上海第⑨层减压降水悬挂式隔水帷幕深度的设计方法
时间：2023-04-08 17:35:05 来源：千叶帆 本文已影响人
杨洪杰 崔永高 孙建军
1. 上海申通地铁集团有限公司 上海 201103；
2. 上海广联环境岩土工程股份有限公司环境岩土中心 上海 200444；
3. 上海地下水综合治理技术研究中心 上海 200444；
4. 上海隧道工程轨道工程设计研究院 上海 200235
随着上海深层地下空间开发力度的加大，基坑的开挖深度日益加深[1]。对第二承压含水层（⑨层）进行减压，成为部分工程的必需项目。当受技术或经济条件限制，不能对第二承压含水层进行隔断时，通常采取悬挂式隔水帷幕与减压降水相结合的方法。因为上海地区第⑨层渗透系数大，满足基坑本体安全降深所需的基坑涌水量大，降落漏斗缓、扩展范围广，环境变形控制难度高。因此，合理地确定超深基坑悬挂式隔水帷幕的深度具有重要的现实意义[2-5]。
本文根据上海苏州河深层蓄水隧道竖井、上海张江国家科学中心硬X射线激光装置竖井的现场试验和研究，对上海地区第⑨层减压降水悬挂式隔水帷幕深度设计的关键技术难点，包括短滤管减压井结构、减压降水的沉降修正系数等，进行了探讨，提出超深基坑深层承压水控制悬挂式隔水帷幕深度设计的技术流程建议，为保证深层承压水控制的基坑本体和环境双安全提供了技术支撑。
2.1 现场抽水试验及分析
在分析基坑工程特征、场地地质条件、环境保护要求的基础上，对承压水减压需求、周边环境保护的技术难点等进行预分析，选择合理的试验井结构、制定完整的试验纲要。
2.1.1 短滤管减压井滤管长度的确定
为增加减压井滤管底与隔水帷幕底之间的高差、控制减压井的滤管长度，试验期间应布置多种滤管长度的减压井，以比较不同长度试验井滤管的减压效果，进而确定满足基坑减压需求的较短的滤管长度[2]。
当单井减压降水，距离抽水井25 m处的观察井的同层降深大于1.5 m时，可初步判断该试验井的滤管长度满足基坑本体减压需求。
提出不少于2种滤管长度的井结构，供后续数值模拟分析时选择，最后选择滤管长度较短、井数量合理、隔水帷幕深度较小的技术方案。
2.1.2 参数反演和基坑渗流模型的建立
为预测基坑减压降水所形成的地下水渗流场和环境变形的时空分布特征，应构建正确的基坑工程水文地质渗流模型。通过现场水文地质试验，获得单井涌水量、观察井的降深与时间曲线等，进而采用三维非稳定流数值模拟方法，反演各含水层的水平向和竖向渗透系数。
地下水渗流建模的平面范围较大，应注意搜集资料，提高模型的仿真性。一般应有勘探孔穿过基坑降水所影响的含水层，进入隔水层。含水层中间的黏性土夹层也对渗流场有一定影响，可通过静力触探方法加以把握。
2.1.3 群井抽水试验期间的分层沉降监测
降水诱发的沉降计算修正系数是环境影响评价的关键参数，宜通过现场群井抽水试验期间的竖向变形监测数据反演确定。监测工作应满足下列要求：
埋设不少于1组深层沉降标，监测各亚层层顶的竖向位移。当只埋设1组深层沉降标时，其平面宜布置在群井中心。深层标的标底应深入稳定土层；
宜采用静力水准自动化变形监测方法；
应对群井降水的渗流场同步进行监测。
2.1.4 沉降修正系数计算
减压降水沉降计算的修正系数计算流程如下：
1）利用建立的基坑渗流模型，求取分层沉降标平面位置处含水层不同竖向深度的降深和附加应力，求取各竖向单元的分层压缩量（土层压缩模量采用静力触探指标或标准贯入试验击数计算），叠加后得到含水层的压缩量。
2）将计算所得的含水层压缩量与实测值进行比较，从而得到各土层的沉降修正系数。
本方法通过监测群井抽水期间水位变化、土层竖向位移，力求比较正确地把握土层的降水变形特征。本方法尽管试验工作量大，但能较可靠地估计减压降水的环境变形，且可有效控制工程造价。
2.2 隔水帷幕深度比选
2.2.1 隔水帷幕深度比选的计算方法和原则
敏感环境条件下深层强透水性承压水控制的设计，通常从现场抽水试验开始，确定满足基坑减压需求的短滤管井结构、反演水文地质参数、建立渗流模型、计算降水沉降的修正系数，然后采用基坑三维非稳定流数值模拟，预估坑内降深场、坑外降深场及变形场的时空分布，减压降水的持续时间按总包单位施工经验确定。
环境保护对象处降水诱发的沉降采用一维分层总和法计算（修正系数采用上一节中提到的试验反演值），并与基坑开挖导致的沉降叠加，其和应满足保护对象的沉降控制要求。对可能采用的帷幕深度进行多工况的模拟和分析，从而选择一个合理的隔水帷幕深度，获得一个令人满意的基坑本体、环境双安全的技术方案。
2.2.2 隔水帷幕深度确定的技术流程
综上所述，形成一个完整的工作流程，包括技术预分析、现场试验和分析、减压降水和隔水帷幕深度的协同设计、群井试验验证等。
1）技术预分析。明确环境保护要求，承压水控制需求分析，降水设计类型预分析，制订工程水文地质试验方案。
2）现场试验。含短滤管的多种井结构的单井抽水试验、群井试验和变形监测；
试验数据分析研究，初步确定不少于2种短滤管减压井结构。
3）设计。工程类比法制订承压水控制方案，基坑减压隔水一体化的模拟和分析，对隔水帷幕深度进行比选。
4）试验验证。群井验证试验，制订运营方案，水位和变形监测。
2.2.3 工程案例
上海张江国家科学中心硬X射线激光装置的5号竖井开挖深度达45.45 m，第⑨层需降水16.0 m；
距离5号竖井90.7 m处有正在运营的轨交磁浮线，沉降要求控制在2.0 mm以内。场地第⑨层层顶埋深约78.0 m，场地缺失第⑩层黏性土隔水层，第二、第三承压含水层直接连通，第三承压含水层层底埋深138.0 m，含水层组厚度达60.0 m。采用深89.8 m地下连续墙围护，地下连续墙未隔断降水目的含水层组，为悬挂式帷幕减压降水。⑨层减压井结构采用6.0 m滤管，滤管深度为76.0～82.0 m。反演得到的渗透系数如表1所示，不同隔水帷幕深度参数下磁浮线沉降见表2。
表1 第⑨层及第11层参数
表2 隔水帷幕深度磁悬浮线处降深和沉降比较
反演得到的各层沉降修正系数：⑧2层为0.12，⑨层为0.08，层为0.09，比1小很多。研究表明，对第⑨层减压降水诱发的沉降计算修正系数取1，会高估沉降。
工程实际的监测数据表明，⑨层减压降水期间磁浮线累积沉降约2.0 mm。
3.1 第⑨层的水文地质参数
3.1.1 水文地质参数反演
为获得降落漏斗的空间分布，观察井与抽水井的水平距离宜在对数轴上均匀分布，且观察井不少于3口。为了获得竖向渗透系数，部分观察井的滤管标高与抽水井滤管标高应保持一定的竖向间距，以观察地层的竖向渗流水头损失。
3.1.2 第⑨层的水文地质特性
上海第⑨层的沉积年龄为7.2万～13.0万年，在上海全区分布广泛，为河流相沉积物，其埋深从西南向东北逐渐加大，层顶埋深为65.0～95.0 m，层底埋深98.0～105.0 m。目前工程上一般将该层分为3个亚层。第⑨1层粉细砂，夹薄层黏性土，厚度3.0～5.2 m；
第⑨2-1层中砂，局部为粗砂，厚度9.0～11.5 m；
第⑨2-2层粉砂，厚度7.8～8.5 m。
在第⑨1层粉砂夹粉质黏土与第⑨2-1层中砂之间，有的地方也分布第⑨1t层粉质黏土，厚度1.5～4.0 m，这对地下水的渗流会产生明显的影响。目前，可获得沿深度连续分布力学指标的静力触探，由于设备能力的限制，还较少进入⑨层，对⑨层地质特性的认识，还有待进一步的细化，⑨层的现场抽水试验的数量和代表性还不够。通过近5年的现场抽水试验，对第⑨层的水力学特征进行初步总结，如表3所示。
表3 ⑨层水文地质参数经验值
3.2 隔水帷幕的缺陷
上海地区通常采用的隔水帷幕施工工艺有：地下连续墙（下部一般设置构造配筋段）、CSM（双轮铣）、TRD（渠式切割）、MJS（全方位高压旋喷）等[3]。超深隔水帷幕施工技术难度高，需编制专项施工组织设计，施工完成后应进行隔水帷幕的质量检测。目前隔水帷幕的质量检测还没有成熟可靠的办法，有待进一步研究。
隔水帷幕的质量缺陷是基坑工程的重大风险源。细致地分析基坑验证试验阶段的渗流场数据，可以增加隔水帷幕缺陷判断的可靠度。要明确判断缺陷的位置，尚需增加坑外观察井的数量。根据检测得到的帷幕缺陷可能性的前兆提出预警，可在一定程度上减少帷幕缺陷所造成的工程风险。对有缺陷的帷幕可以采取冷冻、旋喷、聚氨酯注浆等方法进行补强。
3.3 地下水的原水回灌
在敏感的保护对象处布置回灌井，既可涵养水资源，又可控制环境变形、节约造价，是一种绿色建造方法。业界对回灌试验进行了试验研究[4]，上海地区已积累了一些⑨层回灌试验的数据。当采用回灌措施时，应进行抽灌一体化的渗流场模拟。
采用回灌措施的难点有二：一是敏感对象处常常没有施工和运营场地；
二是回灌井的堵塞缓解问题。真空缓堵工艺简单、费用也较小，缓堵效果较明显。采用真空缓堵工艺后，⑨层单井回灌水量可达50～250 m3/h[5]。
3.4 基坑群的减压降水环境变形控制
针对基坑群的第⑨层减压，应统筹协调，各基坑第⑨层减压应错时运营，以解决群坑减压所造成的降深和变形的叠加效应问题。
上海张江国家科学中心基地建造的硬X射线激光装置共有5个竖井，均需要对⑨层减压。采取错时运营，取得了良好的变形控制效果。
根据上海第⑨层的现场试验和工程实践，得到以下结论：第⑨层渗透系数大，单井涌水量大，是强透水性含水层；
第⑨层采用短滤管井结构，可减少隔水帷幕深度，节约工程造价；
第⑨层减压降水沉降修正系数，应通过群井抽水变形试验监测后反演确定。
关于上海第⑨层的水文地质特性的研究，应在如下几个方面进一步开展工作：开展第⑨层的静力触探试验研究；
进一步积累第⑨层现场抽水试验和变形监测数据。
