崔永高

1. 上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司環(huán)境巖土中心 上海 200444；

2. 上海基坑工程環(huán)境安全控制工程技術(shù)研究中心 上海 200022

上海張江國(guó)家科學(xué)中心基地建造的硬X射線自由電子激光裝置，是目前世界上最為先進(jìn)的X射線光源。該裝置沿線設(shè)置5個(gè)豎井，其中5號(hào)豎井開挖深度達(dá)45.45 m。為實(shí)現(xiàn)基坑本體安全開挖，⑨層承壓水（第二承壓含水層）需減壓16.0 m；距離5號(hào)豎井90.7 m處有正在運(yùn)營(yíng)的磁浮線，沉降要求控制在2.0 mm以內(nèi)，環(huán)境保護(hù)要求極高。

場(chǎng)地第二承壓含水層層頂埋深約78.0 m，場(chǎng)地缺失標(biāo)準(zhǔn)的第⑩層黏性土隔水層，第二、第三承壓含水層直接連通，第三承壓含水層層底埋深138.0 m，含水層組厚度達(dá)60.0 m。采用深89.8 m、厚1.2 m地下連續(xù)墻圍護(hù)，地下連續(xù)墻未隔斷降水目的含水層組，為懸掛式帷幕減壓降水。

上海地區(qū)第二、第三承壓含水層滲透系數(shù)大，滿足基坑本體安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗擴(kuò)展范圍廣。采用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬進(jìn)行流場(chǎng)預(yù)分析，磁浮線處第二承壓含水層降深將達(dá)到2.4 m，不能滿足沉降控制2.0 mm的要求。

項(xiàng)目決定在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行單井和群井的抽水試驗(yàn)，獲得合理的含水層水力學(xué)參數(shù)，并對(duì)不同濾管長(zhǎng)度的減壓井降深進(jìn)行比較，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為保證成井施工質(zhì)量，管井成孔采用氣舉反循環(huán)工藝。

本文介紹了在張江硬X射線工地現(xiàn)場(chǎng)開展的不同濾管長(zhǎng)度減壓試驗(yàn)井單井抽水試驗(yàn)，成果表明短濾管減壓井可以減小深部含水層的水位降深，適用于基坑懸掛式帷幕減壓降水，可以有效地保護(hù)環(huán)境。文末對(duì)上海深層地下空間開發(fā)超深豎井開挖懸掛式帷幕深層減壓降水的一些技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了討論。

1 現(xiàn)場(chǎng)單井抽水試驗(yàn)

1.1 場(chǎng)地地層組合

試驗(yàn)在硬X射線5號(hào)井場(chǎng)地進(jìn)行。地層組合如表1所示。

表1 地層參數(shù)

表1中含水層的水平向滲透系數(shù)，是根據(jù)5號(hào)豎井現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Visual modflow軟件反演得到的，含水層滲透性呈各向異性，豎向滲透系數(shù)約為水平向滲透系數(shù)的1/10。

1.2 短濾管減壓井的內(nèi)涵

為控制5號(hào)豎井懸掛式帷幕減壓降水導(dǎo)致的坑外磁浮線處含水層的水位下降和地層壓縮，可供選擇的技術(shù)措施有：加長(zhǎng)截水帷幕的深度、縮短減壓井的濾管長(zhǎng)度等。增加截水帷幕深度的工程費(fèi)用較高，縮短減壓井濾管長(zhǎng)度，可以增加濾管底和截水帷幕底的高差，有效地控制坑外降深和環(huán)境沉降，工程造價(jià)比增加截水帷幕深度經(jīng)濟(jì)。所以，開展短濾管減壓井的試驗(yàn)和理論研究，有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

現(xiàn)對(duì)短濾管減壓井內(nèi)涵作如下說明：設(shè)計(jì)理念以最大程度增加減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差為目的；濾管一般設(shè)置在粉砂含水層（如上海地區(qū)的⑦2或⑨層）中，濾管長(zhǎng)度一般為3.0～6.0 m；無(wú)隔水帷幕試驗(yàn)條件下單井抽水試驗(yàn)證明距離抽水井25.0 m處的降深一般不小于1.5 m；采用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模擬，懸掛式帷幕群井減壓降水的坑內(nèi)降深滿足抗突涌安全系數(shù)要求。

為確定合適的短濾管減壓井的濾管長(zhǎng)度，現(xiàn)場(chǎng)需要布置多口不同濾管長(zhǎng)度的試驗(yàn)井，這勢(shì)必會(huì)增加工程費(fèi)用和試驗(yàn)周期，遂開發(fā)了利用一口試驗(yàn)井進(jìn)行多個(gè)濾管長(zhǎng)度單井抽水試驗(yàn)的濾管縮短裝置。

1.3 濾管縮短新型裝置和地下水頂托力自平衡裝置的開發(fā)

1.3.1 濾管縮短新型裝置

針對(duì)需要布置多口不同濾管長(zhǎng)度的試驗(yàn)井的問題，發(fā)明了一種減壓降水試驗(yàn)井部分濾管段的密封裝置，解決試驗(yàn)費(fèi)用高、施工周期長(zhǎng)的問題。

濾管縮短新型裝置[1]由以下主要部件組成：上下抵抗浮力的壓重鐵板、上下鐵板中間纏繞在鋼管上的干海帶。利用干海帶膨脹后的阻水性將原長(zhǎng)濾管試驗(yàn)井下部濾管段堵塞。

對(duì)原先施工的較長(zhǎng)濾管的井進(jìn)行抽水試驗(yàn)后，獲知較長(zhǎng)濾管的試驗(yàn)井單井涌水量較大、觀察井降深效果明顯，說明濾管有縮短的可能。對(duì)該濾管較長(zhǎng)、降深能力較強(qiáng)的試驗(yàn)井，采用本濾管縮短裝置，堵塞濾管的下部，從而進(jìn)行較短濾管長(zhǎng)度的單井抽水試驗(yàn)，并進(jìn)行長(zhǎng)短濾管井降深的比較，確認(rèn)短濾管減壓井用于擬建工程的可行性。

1.3.2 地下水頂托力自平衡裝置

在第1次試驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)濾管縮短裝置上浮。分析原因如下，當(dāng)對(duì)設(shè)置了濾管縮短裝置的試驗(yàn)井抽水時(shí)，濾管縮短裝置頂部水壓力急劇減小，濾管縮短裝置頂?shù)酌嬷g產(chǎn)生明顯水壓力差，從而導(dǎo)致濾管縮短裝置上浮。

為解決上述問題，發(fā)明了一種減壓試驗(yàn)井地下水頂托力自平衡裝置[2]，其原理是通過潛水泵上的泵管，將濾管縮短裝置承受的地下水頂托力，傳遞給井管試驗(yàn)井外側(cè)的土體，由井管外側(cè)的土體摩擦力與地下水頂托力實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自平衡。

1.4 6.0 m濾管與9.0 m 濾管的降深效果比較

5Y9-3井深為87.0 m，濾管深度76.0～85.0 m，濾管位于⑨層（靜力觸探貫入阻力Ps平均值約20.0 MPa）中，初始濾管長(zhǎng)度9.0 m。抽水試驗(yàn)采用非穩(wěn)定流方法[3]。

抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。由表2得知，5Y9-3試驗(yàn)井在9.0 m濾管條件下，單井涌水量249.0 m3/h，⑨層觀察井降深為3.48～8.82 m，降水效果良好。同時(shí)，11層觀察井的降深也達(dá)到了1.09～1.18 m。這說明該試驗(yàn)井濾管長(zhǎng)度有縮短的可能。

表2 5Y9-3單井抽水?dāng)?shù)據(jù)比較

對(duì)該試驗(yàn)井設(shè)置濾管縮短裝置，保留上部濾管長(zhǎng)度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次進(jìn)行短濾管條件下的抽水試驗(yàn)。潛水泵下至82.0 m（濾管縮短裝置頂），單井涌水量為95.0 m3/h。

由表2得知，在對(duì)5Y9-3（6.0 m濾管）進(jìn)行單井抽水時(shí)，⑨層觀察井降深為1.18～3.45 m，在群井效應(yīng)下，單井降深能力可以滿足工程⑨層的降深需求；同時(shí)，11層觀察井的降深為0.30～0.34 m，與9.0 m濾管長(zhǎng)度的試驗(yàn)井相比，11層觀察井的降深有明顯減小。

11層觀察井降深的減小，可以控制坑外含水層組的降深和降落漏斗的擴(kuò)展范圍，進(jìn)而可有效控制磁懸浮線的沉降。

1.5 6.0 m濾管與13.0 m濾管的降深效果比較

只有1組6.0 m濾管長(zhǎng)度單井抽水試驗(yàn)成果對(duì)工程決策的依據(jù)還不充分。進(jìn)一步對(duì)5Y9-2（濾管初始長(zhǎng)度13.0 m）下部濾管進(jìn)行封堵，保留濾管長(zhǎng)度6.0 m（深度76.0～82.0 m），再次進(jìn)行短濾管試驗(yàn)井的抽水試驗(yàn)（表3）。潛水泵下至82.0 m，穩(wěn)定的單井涌水量為72.0 m3/h，而堵管前流量為260.0 m3/h。

表3 5Y9-2單井抽水?dāng)?shù)據(jù)比較

由表3得知，在對(duì)5Y9-2（6.0 m濾管）進(jìn)行抽水時(shí)，距離抽水井13.9～45.4 m的⑨層觀測(cè)井5Y9-1和5Y9-3內(nèi)水位降深為1.29～2.37 m；距離抽水井（5Y9-2）10.0 m左右的11層降深為0.27～0.30 m，與13.0 m濾管長(zhǎng)度的試驗(yàn)井相比，11層觀察井的降深有明顯減小，減少比率達(dá)77.0%。這對(duì)控制磁浮線處的沉降非常有利。

2 關(guān)于上海深層地下空間開發(fā)豎井深層承壓含水層減壓降水的討論

2.1 懸掛式帷幕減壓降水的流場(chǎng)特征

對(duì)于懸掛式帷幕減壓降水而言，滿足基坑安全開挖的坑內(nèi)承壓水位下降幅度越大，坑外含水層的水位下降幅度一般也越大，環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)也隨之升高[4]。上海地區(qū)已經(jīng)有大量的第一承壓含水層懸掛式帷幕減壓降水的工程實(shí)踐。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，其坑外降深與坑內(nèi)降深的比值一般為0.1～0.6，該比值與帷幕防滲質(zhì)量、含水層的滲透各向異性、濾管底與帷幕底的高差等有密切關(guān)系，值得注意的是，降水區(qū)域面積越大，坑外降深與坑內(nèi)降深的比值也越大，表現(xiàn)出明顯的平面尺度效應(yīng)。

懸掛式帷幕減壓降水流態(tài)的空間分布規(guī)律較為復(fù)雜，坑外降深的大小及豎向分布形態(tài)，除了與保護(hù)對(duì)象至基坑降水區(qū)域的距離密切相關(guān)外，還與坑內(nèi)降深、減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差、地層結(jié)構(gòu)、水文地質(zhì)參數(shù)等有關(guān)。懸掛式帷幕降水時(shí)，隔水帷幕附近為三維流，止水帷幕插入含水層的深度越大，三維流特征越明顯。

概括而言，懸掛式帷幕降水的坑外降深有如下特征：1）觀察點(diǎn)離基坑降水區(qū)域越遠(yuǎn)，含水層組豎向不同深度的承壓水位降深均越小。

2）坑外水位降深在隔水帷幕趾端最大，靠近承壓含水層頂部的水位降深最小，從隔水帷幕趾端向下，水位降深也逐漸減小。

3）觀察點(diǎn)離降水區(qū)域越近，承壓水位降深沿深度的分布越不均勻，地下水三維流特征越明顯。觀察點(diǎn)離降水區(qū)域越遠(yuǎn)，承壓水位降深沿深度的分布越均勻，地下水近似呈水平流。

4）觀察點(diǎn)離降水區(qū)域越近，水平面內(nèi)降落漏斗的斜率也越大。

減壓降水井的濾管長(zhǎng)度決定了減壓井濾管底與隔水帷幕底之間的高差，是減壓降水設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。上海地區(qū)還缺少第二承壓含水層短濾管減壓井試驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)具體項(xiàng)目，應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，確定濾管長(zhǎng)度。

2.2 上海深層承壓水控制的技術(shù)難點(diǎn)分析

上海深層地下空間開發(fā)正在迅猛發(fā)展，豎井的開挖深度不斷加深，超深基坑減壓降水必須滿足基坑本體和環(huán)境的雙安全[5]。上海蘇州河蓄水隧道云嶺工作井開挖深度已達(dá)到56.0 m。上海深層地下空間開發(fā)必然會(huì)遇到上海地區(qū)第二承壓含水層及第三承壓含水層減壓降水，強(qiáng)透水性承壓水降水及其導(dǎo)致的坑外環(huán)境沉降控制已成為上海深層地下空間開發(fā)的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)[6]。

含水層水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值如表4所示。由表4可知，上海地區(qū)第二承壓含水層、第三承壓含水層滲透系數(shù)較大，采用懸掛式帷幕減壓降水時(shí)，單井涌水量大，坑外降落漏斗范圍廣，環(huán)境影響大。

表4 含水層水文地質(zhì)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值

上海第二承壓含水層層頂埋深65.0～70.0 m，相應(yīng)減壓井的深度為74.0～85.0 m。一般把深度超過70.0 m的降水井稱為超深管井。為保證超深管井的施工質(zhì)量，需采用反循環(huán)工藝成孔，需要專業(yè)隊(duì)伍進(jìn)行施工。

目前上海地區(qū)超深豎井的隔水帷幕建造方法有：地下連續(xù)墻、等厚度水泥土攪拌墻（包括TRD、CSM）。超深帷幕施工技術(shù)難度高，也難免存在缺陷，目前還沒有對(duì)超深帷幕缺陷檢測(cè)的成熟技術(shù)，開挖過程中承壓水的滲漏和底側(cè)突涌還時(shí)有發(fā)生，需制定針對(duì)性的預(yù)案。

2.3 上海深層地下空間開發(fā)減壓降水采用短濾管減壓井的必要性及設(shè)計(jì)流程

在超深基坑采用懸掛式帷幕減壓降水時(shí)，采用短濾管減壓井，可以減少基坑豎向下臥的承壓含水層的降深，進(jìn)而會(huì)減少坑外含水層的降深和地層壓縮，保護(hù)環(huán)境。焦點(diǎn)問題是，濾管縮短后，能否實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)減壓的設(shè)計(jì)需求。這需要在類似工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，針對(duì)擬建場(chǎng)地的地質(zhì)條件，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)，通過試驗(yàn)時(shí)觀察井的降深，對(duì)短濾管試驗(yàn)井的降深能力加以判斷。

以試驗(yàn)確定的較短的濾管長(zhǎng)度，建立實(shí)際工程懸掛式帷幕下的三維非穩(wěn)定滲流模擬，分析井的數(shù)量和平面位置。采用短濾管減壓井結(jié)構(gòu)，井的數(shù)量會(huì)多一些。由于井?dāng)?shù)量的增加而增加的工程費(fèi)用相對(duì)于增加帷幕長(zhǎng)度而言，還是經(jīng)濟(jì)的。值得注意的是，采用短濾管減壓井減少了單井涌水量，也節(jié)約了水資源，符合綠色施工的時(shí)代要求。

3 結(jié)語(yǔ)

超深豎井開挖推動(dòng)了承壓水控制技術(shù)的發(fā)展。本次試驗(yàn)得到以下結(jié)論：

1）采用短濾管減壓井，可以減少含水層深部的水位下降，可有效地保護(hù)環(huán)境，節(jié)約水資源。

2）開發(fā)的濾管縮短裝置可以減少試驗(yàn)費(fèi)用，縮短試驗(yàn)周期。

3）地下水頂托力自平衡裝置為試驗(yàn)完成創(chuàng)造了條件。

關(guān)于上海深層地下空間開發(fā)遇到的第二、第三承壓水控制，下一步應(yīng)加強(qiáng)工程原型監(jiān)測(cè)，總結(jié)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)一步完善原水回灌技術(shù)。