軟土地區深基坑多層地下水處理措施分析

姚武松 （上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

根據國家的建設規劃，上海作為中國國際經濟、金融、貿易和科技創新中心，城市地下空間的開挖利用逐漸更大、更深化。近年來建設的商業綜合體、軌交等深大基坑普遍達到了地下四～五層。上海地區是典型的長江三角洲沖擊平原，是海拔相對較低的濱海城市，地處軟土地區，具有潛水、微承壓水和承壓水等豐富的多層地下水，地下水處理成為深大基坑最為顯著的問題。在工程建設過程中，如何有效地處理開挖范圍內的軟弱黏性土、避免深層承壓水突涌，確?；影踩┕?，同時減小降水對周邊環境影響，是設計和施工過程中需側重考慮的問題[1]。

本文以上海市某深基坑為例，采用分層降水+回灌的方式處理地下水，滿足基坑開挖的同時，避免多抽、超降對周邊環境造成影響。采用新型工藝氣動真空疏干降水處理上部軟弱黏性土，深層未完全隔斷的承壓水采用減壓井懸掛式減壓降水，結合抽灌一體化技術對周邊環境進行保護處理的思路，進行基坑降水的設計和施工工作[2]。本文對軟土地區深基坑多層地下水的典型案例進行總結和歸納，以供類似工程參考和借鑒。

1 工程簡介

1.1 工程概況

上海某城市快速路新建工程整體呈東西走向，采用地道+高架的組合形式，建設規模為雙向6 車道。工程基坑包含工作井和明挖區間，基坑長195.00m、寬24.40m，挖深13.71～28.11m。圍護型式采用0.8m/1.2m 厚的地墻，墻深31～52m，4～5 道混凝土支撐+鋼支撐支護?？觾炔捎萌惯吋庸毯统闂l加固進行淤泥質軟土處理。整體采用明挖順作法施工，局部采用蓋挖法施工。工程周邊臨近多個小區和辦公區，特別是基坑南側環境較復雜，建筑距離基坑約8～20m，位于1 倍開挖深度范圍內，普遍為天然基礎和樁基礎，并且基坑周邊管線也較為復雜?；影踩燃墳橐患?，環境保護等級為二級。

1.2 工程地質和水文地質

工程所處位置按地貌單元劃分屬于濱海平原地貌類型。地面以下85m 以內分布的土層自上而下依次為①1 層雜填土、②1 層粉質粘土、②3A 層粘質粉土、③層淤泥質粉質粘土、④層淤泥質粘土、⑤1 層粉質粘土、⑥層粉質粘土、⑦1層砂質粉土、⑦2 層粉細砂、⑧1 層粉質粘土夾粉砂、⑧1T 層粉質粘土與粉砂互層、⑨粉細砂層。

地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水和深部的第⑦層、⑧1T 層、⑨層的承壓水。潛水含水層水位埋深一般為2.1～2.3m，受潮汐、降水量、季節、氣候等因素影響而變化。對工程有影響的承壓水主要為第⑦層承壓水，層厚約32m，水位呈周期性變化，實測水位埋深3.82m。

基坑落底于第⑤1 層和⑥層，開挖范圍內主要為軟弱粘性土，具明顯觸變及流變特性，并且滲透系數較小，短時間內難以疏干?？拥着R近揭穿第⑦層承壓水，承壓水具有突涌的風險，需進行減壓處理。圍護采用地墻作為止水帷幕，墻底位于第⑦2 層，進入承壓水10～22m，未完全隔斷承壓水，屬于懸掛式減壓降水，坑內減壓降水期間必然引起坑外水位的下降，從而導致周邊環境的沉降。為減小坑內降水期間坑外的水位變化，需采取有效的保護措施，可采用加深地墻隔斷承壓水或回灌的措施進行保護，從施工難度、工期長短和經濟性考慮，回灌是最經濟、簡單且有效的措施[3]。

2 技術難點

2.1 難點分析

為確?；禹樌_挖，需降低基坑開挖深度范圍內的土體含水量，基坑開挖范圍內主要為淤泥質軟弱粘性土，具有較明顯的觸變及流變特性，在動力作用下土體強度極易降低。第②3A 層為粘質粉土層，含水層豐富，粘性土含量較高，開挖過程中易出現流砂現象。

基坑下伏承壓含水層主要為第⑦層，存在突涌風險，含水層較厚，滲透系數較大。圍護結構未完全隔斷第⑦層承壓含水層，屬于懸掛式減壓降水。

基坑周邊環境較復雜，受減壓降水的影響。

基坑開挖深度較深，懸掛式減壓降水風險相對較大，現場需配備雙電源，預防停電產生承壓水突涌的現象，同時做好信息化施工并及時預警。

2.2 處理措施

對開挖范圍內的潛水采用新型降水方式氣動真空進行疏干降水，同時確?；娱_挖前預降水時間不少于20天。

利用Visual ModFlow 建立水文地質概念模型，進行三維滲流數值法計算分析，在基坑內布設第⑦層減壓降水井，基坑開挖過程中分層按需降低承壓水水頭，確?；影踩?。

基坑外側布置第⑦層承壓水回灌兼觀測井，進行抽灌一體化運行，減小減壓降水對周邊環境的影響。

現場施工配備具有自動切換功能的備用電源；水位監測采用自動化監測，實行信息化施工，進行水位監測和預警。

2.3 基坑抗突涌穩定性驗算

基坑開挖面以下存在第⑦層、⑧1層和⑨層承壓含水層，必須進行基坑突涌穩定性分析。開挖過程中，有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發生突涌事故。通過計算可知，基坑不滿足第⑦層抗突涌驗算，需對第⑦層減壓，臨界開挖深度為13.98m?；拥装寰嚯x第⑦層承壓含水層頂1.68m，隔水層不到2.00m，為確?；影踩?，開挖至大底板時需將第⑦層水頭降至坑底以下1.00m，安全水頭埋深29.11m，需降深25.29m。經計算第⑧1層和⑨層臨界開挖深度為29.71m，基坑滿足抗突涌驗算，無需對第⑧1 層和⑨層進行減壓處理。

3 降水井設計

3.1 疏干井布置

為確?；禹樌_挖，需降低基坑開挖深度范圍內的土體含水量，本工程需要疏干的層位包括①1 雜填土、②1 粉質粘土、②3A 層粘質粉土、③淤泥質粉質粘土、④淤泥質粘土、⑤1 粉質粘土。根據上海區域工程經驗，坑內疏干深井數量確定公式為：

式中：n-井數(口)；A-基坑需疏干面積(m2)；a井-單井有效疏干面積(m2)。

基坑總面積3577m2，分4 個坑施工。開挖范圍內需要疏干的層位主要為淤泥質軟弱粘性土和粘質粉土，根據地區經驗綜合考慮疏干管井單井有效疏干面積按約200m2/口布置，且井深不進入第⑥層（俗稱“硬殼層”），設置1m 沉淀管、分段設置過濾器，過濾器避開支撐和底板，平面位置避開支撐、棧橋、加固、工程樁。共布置真空疏干深井19 口，其中2 口20m、5 口22m、4 口24m、8 口26m?？讖?50mm，井徑273mm，鋼管材質，外包單層60 目密目網，濾料選用中粗砂，采用黏性土封孔。

3.2 坑內減壓井和觀測備用井布置

根據擬建場地的工程地質與水文地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，降水設計采用軟件Visual ModFlow 進行三維滲流數值法計算，為降水設計與施工提供理論依據。

地下水滲流系統符合質量守恒定律和能量守恒定律；含水層分布廣、厚度大，在常溫常壓下地下水運動符合達西定律；考慮淺、深層之間的流量交換以及滲流特點，地下水運動可概化成空間三維流；地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好地解決越流問題；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性，所以參數概化成水平向各向同性。

綜上所述，模擬區可概化成非均質水平向各向同性的三維非穩定地下水滲流系統。模擬區水文地質滲流系統通過概化、單元剖分，即可形成為地下水三維非穩定滲流模型[4]。

對整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將上述數學模型進行離散得到數值模型，以此為基礎編制計算程序，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。

圖1 離散模型網絡三維圖

根據模擬計算結果，坑內減壓井共布置11 口，井深設置為40m、44m、45m、47m，孔 徑 650mm，井 徑273mm。鋼管材質，外包單層60 目密目網，濾料選用中粗砂，濾料上部填筑不少于5m的粘土球并采用黏性土封孔。

在基坑土方開挖過程中，挖機可能會挖壞或碰壞降水井，運行過程中也可能會出現水泵故障等情況，導致無法正常運行。因此在以上降水計算的基礎上，應在坑內設置約20%的應急備用井。同時，降水過程中，基坑內水位觀測非常必要，根據開挖進度分級降水，做到按需降水、降水最小化。確保水位控制滿足基坑安全需要的同時減少降水對周邊環境的影響。根據分區概況，坑內共布置4 口第⑦層承壓水觀測兼備用井，井深40m、44m、45m，孔徑650mm，井徑273mm，井結構同坑內減壓井。

3.3 坑外回灌兼觀測井布置

基坑周邊環境較復雜，止水帷幕未隔斷第⑦層承壓水，屬于懸掛式減壓降水。在后期基坑開挖過程中坑內長時間、大幅度抽降承壓水，必將引起坑外地面沉降變形。

為減少坑內減壓降水對周邊環境的影響，坑外需布置承壓水回灌兼觀測井?？油馑换颦h境監測達到降水預警值時及時開啟回灌，通過抽灌一體化運行，減緩沉降變形，減小對周邊環境的影響。

在基坑北側按照30m/口間距布置第⑦層承壓水回灌兼觀測井，基坑南側按照10m/口間距進行布置，共布置25口，其中19 口井深45m，6 口井深54m、孔徑650mm、井徑273mm。

4 降水運行

4.1 真空疏干井運行

本工程采用氣動真空降水進行疏干處理。氣動降水工藝是一種利用壓縮氣體動能排水的新型降水工藝。該工藝通過抽水控制中心連接空壓機和土體疏干井，一臺空壓機最多可連接4 個控制箱，每個控制箱可連接12 口土體疏干井。啟動抽水時，抽水控制中心控制空壓機輸入壓縮空氣將井內地下水排出井外；井內液面降低后，抽水控制中心可自動停止該降水井輸氣，通過真空加快地下水匯集。通過降水控制柜的調配，使多口疏干井可以同時形成負壓和氣舉降水以達到疏干土體的效果?；娱_挖期間現場氣動降水共使用1 臺真空泵，真空泵功率22kW，同時帶動12 口疏干井抽真空，真空度可達到0.07MPa，滿足設計要求，疏干效果很好。

真空疏干深井預降水應在基坑開挖前20d 或更早進行，以保證有效降低開挖土體中的含水量，確?；娱_挖施工的順利進行。并加真空運行，加快集水效率和擴大單井影響范圍。井管隨土方開挖逐層切割，并及時恢復真空運行。原則上24h 連續加真空運行，確?；娱_挖至大底板時水位控制在基坑底板面以下0.5～1.0m。

4.2 減壓井運行

承壓水根據開挖工況分層按需降水，降水最小化?；优R界開挖深度為13.98m，開挖第1～4 道支撐時無需開啟，開挖第5 道支撐時需開啟減壓降水，一直運行至基坑大底板澆筑完成且滿足抗承壓水穩定后再停止抽水，累計抽水85天。

減壓井抽水運行期間，40m 減壓井平均單井出水量10m3/h，44m/45m 減壓井平均出水量20～44m3/h。群井效應下坑內減壓井的出水量會隨周邊水頭下降而減小，主要是由于坑內水頭的下降會導致抽水井周邊水壓力下降，從而引起抽水井進水能力發生改變，可見抽水井的出水能力受井邊水壓力的影響。根據本工程對抽水井出水量和同層觀測井靜止水頭數據的對比分析，發現抽水井的出水量衰減量和周邊水頭高度減小量成正比。

圖2 出水量與觀測井水頭高度的關系圖

4.3 回灌井運行

由于本項目屬于懸掛式減壓降水，坑內外存在較強的水力聯系，為減小降水對周邊環境的影響，采用抽灌一體化技術來維持坑外水位穩定、減緩沉降變形[5]。

抽灌一體化系統包括抽水系統、水質處理系統和回灌系統?？觾瘸槌龅牡叵滤浰|處理系統處理滿足回灌水質要求后，回灌至坑外回灌井內，通過人工補給地下水來維持承壓水水頭的穩定?；毓嗑畠劝惭b自動回灌控制裝置，實現自動化控制，同時進行定期回揚維護處理。

回灌運行期間平均單井回灌井約2～4m3/h，最大總回灌量約30～50m3/h，約占坑內抽水量的30%～50%?；毓噙\行期間坑外水位基本處于穩定狀態，周邊環境沉降監測未超過報警值，達到了回灌的目的，起到了回灌保護的作用。

4.4 運行安全保障措施

①生產性抽水試驗

基坑開挖前進行現場生產性抽水試驗，驗證群井降水效果是否滿足設計要求，檢驗止水帷幕的隔水效果，檢驗排水系統是否滿足最大排水需求。根據試驗結果深化降水設計，細化降水運行方案。

②雙電源保障

由于本項目屬于懸掛式減壓降水，坑內外水力聯系較強，根據現場試驗情況，減壓井停抽30min，水位恢復68.63%，水位恢復迅速。為預防停電引起基坑內水位迅速回升造成基坑突涌現象，減壓降水運行期間應對運行水泵配置兩路電源，一路市電、一路發電機。常用的市電停電后備用發電機自動啟動。根據現場運行水泵情況，現場配備1 臺120kW 發電機，并且發電機具備可自動啟動功能，配備備用電源智能切換系統，雙電源自動切換控制時間不應超過1min。定期進行斷電切換演練，確保備用電源可以在應急情況下正常運轉。

③降水自動化監測

本工程降水風險較大，水泵損壞后短時間內來不及更換，備用井內提前下好備用水泵，隨時可應急開啟。水位觀測至關重要，采用水位自動監測系統實時監測水位，可遠程監控、顯示水位，水位異常達到報警值時及時預警。

5 結論

上海區域等軟土地區上部潛水采用氣動真空降水具有一定的可行性，相比傳統降水更加安全、環保。

懸掛式減壓降水結合圍護結構和水文地質參數，利用Visual ModFlow 建立水文地質概念模型進行三維滲流數值法計算分析較為科學準確。群井效應下抽水井出水量會隨水頭高度降低而成比例減小。

通過回灌措施可有效地維持坑外水位穩定，起到保護周邊環境的作用。

合理的安全保障措施可有效地減小基坑的風險，確保安全施工。