī)律;
3)根據(jù)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù),得出回灌措施對坑外水位恢復及周邊地表沉降恢復的影響規(guī)律,并結合變參數(shù)試驗得出全斷面富水砂性地層中最佳回灌條件參數(shù),為今后在類似地質條件下的降水控制方面提供有效的工程經驗。
由于試驗在無止水帷幕情況下進行,為降低抽水對周邊環(huán)境造成不良影響,本次試驗選定在場地附近的空闊區(qū)域進行。本次抽水回灌現(xiàn)場試驗共設置9 個試驗井,其中4 個為抽水井(K32-1、K34-1、K32-2、K32-3),K32-2 和K32-4 兼作回灌試驗井。具體試驗井結構統(tǒng)計見表3,試驗井平面布置示意圖見圖3。
表3 試驗井結構統(tǒng)計表Tab.3 Test well structure statistics
圖3 試驗井平面布置示意圖Fig.3 Layout of test wells
為初步掌握基坑抽水對周邊環(huán)境的影響,根據(jù)試驗場地條件在抽水試驗中心分3 個直線方向(D1方向、D2 方向、D3 方向),共布置27 個地面沉降監(jiān)測點(其中測點D1-7 和D2-7 重合),每個方向上相鄰兩個測點之間距離為10 m。地面沉降監(jiān)測點平面位置詳見圖3。
為了解基坑降水期間深層土體沉降變化,在主要降水目標層及相鄰層設置深層土體沉降監(jiān)測標,后期深層土體沉降測量直接采用人工測量,基準點遠離試驗區(qū)(不發(fā)生沉降的區(qū)域)。深層土體沉降監(jiān)測孔,孔徑120 mm,管徑19 mm 的鍍鋅鋼管采用水泥漿錨固于鉆孔內,通過人工進行位移測量。深層土體沉降監(jiān)測總共設置3 組共9 個深層土體沉降標:第⑥層(F1~F3)、第③4層(F4~F6)、第③2層(F7~F9)。深層土體沉降測點平面位置詳見圖3。
在完成井點布置成井后,通過對觀測井靜止水位進行一天連續(xù)的觀測,探明各層的靜止水位埋深:第③2層的靜止水位埋深觀測值約3.08~3.69 m;第③4層的靜止水位埋深觀測值約3.31~3.72 m;第⑥層的靜止水位埋深觀測值約為3.56 m。各試驗井靜止水位觀測歷時曲線見圖4。
圖4 靜止水位觀測歷時曲線圖Fig.4 Historical curves of static water level observation
根據(jù)靜止水位觀測數(shù)據(jù)并考慮水位季節(jié)性變化情況,可按照以下對各層水位進行取值:第③2層靜止水位埋深取3.0 m(絕對標高+2.16 m);第③4層靜止水位埋深布取3.0 m(絕對標高+2.16 m);第⑥層靜止水位埋深取3.4 m(絕對標高+2.06 m)。
4.2.1 第③4層單井試驗
在抽水井K34-1 內投入額定涌水量25 m3/h 的水泵進行抽水,試驗中的實際平均涌水量為26.39 m3/h。歷時約28 h 觀測井水位已基本趨于穩(wěn)定。水位變化歷時曲線見圖5。
從圖5(a)水位降深歷時曲線可看出,當?shù)冖?層抽水時,在抽水持續(xù)3 h 后③4層觀測井(G34-1、G34-2)水位下降速率減慢并逐漸趨于穩(wěn)定,28 h后停抽進行水位恢復。
第③4層抽水時,上覆潛水觀測井中水位有明顯下降。抽水持續(xù)3 h 后,第③2層各試驗井水位下降速率減慢并漸漸趨于穩(wěn)定,其中觀測井G32-1 水位降深1.27 m,約占第③4層同等距離觀測井G34-1 水位降深的50.6%;第⑥層觀測井G6-1 水位降深約0.2 m,約占第③4層同等距離觀測井G34-1 水位降深的8%,下降不明顯。
利用第③4層抽水時距離K34-1 抽水試驗井水平距離6~8 m 處G32-1、G34-1、G6-1 觀測井內水位降深值(s)與地層深度(M)繪制M-s 曲線,如圖5(b)所示。從M-s 曲線中可清晰看出,第③4層水位降深的同時,第③2層水位也隨之降低了1.25 m 左右,而第⑥層水位只降低了0.2 m 左右,降低幅度不明顯。因此可以說明第③4層與第③2層水力聯(lián)系較為密切,與第⑥層水力聯(lián)系較弱。
圖5 第③4層單井試驗水位變化歷時曲線圖Fig.5 Variation curve of water level in single well pumping test of ③4layer
單井抽水試驗結束后,進行了單井水位恢復試驗,對觀測井的水位進行了跟蹤觀測,直到水位穩(wěn)定為止。繪制了第③4層兩觀測井G34-1 和G34-2的水位恢復百分比(p)和時間(t)的p-lg(t)曲線,如圖6 所示。從圖6 可以看出,第③4層地下水水位恢復迅速,水位恢復至80%需要50 min 左右,而恢復至20%只需要2 min 左右。因此降水過程中現(xiàn)場應預備備用電源(或發(fā)電機),降水過程應控制雙電源切換時間在2 min 以內,以避免降水措施失效時間過長而導致工程災害事故。
圖6 第③4層單井試驗水位恢復百分比p-lg(t)曲線圖Fig.6 p-lg(t)curves of recovery percentage of water level in single well test of ③4layer
4.2.2 第③2層單井試驗
在抽水井K32-1 內投入額定涌水量25 m3/h的水泵進行抽水,試驗中的實際平均涌水量為23.94 m3/h。歷時約30 h 觀測井水位已基本趨于穩(wěn)定。水位變化歷時曲線見圖7(a)。
當?shù)冖?層抽水時,在抽水持續(xù)3 h 后第③2層觀測井(G32-1、G32-2)水位下降速率減慢,抽水持續(xù)4 h 后第③2層水位逐漸趨于穩(wěn)定,30 h 停抽進行水位恢復。
當?shù)冖?層抽水時,下伏③4層觀測井中水位有明顯下降,與③2層水位穩(wěn)定時間基本一致。其中G34-1 水位下降1.22 m,約占③2層同等距離觀測井水位G32-1 降深的39.0%;第⑥層觀測井G6-1水位降深約0.1 m,約占第③4層同等距離觀測井G32-1 水位降深的3%,下降不明顯。
當?shù)冖?層抽水時,距離K32-1 抽水試驗井水平距離7~11 m 處的G32-1、G34-1、G6-1 觀測井內的M-s 曲線如圖7(b)所示。從圖中可以看出,第③2層水位降深的同時,第③4層水位也隨之下降約1.25 m,而第⑥層水位降低不明顯,因此得出與第③4層單井試驗相同的結論:第③2層與第③4層水力聯(lián)系較為密切,而與第⑥層水力聯(lián)系較弱??梢钥闯觯m然缺失隔水層,但是上下砂層間水力聯(lián)系并非十分密切。
圖7 第③2層單井試驗水位變化歷時曲線圖Fig.7 Variation curve of water level in single well pumping test of ③2layer
第③2層單井抽水試驗結束后,進行了單井水位恢復實驗,記錄了該層觀測井G32-1 和G32-2 的水位恢復情況,并繪制p-lg(t)曲線。如圖8 所示,在停止抽水后,第③2層水位恢復迅速,與第③4層水位恢復試驗結果相似。
圖8 第③2層單井試驗水位恢復百分比p-lg(t)曲線圖Fig.8 p-lg(t)curves of recovery percentage of water level in single well test of ③2layer
4.2.3 第③2、③4群井抽水試驗
群井抽水試驗由K32-1~K32-3、K34-1 共4 口井持續(xù)抽水,期間對觀測井的水位、土體沉降、地面沉降、建筑物沉降均進行了跟蹤觀測,直到水位及沉降變化穩(wěn)定為止。
群井抽水試驗4 口抽水井分別為第③2層抽水井K32-1,第③2、③4層混合井K32-2、K32-3,第③4層抽水井K34-1。在抽水井K32-1、K32-2、K32-3、K34-1 內分別投入額定涌水量25 m3/h 的水泵,共歷時193 h。K32-1、K32-2、K32-3、K34-1 井平均涌水量分別約為23.98、23.71、25.34 和24.92 m3/h。群井試驗期間,對抽水試驗各層觀測井內水位變化進行同步監(jiān)測,各觀測井水位變化歷時曲線如圖9(a)所示。
由以上群井抽水試驗水位變化歷時曲線可得,群井與單井試驗呈現(xiàn)相同的規(guī)律。當?shù)冖?、③4層抽水時距離抽水試驗中心水平距離12 m 左右處G32-1、G34-1、G6-1 觀測井內的M-s 曲線如圖9(b)所示。根據(jù)群井試驗M-s 曲線,同樣可以得出與單井試驗相同結論:第③2層和第③4層水力聯(lián)系較為緊密,而第⑥層與其他兩層水力聯(lián)系較弱。
圖9 群井抽水試驗水位變化歷時曲線圖Fig.9 Variation curve of water level in group well pumping test
在群井抽水試驗結束后立即開始水位恢復試驗。從11-28 T14 開始進行群井恢復試驗,至12-02 T16 恢復結束,歷時約5 d。期間對各觀測井的水位進行了水位跟蹤觀測。G32-1、G32-2、G34-1、G34-2這4 個觀測井水位恢復p-lg(t)曲線如圖10 所示。
圖10 群井試驗水位恢復百分比p-lg(t)曲線圖Fig.10 p-lg(t)curves of recovery percentage of water level in group well test
由圖10 可知,群井抽水試驗停抽后,在停抽后短時間內水位上升速度非常迅速。第③4層觀測井最快水位恢復至10%需要2 min 左右;第③2層觀測井水位恢復至10%需要3 min 左右。因此在降水過程中現(xiàn)場應預備備用電源(發(fā)電機),結合單井試驗水位恢復曲線綜合考慮,在全斷面富水砂性地層中降水過程中應保證原電源和備用電源切換時間在2 min 以內,避免降水措施失效時間過長而導致工程災害事故。
群井試驗之后,分別進行了K32-2 回灌試驗和K32-3 回灌試驗。兩組試驗結果相似,這里僅對K32-3 回灌試驗結果進行介紹分析。
在K32-3 回灌試驗中,抽水井為G34-2、回灌井為K32-3,試驗過程中抽水至各觀測井水位穩(wěn)定,開始進行回灌試驗。
本次回灌試驗回灌壓力從0.00 MPa 開始加壓至0.12 MPa,并以0.04 MPa 為級差進行連續(xù)加壓試驗。隨著回灌壓力和回灌量增加,水位持續(xù)回升。當回灌壓力為0.12 MPa 時,隨著回灌壓力的增加,地面出現(xiàn)冒水情況?;毓嗔颗c回灌壓力關系如圖11 所示,回灌壓力與觀測井水位變化歷時曲線見圖12。
圖11 K32-3 回灌試驗回灌量與回灌壓力歷時曲線圖Fig.11 The change curve of recharge quantity and recharge pressure of K32-3 in recharge test
圖12 K32-3 回灌試驗回灌壓力與水位變化歷時曲線圖Fig.12 The duration curves of recharge pressure and water level change of K32-3 in recharge test
從圖11、12 可以清楚看出,隨著回灌壓力的增大,回灌量和地下水位埋深均有增大。當回灌壓力為0.08 MPa 時,回灌量增加了6 m3/h 左右,水位抬升了1 m 左右,效果十分明顯;而當回灌壓力提升為0.12 MPa 后,回灌量和水位抬升幅度放緩,因此考慮到試驗結果和場地特性,建議后期采用0.08 MPa 的回灌壓力,以達到最佳的回灌效率。
除關心抽水回灌現(xiàn)場試驗中的地下水位變化情況之外,還需要關注因降水引起的周圍地表及深層土體沉降問題。利用在試驗場地事先布置的27個地面沉降點和9 個深層土體沉降孔,在試驗期間進行跟蹤監(jiān)測,統(tǒng)計并分析在不同試驗階段沉降的變化情況。本次抽水回灌試驗各階段具體時間進程詳見表4。
表4 試驗進程表Tab.4 The progress of the test
根據(jù)地面沉降監(jiān)測點數(shù)據(jù),選取了3 個方向中離試驗中心最近的D1-6、D1-7(D2-7)、D1-8、D2-6、D2-8、D3-7 和D3-8 共7 個測點進行數(shù)據(jù)匯總繪圖分析,最終繪制地面累計沉降曲線如圖13 所示;并且繪制了D1 剖面(D1-5~D1-10)沉降歷時曲線,如圖14 所示;根據(jù)深層土體沉降孔監(jiān)測數(shù)據(jù),制作了沉降歷時曲線,如圖15 所示。
圖13 地面累計沉降曲線圖Fig.13 Curves of accumulated ground settlement
從以上沉降曲線可以得出以下規(guī)律:
1)由圖13 可以看出,在單井試驗抽水期間地面沉降量相對較小,沉降恢復滯后于水位恢復;
圖14 D1 剖面沉降歷時曲線圖Fig.14 Curves of time variation of accumulated settlement of D1 section
圖15 深層土體沉降歷時曲線圖Fig.15 Time variation curves of deep soil settlement
2)在群井抽水試驗期間(C1 段),③2、③4層群井試驗期間觀測井水位穩(wěn)定較為迅速,抽水持續(xù)13 h觀測井水位已逐漸趨于穩(wěn)定(如圖9(a)所示),但群井試驗地面沉降的發(fā)展表現(xiàn)出一定滯后性(如圖13所示),直到5 d 后沉降才基本穩(wěn)定,歷時8 d 最大累積沉降量為16.2 mm。
3)在群井恢復試驗期間(C2 段),水位迅速恢復,沉降隨之回彈并在5 d 后基本達到穩(wěn)定。如圖13所示,地表沉降回彈約10%~30%;如圖15 所示深層土體沉降最大回彈量出現(xiàn)在③2層(F7 測點),3 d內回彈了50%左右,回彈量約為7.5 mm。
4)由圖14 所示,D1 剖面沉降呈對稱漏斗狀分布,由此推斷距離抽水中心的地面沉降值比較大,兩側地面沉降值相對較小。
5)在回灌試驗期間(D 段),水位上升明顯,但沉降抬升不明顯。此時土體沉降已基本穩(wěn)定,產生了難以恢復的塑性變形,因此回灌對于沉降恢復效果不明顯。最終地表沉降如圖13 中P 所示,由于塑性變形導致的地表沉降量約14.5 mm。
6)從圖15 可以看出,深層土體沉降曲線與地表沉降曲線(圖13)表現(xiàn)出的趨勢基本一致,同樣經歷了沉降隨抽水而增大、隨回灌而回彈的過程。各層土體均產生了不同程度的塑性變形。其中處于最深位置的第⑥層土塑性變形最小,最大塑性變形僅為1 mm 左右;其次為第③4層土,最大塑性變形量為圖上P1 所示,約3.8 mm;塑性變形最大處發(fā)生在埋深相對最淺的第③2層土,最大塑性變形如圖中P2 所示,約7 mm。綜合分析可以得出,深層土體因降水引起的塑性變形量隨埋深增加而減小。
7)由上述結論可知主要的塑性變形發(fā)生在淺層砂層中,因此對處于淺層埋深的建筑物基礎和管線影響較大,需要引起關注。結合上述第5)條,降水導致的沉降穩(wěn)定后,即使后期回灌使水位恢復,短期內沉降仍難以恢復。因此應采取抽灌一體化方案,在降水同時采用周邊回灌措施來控制因降水引起的附加變形。
8)由于一系列現(xiàn)場試驗在同一場地進行,且時間上具有連續(xù)性,無法完全消除前一試驗引起的土體塑性變形對后一試驗的影響,因此該連續(xù)現(xiàn)場試驗結果得出的沉降數(shù)據(jù)可能與單獨進行各試驗得出的沉降數(shù)據(jù)有差異。
本文針對全斷面富水砂性地層條件,基于南通市某地鐵車站抽水回灌現(xiàn)場試驗,結合試驗結果和監(jiān)測數(shù)據(jù)研究了該場地的水文地質條件,查明了各含水層之間的水力聯(lián)系,探究了基坑降水回灌與周邊沉降的變化規(guī)律。主要結論如下:
1)查明各層潛水靜止水位,可按以下取值:第③2層靜止水位埋深取3.0 m(絕對標高+2.16 m);第③4層靜止水位埋深布取3.0 m(絕對標高+2.16 m);第⑥層靜止水位埋深取3.4 m(絕對標高+2.06 m)。
2)雖然隔水層缺失,但水力聯(lián)系仍表現(xiàn)為上部土層(第③2層-粉砂和第③4層-粉細砂)之間聯(lián)系較為密切,而與下部土層(第⑥層-粉砂)聯(lián)系較弱。
3)降水時,水位降深穩(wěn)定迅速,而沉降表現(xiàn)出一定的滯后性;地表沉降呈對稱狀,距離抽水中心的沉降值比較大,最大地表沉降可達16.2 mm;兩側沉降值相對較小。
4)在全斷面富水砂性地層條件下止水帷幕無法隔斷基坑內外水力聯(lián)系,降水過程中一旦停止抽水,水位恢復極其迅速;因此施工現(xiàn)場應預備備用電源(或發(fā)電機),并控制雙電源切換時間在2 min以內,避免降水措施失效時間過長而導致工程災害事故。
5)當停止抽水后,水位迅速恢復,地表沉降和深層土體沉降均有一定程度的回彈。地表沉降回彈10%~30%左右;深層土體沉降回彈表現(xiàn)為埋深越淺回彈量越大,其中第③2 層土沉降回彈可達50%左右。
6)當回灌壓力為0.08 MPa 時,回灌量增加和水位抬升較明顯,因此考慮到試驗結果和場地特性,建議后期回灌時采用0.08 MPa 的回灌壓力。
7)回灌試驗表明,降水引發(fā)的沉降在少量回彈后,產生塑性變形(最大塑性變形產生在相對較淺的③2層,塑性變形量為7 mm)。即使后期回灌使水位恢復,短期內塑性沉降仍難以恢復,因此應采取抽灌一體化降水方案來控制周邊地表沉降。