摘 要：本文根據(jù)對(duì)天津市近幾年，挖深大于20米的超深基坑降水工程實(shí)踐的總結(jié)分析，結(jié)合天津市第三承壓含水層的分布，及承壓水頭的資料，采用三維滲流有限元模型經(jīng)計(jì)算分析預(yù)測(cè)，認(rèn)為當(dāng)基坑挖深在25米的超深基坑，可以不必完全截?cái)嗟谌�承壓含水層，而是采用坑�?nèi)降壓方式確保安全施工，以節(jié)省工程造價(jià)及工期。

關(guān)鍵詞：第三承壓含水層 止水帷幕 超深基坑 坑內(nèi)降壓 有限元三維流數(shù)值模型

1 引言

近幾年隨著天津市城市發(fā)展，挖深超過(guò)20米的超深基坑逐漸增多，圍繞第三承壓含水層對(duì)基坑形成突涌風(fēng)險(xiǎn)的探討，漸漸成為基坑降水設(shè)計(jì)的主要話題。為確�；�坑施工萬(wàn)無(wú)一失，設(shè)計(jì)單位不惜花費(fèi)高昂代價(jià)，采用一切手段加深止水帷幕，截?cái)嗥涑袎盒浴Ｍ瑫r(shí)還不得不懷疑帷幕的可靠性，又在坑內(nèi)布設(shè)大量的降壓井降壓。實(shí)際的施工效果卻反映出帷幕滲漏情況嚴(yán)重，有的項(xiàng)目幾乎完全需要依靠降壓井滿足安全需求。

2 第三承壓含水層水文地質(zhì)特性

天津市第三承壓含水層，為上更新統(tǒng)第三組河流相沖積沉積層(Q3cal)中部一層以粉砂粉土巖性為主的地層[1]，根據(jù)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》(DB/T 29-191-2009)地層編號(hào)為⑪2。該層頂板埋深一般在31～35米左右，底板埋深一般在48～58米左右，承壓水頭埋深一般在8～9米左右。在降水工程密集區(qū)域，水頭目前已經(jīng)降至14米左右。于家堡金融核心區(qū)，根據(jù)實(shí)際工程，該含水層承壓水頭已經(jīng)降至16米。

其上部分布有第一、第二承壓含水層，第一層壓含水層埋深16～18米左右，層厚3～4米左右，水頭埋深在3米左右，為全新統(tǒng)下部陸相沉積層(Q41al)，地層分組層號(hào)為⑧2，巖性以粉土為主;第二層壓含水層埋深19～20米左右，層厚4～5米左右，水頭埋深在5米左右，為上更新統(tǒng)第五組河流相沖積沉積層(Q3eal)，地層分組層號(hào)為92，巖性以粉砂為主。

根據(jù)天津市地質(zhì)調(diào)查研究院，區(qū)域淺層地下水水水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告分析，第三承壓含水層水平徑流微弱，主要依靠第二承壓含水層向下越流補(bǔ)給，同時(shí)向深部含水層向下越流排泄[2]。

3 實(shí)際工程現(xiàn)狀

在實(shí)際工程中，設(shè)計(jì)人員為確�；�坑萬(wàn)無(wú)一失，采用地連墻作為止水帷幕，墻體底端設(shè)計(jì)至地表以下60米，目的不言而喻，為切斷該承壓含水層，使之與周?chē)�含水層失去水力�?lián)系，消除其承壓性對(duì)基坑的突涌威脅，以實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)疏干降水。

但是在實(shí)際的工程中，幾乎沒(méi)有一個(gè)項(xiàng)目的地連墻真正將其隔斷，包括于家堡交通樞紐、中鋼大廈、文化廣場(chǎng)交通樞紐等。原因也是十分簡(jiǎn)單，由于天津地區(qū)軟硬相間砂黏交互沉積地層特點(diǎn)，以及第三承壓含水層為致密的砂性土中間夾有薄層黏性土，導(dǎo)致地連墻施工中垂直度控制不理想，導(dǎo)致如此深度的地連墻接縫不嚴(yán)密。根據(jù)對(duì)各大交通樞紐地連墻超深波槽避垂直度測(cè)試成果[3]，大部分槽段的垂直度在1/120～1/200之間，以60米深，1200mm寬的地下連續(xù)墻為例，在1/120～1/200垂直度下，墻體頂?shù)姿�平偏�?00mm～300mm，如果兩幅墻體反向偏差，接縫處的墻厚僅有200～600mm，而且如此深度的地連墻，下部墻體幅間接縫處的混凝土抗?jié)B性，難以達(dá)到理想狀態(tài)，因此難以保證止水效果。例如，我們?cè)��?jīng)采用高壓旋噴樁對(duì)文化廣場(chǎng)地鐵換乘站60米深地連墻的接縫進(jìn)行封堵，由于高壓旋噴工藝垂直精度及樁徑隨深度增加而降低，封堵效果不盡人意，開(kāi)挖后仍然四處滲漏[4]。至于新出現(xiàn)的JSM和TRD工藝施工，從目前中鋼的項(xiàng)目來(lái)看，且不說(shuō)施工費(fèi)用昂貴，由于第三承壓含水層致密巨厚純凈的粉細(xì)砂地層，出現(xiàn)了埋鉆事故，目前在天津市的推廣使用得到滯緩。我公司今年從德國(guó)寶峨公司引進(jìn)的CSM水平銑輪水泥土攪拌連續(xù)墻工藝，雖然垂直度可以達(dá)到1/500，但施工深度最大也只有48米，對(duì)于響螺灣于家堡地區(qū)，層底深度在五十多米的第三承壓含水層而言，也是束手無(wú)策。

4 提出問(wèn)題

挖深25米的超深基坑是否一定有必要截?cái)嗟谌�承壓含水�?如果采用半封閉懸掛式帷幕，采用坑內(nèi)降壓措施降低承壓水頭，是否一定會(huì)對(duì)基坑周?chē)�環(huán)境產(chǎn)生破壞性影響?降壓多長(zhǎng)時(shí)間后基坑周邊的潛水位才會(huì)下降到不可接受的程度?由于在目前實(shí)際工程中，無(wú)人敢于實(shí)踐，上述問(wèn)題還無(wú)法得到充分的驗(yàn)證。

5 數(shù)值模擬的分析結(jié)果

這里我們僅從得到的相關(guān)地層水文地質(zhì)參數(shù)，通過(guò)有限元三維流數(shù)值模型計(jì)算的方法，來(lái)論證這些問(wèn)題。雖然由于缺乏實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù)作為邊界約束，模型的可靠度會(huì)有所下降，但一些定性的結(jié)論還是具有一定參考價(jià)值。

根據(jù)地下水滲流理論，當(dāng)承壓含水層因抽水，其承壓水頭開(kāi)始下降，打破了自然條件下地下水系統(tǒng)的原有平衡的水力聯(lián)系，導(dǎo)致上部承壓含水層開(kāi)始向下越流補(bǔ)給，如此上部承壓含水層水頭也開(kāi)始下降，如此傳遞，最終導(dǎo)致潛水向下越流補(bǔ)給，使?jié)撍�位下降。潛水位下降，�?shì)必產(chǎn)生淺部土體固結(jié)變形，地面產(chǎn)生沉降。由此帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題是基坑周邊建筑物發(fā)生不均勻沉降開(kāi)裂，道路塌陷變形，管道因地面沉降破裂而無(wú)法使用[5]。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，對(duì)地面沉降最為敏感的，是大幅降低第一承壓含水層水頭，原因是因?yàn)闈撍�含水層與第一承壓含水層之間的相對(duì)隔水層并不絕對(duì)，潛水與第一承壓含水層之間存在千絲萬(wàn)縷的水力聯(lián)系，全新統(tǒng)底部的⑧1粉質(zhì)黏土層中分布有粉土透鏡體，因此潛水越流很容易發(fā)生。歐加華項(xiàng)目的基坑，由于對(duì)第一承壓含水層隔斷失效，在施工降水開(kāi)始不到一個(gè)月，周?chē)�地面出現(xiàn)近40mm的沉降，就是上述原因造成的。

但是針對(duì)天津市分布的第二、第三承壓含水層而言，由于上更新統(tǒng)頂部普遍都分布有巨厚的⑨1粘性土層，使第一承壓含水層與下部第二、第三承壓含水層的水力聯(lián)系就大大降低。⑨1粉質(zhì)黏土層的垂直滲透系數(shù)，根據(jù)抽水試驗(yàn)計(jì)算，一般為10-6cm/s，有效隔水厚度一般在5米左右。

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，當(dāng)基坑開(kāi)挖25米，止水帷幕底部落于地面以下45米處，距離承壓含水層底部深度相差10米，潛水初始水位在1米，將第三承壓含水層水頭降低至地表下24米時(shí)，當(dāng)抽水時(shí)間延長(zhǎng)至1.5年，潛水位才下降1米。如果降壓時(shí)間縮短至半年，對(duì)潛水的影響幾乎可以忽略。

6 初步結(jié)論

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果，再做以下假設(shè)及施工措施：

1、挖深在25米的基坑，首先必須隔斷與上部潛水水力聯(lián)系密切的第一、第二承壓含水層。

2、針對(duì)第三承壓含水層的降壓，施工周期要盡量縮短，盡量減少降壓的抽水量。

3、止水帷幕可以不必完全切斷第三承壓含水層，可以采用半封閉的懸掛式帷幕止水，以增加地下水滲流路徑，加大水力坡降。

4、同時(shí)降壓井的深度要小于帷幕深度，至少與帷幕底部深度相同。

5、備足減壓井?dāng)?shù)量，施工中密切關(guān)注承壓水頭，按需降壓，少抽水。盡量采用自流式降壓井。

如果滿足上述條件，我們認(rèn)為沒(méi)有必要一定采用60米的地連墻截?cái)嗟谌�承壓含水層。針�?duì)30米挖深的基坑，帷幕深度達(dá)到45米，確保帷幕的止水效果，在1年的施工周期內(nèi)連續(xù)降壓抽取第三承壓含水層，對(duì)周?chē)�地表的影響完全滿足安全的要求。

有些專(zhuān)家提出，由于很多基樁采用第三承壓含水層的粉細(xì)砂作為樁基持力層，降壓抽取該層地下水時(shí)，可能導(dǎo)致持力層固結(jié)沉降，對(duì)樁基產(chǎn)生影響。根據(jù)大量的勘察資料，第三承壓含水層是狀態(tài)致密的粗顆粒地層，標(biāo)貫擊數(shù)一般都大于50擊，俗稱(chēng)“鐵板砂”。實(shí)際上，在長(zhǎng)期的地質(zhì)年代里，該土層因上覆地層自重作用，已經(jīng)處于超固結(jié)狀態(tài)，土體骨架承受了大部分的豎向應(yīng)力。含于其中的地下水，承受著上覆土層巨大的壓力，才具有了承壓性，降壓過(guò)程中所抽出的水量，都是含水層彈性釋水，水量大原因是因?yàn)槠浜穸染薮笏�致。在降壓過(guò)程中，由于水頭漏斗的擴(kuò)散，壓力減小(或釋放)向四周傳播，才引起孔隙水被不斷地釋放出來(lái)。但由于土體骨架已經(jīng)承受了大部分的豎向應(yīng)力，彈性釋水后土層的固結(jié)壓縮變形很小，對(duì)于樁基礎(chǔ)幾十毫米的沉降變形相比可以忽略不計(jì)。因此，完全不必考慮對(duì)樁基礎(chǔ)的影響。

如果基坑挖深增大至30米時(shí)，部分地區(qū)已經(jīng)將坑底落于第三承壓含水層內(nèi)。此時(shí)，該承壓含水層水頭必須降至頂板以下，出現(xiàn)含水層性質(zhì)屬于從有壓變?yōu)闊o(wú)壓現(xiàn)象。根據(jù)滲流理論，如果不降低坑外承壓水頭，或截?cái)喑袎汉�水層，在水頭差作用下，繞流作用將非常巨大。地下水將攜帶大量砂土繞過(guò)止水帷幕，不斷涌進(jìn)基坑底面，產(chǎn)生強(qiáng)烈的流土現(xiàn)象，基坑因此失穩(wěn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的事故[5]。當(dāng)然，如果不截?cái)喑袎核�，在坑�?nèi)布置足夠多的降壓井，將繞帷幕流入坑內(nèi)的承壓水抽走，從理論上講也是可以的，但是這種強(qiáng)烈的三維流場(chǎng)與重力滲流場(chǎng)并不相同，坑底靠近帷幕處的水力梯度最大，流線幾乎與坑地面垂直水頭，如果帷幕施工時(shí)導(dǎo)致此處土體強(qiáng)度下降，或附近基樁樁側(cè)存在薄弱面，局部流土的可能性還是存在的，這也是數(shù)值模擬所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，而且一旦局部突涌發(fā)生，會(huì)不會(huì)很快波及到基坑中部，也很難預(yù)料。我們認(rèn)為，這種情況下，采取坑外降壓的方法應(yīng)該是有效的。但坑外降水對(duì)周邊環(huán)境的影響評(píng)價(jià)，還需要我們?nèi)パ芯刻接憽?/p>

參考文獻(xiàn)：

[1] 天津市城鄉(xiāng)建設(shè)交通委員會(huì)(2009)，天津市工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《天津市地基土層序劃分技術(shù)規(guī)程》(DB/T 29-191-2009)

[2] 天津市地質(zhì)調(diào)查研究院(2000)，《區(qū)域淺層地下水水水文地質(zhì)調(diào)查報(bào)告》

[3] 天津市地質(zhì)工程勘察院(2003～2009)，《天津市地鐵2、3號(hào)線換乘站地下連續(xù)墻成孔檢測(cè)報(bào)告》

[4] 天津市津勘巖土工程股份有限公司(2009)，《天津市文化廣場(chǎng)交通樞紐換乘站地下連續(xù)墻水泥土高壓旋噴樁止水效果分析報(bào)告》

[5] 吳林高等(2008)，工程降水設(shè)計(jì)施工與基坑滲流理論，上海，人民交通出版社

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