李福林

（中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 211800）

0 引言

巖土工程事故原因調(diào)查分析表明，地下水控制失效引起的巖土工程事故占較大的比例［1-7］。基坑降水是通過管井降低地下水位，以滿足基坑工程施工的需要，是最常見、最有效、最經(jīng)濟(jì)的地下水控制措施之一。目前，工程建設(shè)環(huán)境越來越復(fù)雜，深基坑工程中，降水與止水帷幕組合的地下水控制技術(shù)廣泛使用，且達(dá)到了較好的地下水控制效果［8-14］。

現(xiàn)有的文獻(xiàn)中，對止水帷幕的阻水繞流作用研究較多，且積累了大量資料，但往往忽視降水方案本身的研究，更是缺乏對實(shí)際水文地質(zhì)條件的分析及施工過程中的動(dòng)態(tài)控制，導(dǎo)致降水失敗，從而造成工程事故，影響工程進(jìn)度、增加工程造價(jià)［5-6］。

目前，降水方案設(shè)計(jì)依據(jù)的水文地質(zhì)參數(shù)基本是地質(zhì)勘察報(bào)告提供的參數(shù)，而勘察報(bào)告一般采用室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)或經(jīng)驗(yàn)值，往往不能很好地代表現(xiàn)場的實(shí)際水文地質(zhì)條件；另外，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工后，地下水流場發(fā)生了改變，原水文地質(zhì)參數(shù)也可能發(fā)生改變，無法適用于此時(shí)的降水計(jì)算，需現(xiàn)場重新進(jìn)行抽水試驗(yàn)。車燦輝［15］為了設(shè)計(jì)出科學(xué)合理、經(jīng)濟(jì)可行的降水、止水組合的地下水控制方案，針對復(fù)雜水文地質(zhì)條件，在現(xiàn)場利用三軸攪拌樁施作臨時(shí)止水帷幕，進(jìn)行現(xiàn)場原位抽水試驗(yàn)，獲取到有止水條件下的水文地質(zhì)參數(shù)，為方案設(shè)計(jì)提供了可靠的參數(shù)和依據(jù)。

但大多數(shù)工程建設(shè)工期、預(yù)算都比較緊張，無法在前期進(jìn)行大量的現(xiàn)場試驗(yàn)研究。因此，本文以南京一過江隧道明挖段深基坑降水工程為依托，針對深厚強(qiáng)透水砂層中懸掛式帷幕下的降水設(shè)計(jì)與實(shí)施問題，先利用地質(zhì)勘察資料及臨近工程經(jīng)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行降水方案初步設(shè)計(jì)；現(xiàn)場止水帷幕（圍護(hù)結(jié)構(gòu)）施工完后，在降水井施工的同時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場抽水試驗(yàn)，利用抽水試驗(yàn)資料對降水方案的可行性進(jìn)行分析驗(yàn)證，當(dāng)發(fā)現(xiàn)偏差較大時(shí)，及時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整降水方案，確保降水滿足基坑施工需求，保證工程安全順利完工。

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計(jì)

本過江隧道明挖段基坑全長約302 m，基坑寬度48.72~53 m，開挖深度10.8~26.3 m不等，分為9個(gè)節(jié)段（JD1~JD9）。基坑距離長江大堤最近約500 m，位于農(nóng)田、荒地內(nèi)，周邊為待拆遷的村民小區(qū)，周邊環(huán)境相對較簡單，如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目位置示意Fig.1 Schematic diagram of the project location

根據(jù)開挖深度，圍護(hù)結(jié)構(gòu)由淺到深依次采用SMW工法樁、地下連續(xù)墻等有內(nèi)支撐的圍護(hù)結(jié)構(gòu)型式，深度為25.5~51 m，呈階梯狀變化，為懸掛式止水帷幕，未隔斷承壓含水層，見圖2。

圖2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)縱剖面（單位：m）Fig.2 Longitudinal profile of the enclosure structure

1.2 地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，地層自上而下依次為：①1雜填土，②1b2-3粉質(zhì)粘土，②2b3-4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂，②2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，②3d13粉砂，②3d12粉砂，②3d11粉 砂，②3d21細(xì) 砂，④d11細(xì) 砂，④d21中 砂，④d31礫砂，④e11圓礫，④e21卵石，⑦1強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，⑦2層中風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖?；娱_挖范圍內(nèi)主要為粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土、粉砂層。

場地地下水主要為賦存在粉砂、細(xì)砂、中粗砂、圓礫、卵石層中的承壓水，上覆的淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土夾粉土粉砂為相對隔水層，厚度5~8 m，局部12 m。承壓含水層具有上細(xì)下粗的沉積韻律，細(xì)、粗粒土滲透性具有一定的差別，故承壓水又分為上下2段，上段為②3d13—②3d11粉砂、②4d11細(xì)砂、④d111粉細(xì)砂，滲透系數(shù)6.5~25.0 m/d；下段為④d21中砂，④d31粗砂、礫砂，④e11圓礫，④e21卵石，滲透系數(shù)30~50 m/d。整個(gè)承壓含水層厚度53~59 m，承壓水位標(biāo)高約+5.0 m。

2 降水方案設(shè)計(jì)

本工程基底已經(jīng)位于承壓含水層中，為防止施工過程中出現(xiàn)基底涌水流砂，確保基底安全，坑內(nèi)承壓水位需要降低至基底以下1 m，最大水位降深約27 m，各節(jié)段的安全水位標(biāo)高及水位降深見表1。

表1 各節(jié)段安全水位標(biāo)高及水位降深Table 1 Safe water level elevation and drawdown of each section

因圍護(hù)結(jié)構(gòu)對地下水滲流具有繞流阻水作用，傳統(tǒng)解析公式無法適用，本次采用數(shù)值法進(jìn)行降水計(jì)算分析，借助專業(yè)可視化三維地下水流模擬軟件Visual MODFLOW進(jìn)行模擬計(jì)算。

由于基坑長度較大，考慮整個(gè)基坑無法全斷面施工，分別將JD1~JD5節(jié)段、JD6~JD9節(jié)段各作為一個(gè)施工段進(jìn)行降水計(jì)算分析，本次僅詳細(xì)介紹開挖深度較深的JD1~JD5節(jié)段的基坑降水。

2.1 模型建立

根據(jù)已有的地層資料、水文地質(zhì)條件、相鄰工程資料，建立本工程數(shù)值模型，模擬區(qū)范圍約1650 m×1050 m，人為設(shè)定為定水頭補(bǔ)給邊界；剖面上根據(jù)水文地質(zhì)條件，概化為6個(gè)模擬層。

地下連續(xù)墻采用軟件中的wall模塊進(jìn)行設(shè)置，為不透水邊界，見圖3。

圖3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)與降水井立體概化示意Fig.3 Three dimensional sketch of the enclosure structure and dewatering wells

2.2 模型參數(shù)

數(shù)值模型涉及的水文地質(zhì)參數(shù)主要為滲透系數(shù)（水平和垂直方向），其值的大小直接決定概念模型與實(shí)際水文地質(zhì)條件的擬合程度以及基坑涌水量預(yù)測的大小。由于現(xiàn)場缺乏針對性的抽水試驗(yàn)，初步降水方案設(shè)計(jì)時(shí)，滲透系數(shù)按區(qū)域經(jīng)驗(yàn)參數(shù)取值，見表2。

表2 模型各概化層滲透系數(shù)取值Table 2 Permeability coefficient of each generalized layer of the model

2.3 模型運(yùn)算結(jié)果

通過不斷調(diào)整模型中的降水井布置，反復(fù)模擬計(jì)算，當(dāng)JD1~JD5節(jié)段坑內(nèi)水位降至基底以下時(shí)，模型預(yù)估總涌水量約42000 m3/d，最深處水位降至標(biāo)高-22 m、埋深27 m，坑外水位降至標(biāo)高-4.0 m、埋深9 m，模型內(nèi)共運(yùn)行27口降水井，根據(jù)降水井深淺不同，單井出水量為1000~2000 m3/d，降水后等水位線見圖4。

圖4 降水后水位標(biāo)高等值線圖Fig.4 Water level elevation contour map after dewatering

2.4 降水井?dāng)?shù)量設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)范［16-17］，除正常運(yùn)行的降水井外，坑內(nèi)至少需要布置20%的觀測兼?zhèn)溆镁?，因此JD1~JD5節(jié)段基坑內(nèi)再布置6口觀測兼?zhèn)溆镁?，共布?3口降水井。

同時(shí)為了掌握坑內(nèi)降水過程中坑外水位下降情況，在坑外按間距15 m布置了22口備用兼觀測井，必要時(shí)可作為坑外應(yīng)急井使用。

2.5 井深及結(jié)構(gòu)

為了發(fā)揮地連墻的繞流阻水作用，同時(shí)盡可能發(fā)揮單井最大出水量，保證足夠長度的濾水管，降水井濾管底部距離地連墻底部按約2 m考慮，不超過地連墻，井深31~48 m。基坑開挖范圍內(nèi)基本為砂性地層，為了便于后期封井，濾水管只設(shè)置在基底以下，同時(shí)考慮疏干效果，濾料回填至初始地下水位附近，起到引滲作用。井管采用?273 mm×4 mm的鋼管，濾水管為鋼質(zhì)橋式濾管，外包單層60目錦綸濾網(wǎng)，根據(jù)規(guī)范［18］，濾料層厚度宜為75~150 mm，因此孔徑為550 mm。詳細(xì)的降水井結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 降水井結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of the dewatering wells

3 抽水試驗(yàn)

前期初步降水方案設(shè)計(jì)時(shí)，依據(jù)的是周邊工程降水資料及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)值，而每個(gè)基坑的地質(zhì)及水文地質(zhì)條件都有一定的差異性，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)對地下水的繞流具有很大的影響，因此，正式進(jìn)行大面積降水井施工前，應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場抽水試驗(yàn)，包括單井試驗(yàn)及群井試驗(yàn)，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析方案是否能滿足基坑施工要求，必要時(shí)對方案進(jìn)行調(diào)整。

3.1 單井試驗(yàn)

分別在JD1、JD5節(jié)段按原設(shè)計(jì)各施工3口降水井，進(jìn)行穩(wěn)定流試驗(yàn)，1口作為抽水主井、2口作為觀測井，現(xiàn)場實(shí)測初始水位標(biāo)高為4.00 m，主井流量100 m3/h左右，觀測井水位降深1 m左右，具體見表3。將抽水主井流量代入現(xiàn)有數(shù)值模型中進(jìn)行模擬計(jì)算，得到的計(jì)算水位降深均大于實(shí)測水位降深，約為實(shí)測值的2倍（見表3）。表明基坑實(shí)際涌水量要遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值、含水層實(shí)際滲透系數(shù)要大于模型選用參數(shù)，現(xiàn)有降水設(shè)計(jì)方案可能無法滿足基坑降水要求，有待進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。

根據(jù)單井試驗(yàn)，JD1、JD5節(jié)段降水井單位涌水量分別為2.68、2.33 L/（s·m），坑內(nèi)水位降至基底后，推斷單井最大涌水量可達(dá)193、100 m3/h。

3.2 群井試驗(yàn)

JD1節(jié)段基坑開挖深度最大，也是本工程降水難度最大的節(jié)段，因此群井抽水試驗(yàn)選擇在JD1節(jié)段進(jìn)行。在JD1節(jié)段坑內(nèi)施工6口降水井，利用其中4口進(jìn)行抽水（JS06、JS08、JS09、JS11）、2口進(jìn)行坑內(nèi)水位觀測（JS07、JS10）；坑外施工3口降水井，進(jìn)行坑外水位觀測（KW03、KW05、KW06）。現(xiàn)場實(shí)測平均單井出水量約為105 m3/h，群井總涌水量約420 m3/h，坑內(nèi)觀測井最大水位降深為4.07 m，坑外觀測井最大水位降深為1.54 m，見表4。

表3 坑內(nèi)單井試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)及計(jì)算水位降深Table 3 Measured data and calculated drawdown of single well test in the pit

表4 坑內(nèi)群井試驗(yàn)水位降深實(shí)測值與計(jì)算值對比Table 4 Comparison of measured drawdown and fitting values of group well test in the pit

3.3 參數(shù)反演

為獲取較為準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，以便對方案的進(jìn)一步實(shí)施做調(diào)整，本次將群井試驗(yàn)的流量、觀測井水位降深等數(shù)據(jù)輸入模型中，采用數(shù)值模擬反求滲透系數(shù)。求解時(shí)，通過不斷調(diào)整模型中的滲透系數(shù)，計(jì)算出水位降深值，與觀測井實(shí)測值進(jìn)行對比，根據(jù)兩者之間的誤差，不斷調(diào)整滲透系數(shù)，如此反復(fù)，直至計(jì)算值與觀測值相差很小時(shí)為止。當(dāng)模型中的滲透系數(shù)調(diào)整至表5數(shù)值時(shí)，模擬計(jì)算的水位降深與實(shí)測值誤差基本在5%左右，見表4、圖6。因此，以表5中的參數(shù)對模型進(jìn)行調(diào)整。

可見，通過群井試驗(yàn)反求的滲透系數(shù)要遠(yuǎn)大于初步方案設(shè)計(jì)時(shí)所選擇的參數(shù)，特別是垂向滲透系數(shù)，初步分析原因是本工程比靠近長江，地層沉降過程中，砂性土中的粘性土夾層含量少。

4 方案調(diào)整及實(shí)施效果

4.1 方案調(diào)整

利用群井試驗(yàn)反演后的參數(shù)對JD1~JD5節(jié)段的降水進(jìn)行重新模擬計(jì)算，水位降至滿足基坑開挖要求時(shí)，預(yù)估總涌水量需達(dá)到86000 m3/d，較前期方案設(shè)計(jì)預(yù)估的涌水量大了44000 m3/d，增加了1倍。若按原方案繼續(xù)施工，則需要在JD1、JD2節(jié)段坑內(nèi)至少再增加20口降水井，坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量多，不方便坑內(nèi)施工作業(yè)，影響工期等。

表5 模型滲透系數(shù)反演結(jié)果Table 5 Inversion results of the model permeability coefficient

圖6 群井試驗(yàn)擬合水位降深分布Fig.6 Fitting water level drawdown distribution of the group well test

原方案的降水井管徑為273 mm，受水泵外徑的影響，一般最大采用額定流量100 m3/h的水泵為合理利用大流量水泵，發(fā)揮單井最大涌水量，盡量不過多地增加坑內(nèi)降水井的數(shù)量，本次將JD1、JD2節(jié)段內(nèi)剩余未施工的15口降水井管徑調(diào)整為325 mm，可采用額定流量200 m3/h的水泵，其余節(jié)段降水井管徑仍為273 mm。則所有降水井開啟時(shí)，考慮群井干擾影響，總涌水量可達(dá)到約92000 m3/d。經(jīng)數(shù)值模擬，基坑降水后的等水位線如圖7所示，由圖可知，各節(jié)段坑內(nèi)水位降至設(shè)計(jì)要求時(shí)，坑外水位最大降至標(biāo)高約-9.0 m、降深約14 m，坑外水位降深較原方案大5 m。

為確保坑內(nèi)有不少于20%的備用兼觀測井，將坑外備用井調(diào)整4口至JD1節(jié)段坑內(nèi)，管徑調(diào)整為325 mm，調(diào)整后的方案為坑內(nèi)37口、坑外22口，總 井?dāng)?shù)保持不變，見圖8。

圖7 方案調(diào)整后降水水位標(biāo)高等值線圖Fig.7 Drawdown elevation contour map afterscheme adjustment

圖8 調(diào)整后降水井平面布置Fig.8 Plan layout of the dewatering wells after adjustment

4.2 實(shí)施效果

（1）成井施工過程中，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，及時(shí)洗井試抽，通過洗井試抽數(shù)據(jù)判斷成井質(zhì)量，確保每口降水井的單井出水量能達(dá)到設(shè)計(jì)要求且水清無砂。所有降水井施工完后，在土方開挖之前，現(xiàn)場進(jìn)行預(yù)降水，實(shí)測總涌水量約91000 m3/d，各段水位均降至基底以下，滿足設(shè)計(jì)要求，坑外最大水位降至埋深約16 m（見表6），與預(yù)測結(jié)果較為吻合。其中JD1、JD2節(jié)段涌水量約占總量的80%，可見降水設(shè)計(jì)首先應(yīng)圍繞深坑進(jìn)行設(shè)計(jì)，深坑水位到位后，淺坑水位也很容易到位。

（2）土方開挖過程中，根據(jù)開挖深度，按需降水，始終確保地下水位位于基底1~2 m以下，并每天監(jiān)測基坑內(nèi)外地下水位變化。開挖效果及抽排水情況見圖9、圖10。

（3）施工用電方面，降水采用專用線路，根據(jù)水泵配置情況，現(xiàn)場配置1200 kW的具有自動(dòng)切換功能的備用發(fā)電機(jī)，并且水泵采用自啟動(dòng)功能電箱，確保網(wǎng)電停電后降水井持續(xù)運(yùn)行，保障基坑安全。

表6 基坑預(yù)降水結(jié)果Table 6 Pre?dewatering results of the foundation pit

（4）坑內(nèi)降水井靠近第一道砼支撐布置，并制作維護(hù)平臺使降水井與支撐相連，土方開挖過程中加強(qiáng)對降水井的保護(hù)，開挖到底后，所有降水井均完好無損。

（5）結(jié)構(gòu)施工完且滿足抗浮要求后，拔除降水井水泵，對降水井進(jìn)行注漿封堵后拆除。

圖9 降水方案調(diào)整實(shí)施后的開挖效果Fig.9 Excavation effect after adjustment of the dewatering scheme

圖10 現(xiàn)場抽排水Fig.10 Pumping and discharge water

5 結(jié)語

（1）隨著工程建設(shè)的快速發(fā)展，隧道明挖基坑工程的開挖深度不斷加大，地下水帶來的風(fēng)險(xiǎn)也越來越大，在懸掛式止水帷幕條件下的承壓水降水設(shè)計(jì)要求會(huì)越來越嚴(yán)格，通過抽水試驗(yàn)對降水方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，避免在后期降水效果無法滿足要求時(shí)再采取補(bǔ)救措施，節(jié)省了人力、物力及時(shí)間，為工程準(zhǔn)時(shí)完工提供了保證，為后期南京長江漫灘地區(qū)的超深基坑降水設(shè)計(jì)及施工提供參考和依據(jù)。

（2）利用圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行現(xiàn)場原位抽水試驗(yàn)，可獲取較準(zhǔn)確的水文地質(zhì)參數(shù)，以此優(yōu)化的降水方案更符合現(xiàn)場實(shí)際條件，能有效控制基坑施工過程中的地下水問題。降水方案優(yōu)化包括但不限于對降水井的數(shù)量、深度以及結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，應(yīng)從多方面綜合考慮，得出最優(yōu)方案。

（3）本工程基底為斜坡狀由淺到深，根據(jù)地下水流特征，開挖深的節(jié)段抽水量占整個(gè)基坑涌水量的約80%，對于此類型的基坑，降水應(yīng)圍繞開挖深的區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)應(yīng)考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)深度階梯狀變化對其降水的影響，應(yīng)進(jìn)行圍護(hù)、降水綜合設(shè)計(jì)。