复杂地质条件下基坑降水的引渗疏干技术分析

陆庆皓

(江苏省水文水资源勘测局 南京分局，南京 210008)

0 引 言

为解决城市交通问题，对城市地下空间的开发和利用成为发展新趋势，随着基坑开挖深度越来越深，造成的基坑面积则越来越大。南京沿海开发城市地下面积不断扩大，推动了长江漫滩地带的地下工程建设。南京长江漫滩地区属于典型的二元结构，深基坑工程容易受到地下水的影响引起基坑突水事故，造成工期延误、基坑坍塌，严重影响周边居民的正常生活。引渗疏干技术可以将基层的地下水引入下部水层中，主要利用钻孔进行引导，达到疏干上部地层水的目的[1]。这种降水方法适用多层地下水基坑工程，含水层的透水性及稳定性要保持良好，且含水层水位不得高于基底。不管是引渗自降还是引渗抽降，都是降低水位的有效方法。引渗井可以是裸井，也可以是管井。裸井的原理是成孔后直接在孔中回填砂料；管井的原理是成孔后在孔中安装过滤的水管，根据实际情况对井周进行滤料填入[2]。鉴于此，本文结合南京长江漫滩，对基坑降水的引渗疏干技术进行探讨。

1 工程概况

根据地质勘测报告，南京有将近一半以上的地域位于长江及秦淮河古河道漫滩区，工程地质条件极为复杂，地质软弱。上部以黏性土为主，下部以砾石层、砂为主。南京梅子洲过江通道及青奥轴线地下交通系统位于长江夹江东南岸，隶属于长江古河道漫滩区。南京梅子洲过江通道地下工程地处漫滩，地层条件复杂，基坑工程受到地下水的威胁，降水难度大。由梅子洲主线隧道、滨江大道组成的南京梅子洲过江通道地下工程属于3层框架结构，采用明挖暗埋的方式进行施工，采用大放坡开挖方式，最大开挖深度大于25 m，长度和宽度约为250和300 m[1]。

地面下8 m开挖土方35×104m3，达到8 m后再开挖主隧道及匝道，开挖土方20×104m3。本工程拥有特殊的地质条件，开挖期间的用水量超过15 m3，工程完工后要抽出6 000×104m3的水。因此，根据基坑开挖的深度，采用放坡、钻孔桩的方式进行基坑围护。

2 地质条件

南京长江漫滩地区地面高程约为5～8 m， 第四系土层厚度局部深度大于70 m，上部分布较厚的漫滩相淤泥、黏土；中部为沉积层，厚度大，局部含有软土夹层；下部具有二元结构特征，有砂土、砾砂土质分布。水文工程地质条件中以二元结构为主，上部为高压缩性的淤泥，下部为承压含水层，对深基坑工程的施工影响较大。其地质剖面图见图1。

图1 地质剖面图

水文工程具体地质特征如下[2]。

2.1 承压水头高

承压含水层厚度大，平均厚度约为40～60 m；具有较好的渗透性，根据相关试验材料显示，上部粉砂层的渗透性系数为7.2～23 m/d，下部渗透性系数为22～55 m/d；强度大，单井出水量约为5 500 m3/d。承压含水层与江水之间的关系决定了承压水头的高低，长江水位标高说明承压水头标高，最高可达10 m，基坑工程随时面临着高承压水的问题。

2.2 含水层存在各向异性

在南京长江漫滩地区形成的过程中，由于沉积环境的变化，导致下部承压含水层中沉积黏性土夹层，导致承压含水层出现各异性特点[3]，水平方向的渗透性严重超标。对本工程进行现场抽水试验，得到水平渗透系数远远高于垂直渗透系数。薄层黏性土夹层会妨碍垂直方向的运动，影响基坑工程的降水效果。在明挖阶段，整个工程的地下水位降低数米，在开挖时仍然会遇到薄层黏性土夹层[3]。

2.3 沉降变形

漫滩区上部的软土地层含水量大、压缩性高，容易发生沉降变形，含水层厚度的增加会使基坑工程的维护结构无法进入隔水层，在降水时坑外地下水位降低，造成沉降变形，容易对周边建筑物造成破坏[4]。

2.4 坑底突涌

基坑开挖深度的不断增加，承压含水层的厚度逐渐减小，其重量无法承受水头压力，从而发生突涌破坏，见图2。坑底突涌事故大多是由于坑内承压水头未得到有效控制，无法满足基坑底板的稳定性条件，亦或是在进行地质勘探钻孔时，承压水沿桩周冒出。

3 引渗疏干工程设计

该工程的基坑开挖面积约为6×104m2，整个基坑在开挖时形成盆式结构，先进行放坡开挖，再进行主线隧道开挖及匝道基坑开挖。引渗疏干技术原理见图3。

图3 引渗疏干原理图

3.1 放坡开挖引渗井设计

盆式结构的基坑开挖范围以淤泥质粉质黏土层为主，该层透水性差，对土方开挖影响大。坑底2～3 m为粉砂、粉细砂承压含水层，透水性好。因此在开挖过程中，首先要严格按照表1所示的不同坡比对应的倾角，完成对边坡开挖参数的设计。

表1 不同坡比对应的倾面

需要充分考虑土体疏干及承压含水层的降水问题。盆式基坑在开挖过程中，没有任何的支撑防护，管理难度大，如果在每一个降水井中都安装抽水泵，则现场的管线密度分布较大，影响土方开挖的进度及抽水连续性，导致降水效果降低，影响施工进度。因此，为了保证基坑的安全性，让基底与承压含水层距离拉近，再使用引渗疏干技术将地下水引渗到承压含水层中，达到疏干的目的。

3.2 涌水量预测

采用敞开式降水的方式进行放坡开挖。根据涌水量预测的计算公式对涌水量预测进行计算。

=45 170.97(m3/d)

(1)

根据引用影响半径的计算公式：Q0=r0+Q，将45 m，220 m两个值分别带入到水层深度r0和水位降深Q中，得出引用影响半径的Q0值为265 m。

根据式(2)计算单井出水能力：

(2)

将0.15 m，9 m，39 m/d分别带入到半径r、长度l和渗透系数k中，得到单井出水能力p的值为1 381 m3/d，接下来，再将单井出水能力p值带入到式(3)中，同时将63 m3/d带入到总涌水量P中，算出降压井数量N的值为50。

N=1.1P/p≈50

(3)

基坑在开挖的过程中，使降压井保持连续降水的状态，需要保证井位不受施工影响。将降压井分圈设置，在基坑边坡二级平台布置33口井，距离边坡二级平台13 m，降压井深20 m；在主线隧道处布置17口井，降压井深35 m[5]，作为主线隧道基坑的备用井。见图4。降压井深35 m，主线隧道基坑外降压井深40 m，泥孔径为750 mm，边坡上降水井易于保护，因此采用造价低的内径400 mm、外径500 mm的无砂混凝土滤管，主线隧道的降压井采用钢管最为合适。

图4 降井结构图

3.3 引渗井设计

为方便土方开挖及施工作业，对开挖范围中的土体进行疏干，为施工现场提供一个良好的施工环境。淤泥质粉质黏土层的透水性较差，因此对该地层进行疏干时，需要根据有效疏干面积进行确定。有效疏干面积的经验值需要根据土体的特性来确定，本次设计的引渗疏干井的取值范围在150～250 m2，整个盆式基坑设置90口疏干井。同时，为了增加引渗疏干井的质量，需要经常对引渗井进行抽水操作。因此，本次采用的引渗井为安设井管，井管不需要拆卸。井深16 m，承压含水层为5 m，采用无砂混凝土滤管[5]。

对坑中坑区域引渗井进行设计，主线隧道结构为地下连续墙，匝道为灌注桩，基底需要进入到承压含水层中，将水位降低到1 m以下，当降低到1 m以下之后，砂层中的地下水将不存在。但根据资料显示，粉质黏土夹层的存在，导致含水层的水力联系变差，在围护结构深度范围中形成多层地下水，导致井水位低于基底，出现滞水现象[4]。

当布置坑内降水时，需要先降低地下水位。对于基底以上的疏干问题，如果增加疏干井会导致成本增加，如果采用混合井需要解决降水井封井问题。因此，坑中坑区域就可以采用引渗疏干技术进行降水井结构设计，将滤管设置在基底以下的地层中，滤料回填至地下水位附近。对于基底以下的地下水，可以通过滤管的方式将地下水引入降水井中，开挖范围内的地下水通过滤料引入基底，完成引渗疏干设计，达到疏干的目的，解决封井问题。

4 结 语

将引渗疏干技术应用到本工程中，得到了良好的疏干效果。基坑降水在设计的过程中，需要考虑到场地的水文地质条件，结合实际情况进行降水设计。

对于多含水层系统，需结合开挖条件及围护条件进行引渗疏干设计，引渗井不存在电路铺设与封井问题，在保证疏干效果的同时降低了工程费用。

根据工程基坑中不同位置的开挖效果，结合上部地层的地质特点，在边坡上设置引渗疏干井，可以保证边坡的稳定，达到疏干的目的。同时也有利于土方的开挖速度及浇筑速度，保证基地快速封底，引渗疏干技术在深大基坑工程中的成功实施对于类似工程具有十分重要的参考意义。