樊秋林

(中鐵十八局集團(tuán)第五工程有限公司，天津 300450)

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，地下空間利用日益增加，產(chǎn)生了多形態(tài)的深、大基坑工程，其中大直徑超深工作井是深埋輸水管線和地下隧道盾構(gòu)始發(fā)與接收常用的深基坑形式。在施工過程中，工作井的開挖會引起地下水水位變化，并由此導(dǎo)致工作井周圍滲流場與應(yīng)力場發(fā)生改變，從而產(chǎn)生地面沉降、基坑變形、圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布等安全問題[1]，特別是復(fù)雜地層條件下，基坑開挖降水過程中地下水滲流場作用機(jī)理較均勻土層復(fù)雜的多，計(jì)算理論無法準(zhǔn)確評估。

目前，對于復(fù)雜條件下深基坑開挖降水對地下水影響的研究較為豐富：鄭剛等[2]針對天津地鐵5號線項(xiàng)目，通過預(yù)降水試驗(yàn)分析了在復(fù)雜地層中深大基坑的坑內(nèi)外地下水水力聯(lián)系。黎明中[3]等依托武漢某復(fù)雜水文地質(zhì)的基坑工程，對由基坑開挖引發(fā)的管涌現(xiàn)象進(jìn)行了分析。姜忻良等[4]采用有限元對復(fù)雜情況下基坑開挖過程中的滲流場進(jìn)行了模擬研究。駱祖江[5]根據(jù)上海環(huán)球金融中心塔樓深基坑工程，對基坑降水過程進(jìn)行了滲流場模擬并對其變化進(jìn)行分析?，F(xiàn)階段所研究基坑主要以深大基坑為主，對于開挖超過50 m以上的超深基坑地下水位變化研究較少，并且大多數(shù)基坑所處地質(zhì)條件并未涉及到裂隙發(fā)育地層。

1 工程概況及地質(zhì)條件

1.1 工程概況

工作井LGO9-1#位于廣東省佛山市，屬于珠江三角洲水資源配置工程土建施工A5標(biāo)段輸水干線的一部分。工作井及周邊環(huán)境如圖1所示，施工現(xiàn)場地勢平坦、場地平整，地面高程3.2 m。工作井北側(cè)密集分布有眾多工業(yè)廠區(qū)、廠房等，南側(cè)為農(nóng)田地，周邊 500 m范圍內(nèi)分布有河流、匯水河涌。

圖1 工作井及周邊環(huán)境

工作井為外徑35.9 m的豎向圓井，基坑底高程-58.35 m，開挖深度為61.55 m，工作井開挖及支撐采用明挖和逆作法配合施工，單次開挖深度4.5 m。分14層開挖，前11層采用逆作法，后3層由于為巖層，采用順作法。開挖充分利用時空效應(yīng)組織施工， 按豎向分層、盆式開挖法作業(yè)，由上至下、先內(nèi)襯支護(hù)后開挖。施工步驟可以簡化為15步，如表1所示。

表1 施工步驟

1.2 水文地質(zhì)條件

工作井地質(zhì)條件較為復(fù)雜，上部為34.4 m厚的沖積層，為淤質(zhì)粉細(xì)砂、淤質(zhì)土、含泥細(xì)砂層、含有機(jī)質(zhì)黏土層以及中細(xì)砂層，其下為13.2 m厚全風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和5.4 m厚強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，洞身底部為弱風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，沖積層、全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化，部分圍巖自穩(wěn)能力差，砂層為含水層、滲透性強(qiáng)，強(qiáng)風(fēng)化巖破碎、透水性強(qiáng)，工程地質(zhì)條件較差，其地層分布如圖2所示。

圖2 地層分布(單位：m)

工程所在區(qū)域地表水豐富，含水層和透水層較多，地下水位較高。地下水位約 0～1 m，地下水類型以孔隙性潛水為主。工作井上部主要分布為黏土與部分砂土，其土層透水性與滲透系數(shù)如表2所示。

表2 ①～④土層透水性與滲透系數(shù)

工作井下部主要分布著圍巖，以全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖IV、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖V與弱風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖Ⅲ為主，其相關(guān)參數(shù)如表3所示。

表3 圍巖特性

在施工與勘探過程中發(fā)現(xiàn)，底部局部區(qū)域出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，并且在底板施工時，伴隨有較大的涌水量，說明工作井底板存在斷層，斷層的產(chǎn)生與底部巖層完整性差、裂隙發(fā)育多、滲透性強(qiáng)有關(guān)。

注:Vp為巖體縱波速實(shí)測值(m/s)；Kv為巖石完整性系數(shù)；RDQ為巖體質(zhì)量指標(biāo)。

2 地下水監(jiān)測及分析

由于地下水的變化常引發(fā)工程安全問題，因此需要把握基坑開挖降水過程中地下水變化規(guī)律，為此，在工作井周圍與距離工作井較遠(yuǎn)處分別開展了現(xiàn)場監(jiān)測與現(xiàn)場示蹤試驗(yàn)，對地下水的變化情況進(jìn)行監(jiān)測及分析。

2.1 井周地下水位變化規(guī)律

該地下水位為坑外地下水位，其測點(diǎn)布置如圖3所示，UP2-1、UP4-1分別布置在工作井的東南與西北側(cè)。地下水位變化曲線如圖4所示，該圖初始日期為2020.4.1。

圖3 LGO9#-1工作井監(jiān)測點(diǎn)布置(單位：mm)

圖4 地下水位變化曲線

(1)UP4-1在第1至第12步的施工步驟中地下水位變化表現(xiàn)為：開始基本保持不變，之后隨著土方開挖水位不斷降低。其原因?yàn)殚_始時地下水位標(biāo)高低于開挖面，而當(dāng)土體開挖至地下水位標(biāo)高時基坑開始滲水排水，致使地下水位不斷降低。而UP2-1在此施工過程中水位基本不變，與其地層透水性較弱以及周圍存在河涌有關(guān)。

(2)在第13步中，兩側(cè)地下水位出現(xiàn)急劇的下降，快速降低超過警戒值，聯(lián)系工作井的地層分布，該現(xiàn)象與底部存在斷層有關(guān)。之后第14步快速進(jìn)行了底板澆筑，并在之后進(jìn)行注漿封堵與地下水回灌，致使水位回升。

2.2 周邊地下水影響示蹤試驗(yàn)

2.2.1 試驗(yàn)方法

在工作井開挖后，開展前后兩次、每次12 d、共為期24 d的示蹤試驗(yàn)。試驗(yàn)選擇在砂層及裂隙發(fā)育分布較連續(xù)的區(qū)域，試驗(yàn)方法采用比色法。在取得調(diào)查區(qū)基礎(chǔ)水樣數(shù)據(jù)后，結(jié)合水質(zhì)情況選用了無毒KMnO4溶液，溶液濃度 250 g/L。在 SZK6號井及 GS14-2號井進(jìn)行投放(如圖5所示)，在SZK6號井投放試劑 10 kg，在GS14-2號井投放試劑15 kg，兩次接收點(diǎn)都選擇在 LGO9#-1工作井周邊觀測井ZK5-1、UP4-1、SZK17與SZK18。觀測井與投放井距離皆在200 m左右。

圖5 示蹤試驗(yàn)接收點(diǎn)和投放點(diǎn)位置

2.2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖6 離子濃度隨時間變化曲線

示蹤試驗(yàn)結(jié)果顯示區(qū)域地下水的水流方向由北側(cè)投放區(qū)、東側(cè)投放區(qū)皆指向 LGO9#-1工作井，證明 LGO9#-1工作井施工開挖降水引起了周邊地下水的滲流，使周邊水位降低，從投放井與工作井的距離上分析得到地下水降水的影響范圍超過了200 m。

3 降水影響范圍滲流反演分析

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)與示蹤試驗(yàn)，分別從時間與空間上說明了工作井開挖對周邊地下水的影響，并得到降水影響范圍超過200 m的結(jié)論。但基于以上數(shù)據(jù)，還無法確切的給出地下水降水的覆蓋范圍，以及地下水水位演變過程，因此采用Visual MODFLOW滲流分析軟件，根據(jù)現(xiàn)場所獲得的監(jiān)測數(shù)據(jù)，反演工作井場地的地下水水位變化過程。此外，選取3 種不同的開挖深度工況，從地下水降深、工作井的滲流影響半徑具體說明施工開挖對工作井的影響。

3.1 數(shù)值建模

計(jì)算模型邊界情況參考圖1區(qū)域所示，模型邊界尺寸取為900 m×800 m，工作井位于計(jì)算區(qū)域中心位置，同時根據(jù)實(shí)際尺寸建立周邊建筑物、河涌、魚塘等要素。

對于初始地下水水位，根據(jù)勘測數(shù)據(jù)，取水位為+0.5 m。每層開挖時的水位根據(jù)圖4進(jìn)行選取。

地表邊界條件：地表在水面以下的為給定水頭邊界；地表在水面以上為可出溢滲出邊界，當(dāng)無出溢時為潛水水位；水體中部按給定水頭邊界不利條件計(jì)算；距離工作井較遠(yuǎn)的場地四周簡化為不透水邊界。由于工作井邊界為地連墻，因此設(shè)為不透水邊界，開挖工作面設(shè)置為排水邊界，并且水頭設(shè)置為0。

考慮實(shí)際工程中地層分布較為復(fù)雜，存在相間與交叉分布，因此計(jì)算模型將土層簡化為7層，土層的分布簡化模型如圖7所示。

圖7 地層模型簡化(單位：m)

計(jì)算參數(shù)的取值參考表2與表3各土層的滲透系數(shù)。綜合以上條件，建立工作井三維分析模型如圖8所示。

圖8 工作井三維分析模型

3.2 滲流分析

3.2.1 不同工況下強(qiáng)透水層滲流結(jié)果分析

對于工況與地層的選取，根據(jù)圖4地下水水位的變化曲線可知，地下水出現(xiàn)較大波動是在第13步，即開挖第13步至第14步的施工區(qū)間內(nèi)。為了對比該步驟施工時地下水的變化，故選取開挖第12步、第13步、第14步三個施工步進(jìn)行地下水位分析。第12步-14步開挖深度范圍土層分別為③-1、③-2、③-3三個土層，其滲透系數(shù)由1×10-7變?yōu)?×10-3，滲透系數(shù)增大了10 000倍，因此在開挖第13步時頭水量突然變大，導(dǎo)致周邊水位驟降，如圖4所示。為了研究工作井開挖降水對周邊地層水位影響范圍，分別計(jì)算了開挖第12步、第13步、第14步三個施工步下周邊水位變化范圍，圖9為12-14施工步周邊地層水位等值線。

圖9 周邊地層平均水頭等值線(單位：m)

從圖中可見開挖完第13步時，周邊水位影響范圍由12步突然變大；開挖至14步時，水位影響范圍接近400 m。

3.2.2 不同工況下井周滲流水位分布

取工作井4倍直徑范圍內(nèi)滲流場進(jìn)行分析，其工作井周邊水頭變化及分布如圖10所示。

圖10 不同開挖步周邊平均水頭分布(單位：m)

從圖中可見，在開挖12步時，工作井周邊地層水頭變化較小，涌水量較少。而在開挖第13步時，工作井周邊水為降低突然變大，該施工步所在土層滲透系數(shù)突然變大，用水量突然變大，從而導(dǎo)致水頭驟降。開挖至14步，工作井周邊水頭降低繼續(xù)增大，而且影響范圍增大，迅速擴(kuò)大超過4倍直徑范圍，并引起較遠(yuǎn)處出現(xiàn)不均勻滲流場。結(jié)合實(shí)際工程， 14步土層為巖層裂隙發(fā)育帶，透水性強(qiáng)，因此建議在后續(xù)類似工程中，地連墻適當(dāng)加深，或通過注漿降低強(qiáng)透水層的透水性。

3.2.3 不同位置的土層滲流分析

由分析可知，工作井開挖工況降水影響半徑為400 m,因此選取該范圍內(nèi)不同距離地下水情況進(jìn)行分析，圖11為三施工步下400 m范圍內(nèi)不同距離的水頭分布與水頭變化幅度關(guān)系曲線。從圖中明顯可以看出，在開挖第13、14步時，兩者水頭變化及影響范圍均較大。

圖11 三施工步水頭變化、分布與工作井距離關(guān)系曲線

在開挖完成14步開挖后，水頭分布隨著距離逐漸下降至平緩，出現(xiàn)平緩而非繼續(xù)下降的主要原因是建模時進(jìn)行了簡化，認(rèn)為該施工步所在地層地質(zhì)條件完全相同，而實(shí)際上該地層裂隙發(fā)育分布不均勻。另外，水頭變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過開挖水頭降低幅度和影響范圍，將會造成周圍建筑產(chǎn)生較大的沉降，需在后期施工過程中降低開挖施工過程中的滲水量并加強(qiáng)對該些點(diǎn)位的監(jiān)測。

4 結(jié)論

(1)該區(qū)域內(nèi)地下水水位變化的主要原因?yàn)榛拥拈_挖降水破壞了該區(qū)域原有的水力平衡，并且隨著開挖降水的進(jìn)行，滲流場水頭差不斷累積，致使地下水水位下降速率逐漸加快。

(2)當(dāng)遇到地下透水層并未進(jìn)行滲水控制措施時，會使周邊水位變化范圍變大，甚至超過400 m，會影響周邊建筑安全性。

(3)在地下含有裂隙發(fā)育或透水性較強(qiáng)的復(fù)雜地層時，開挖過程中應(yīng)加強(qiáng)對地下水水位的監(jiān)測，并及時做好防滲與加固等措施。