侯國倫

(湖北省城市地質(zhì)工程院，湖北 武漢　430072)

1　工程概況

武漢永清街綜合商務(wù)區(qū)A1、A2、A3地塊由三座超高層塔樓及多層裙樓建筑組成,樓高分別為:A1塔樓320 m(75層)、A2塔樓130 m(33層)、A3塔樓160 m(38層),規(guī)劃地上總建筑面積403 754 m2。三地塊設(shè)置三層連體地下室,基坑周長1 047 m,開挖深度塔樓區(qū)為16.1～21.3 m,其他區(qū)域為15.4 m,基坑開挖面積39 800 m2,擬采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為基坑圍護體。項目位于武漢市漢口永清商務(wù)區(qū),西臨武漢輕軌1號線,南為盧溝橋路,東臨中山大道,北面為長江二橋漢口引橋,周邊環(huán)境條件較為復(fù)雜,環(huán)境保護要求高,基坑工程重要性等級為一級。

基坑底部已進入承壓含水層中,基坑工程實施過程將面臨嚴峻的承壓水突涌和管涌問題,并可能波及周邊建筑及基礎(chǔ)設(shè)施,因此,必須采取降水措施。為提高降水設(shè)計的可靠性,采用群井(中深井)抽水試驗獲取隔水、降水參數(shù)。

2　場區(qū)地層結(jié)構(gòu)與水文地質(zhì)條件*湖北地礦建設(shè)勘察有限公司，武漢永清綜合發(fā)展項目A1/2/3地塊巖土工程勘察報告，2011。

2.1　地層結(jié)構(gòu)

場區(qū)地層為典型的“二元結(jié)構(gòu)”,即上粘下砂,第四系覆蓋層厚度達40余米,地層結(jié)構(gòu)自上而下依次為:

(1) 雜填土(Qml)，雜色,結(jié)構(gòu)松散,性質(zhì)不均;

(4) 含砂礫巖(K-E),砂礫結(jié)構(gòu),鈣質(zhì)膠結(jié),礫石粒徑一般1～5 cm,強風(fēng)化層中節(jié)理裂隙發(fā)育,中風(fēng)化層巖芯較完整。

2.2　水文地質(zhì)條件

場區(qū)地貌屬長江一級階地,西距長江約1 km左右,地面高程在22.22～24.98 m之間,較平坦。各層組地下水條件簡述如下:

(1) 雜填土層地下水類型主要為上層滯水,接受大氣降水補給,水量少,無統(tǒng)一自由水位,水量與周邊排泄條件關(guān)系密切。由于結(jié)構(gòu)松散、局部厚度大,其地下水疏干易導(dǎo)致地面沉降的產(chǎn)生。

(2) 粘性土層根據(jù)室內(nèi)滲透試驗測試,粘性土水平向滲透系數(shù)一般在1.44×10-7～7.85×10-7cm/s之間,為極微透水,屬相對隔水層。但(2-1)及(2-3)層夾粉土、粉砂等,其水平滲透系數(shù)大于垂直滲透系數(shù),在滲透水流作用下易產(chǎn)生流土、流砂。

承壓水賦存于(3-1)層以及下砂性地層、卵石層及基巖裂隙中,與長江水系有緊密的水力聯(lián)系,并受其調(diào)節(jié)和控制,形成上下連通的大含水層。

根據(jù)區(qū)域水文資料表明,武漢地區(qū)長江一級階地砂土層中的承壓水水頭高度年變化幅度在3.0～5.0 m之間,孔隙承壓水歷史最高水位為22.0 m。試驗期間為長江平水期。通過對抽水井與水位觀測孔的水位觀測,承壓水水位埋深在地面以下10.80～11.40 m,相當于標高12.60～12.80 m 左右,低于正常承壓水位5.60～5.80 m。這是因為與本場地相隔的中山大道的A5地塊深基坑群井抽水,使場地承壓水位下降(A5區(qū)共有18口井進行群井降水,單井流量960～1 540 t/d)。

3　試驗方案

3.1　基本思路

抽水試驗場地按以下原則選擇：①試驗場地水文地質(zhì)特征具有代表性；②具備施工條件，不影響未來施工場地布置；③試驗場地內(nèi)抽水試驗不會對周邊建筑產(chǎn)生不良影響;④試驗場地布置于排水便利地段。

抽水試驗主要以承壓含水層(3)粉砂、粉細砂層為降水目標層,試驗包括三個方面:①單井抽水試驗;②群井抽水試驗;③在抽水試驗全過程中進行地面沉降觀測,根據(jù)降水可能的影響范圍布設(shè)沉降觀測點,以試驗區(qū)為中心,按由密而疏的原則布設(shè)。試驗方案布設(shè)見圖1。

3.2　抽水井與觀測井

本次抽水試驗共設(shè)抽水井4口,水位觀測井4口,抽水試驗井編號為C1、C2、C3、C4,觀測井G1、G2、G3、G4。抽水井井距為15 m,G1觀測井設(shè)于抽水井點正方形中心,與抽水井同深度,其余三個觀測井以G1為圓心,按3 m半徑等距離分布,以確定同等降水條件下,不同觀測層位地下水變化情況(圖1)。

圖1　試驗井點及沉降觀測布置圖Fig.1　Layout drawing of points of test well and settlement observation

抽水井、觀測孔孔徑均為Φ600 mm,井管直徑分別為Φ325 mm、Φ220 mm,鋼質(zhì)井管,壁厚≥3.0 mm,濾管管眼直徑18 mm,呈梅花型排列,孔隙率≥15%,上部隔水層采用3～5 cm粘土球止水,下部含水層濾料為2～5 mm砂礫石。各試驗井(孔)參數(shù)見表1。

4　群井抽水試驗

4.1　單井試驗

4.1.1試驗情況

C1作為抽水井,井深40 m,抽取粉砂、粉細砂地層中承壓水,C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4觀測地下水位變化。C1與C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4距離分別為15 m、20 m、15 m、12.0 m、10.0 m、14.0 m、8.0 m。抽水情況見表2。

4.1.2主要水文參數(shù)計算

根據(jù)場地含水巖組的水文地質(zhì)特征及抽水主井過濾器的下置深度及長度,選用帶二個觀測孔(G2和C3)的穩(wěn)定流承壓非完整井條件下的對應(yīng)計算公式計算水文地質(zhì)參數(shù)滲透系數(shù)(K),即[1-2]:

(1)

影響半徑(R)計算公式選用經(jīng)驗公式,即：

(2)

根據(jù)公式(1)、(2),水文地質(zhì)參數(shù)計算結(jié)果如下:

K1=20.24 m/dR1=80 m

K2=18.02 m/dR2=100 m

K3=19.1 m/dR3=230 m

綜合分析,Kcp=19.12 m /d,R=230 m。

4.2　群井試驗

4.2.1試驗情況

群井抽水試驗于2010年5月15日7:30開始,至5月28日12:30結(jié)束。群井抽水試驗以C1、C2、C3、C4同時抽水,G1、G2、G3、G4進行水位觀測,4口井啟動抽水后出水基本正常。C1平均總出水量81.0 m3/h,C2平均總出水量80.0 m3/h,C3平均總出水量75 m3/h,C4平均總出水量80 m3/h(表3)。

4.2.2水文參數(shù)計算

表2　三次降深抽水試驗成果統(tǒng)計表Table 2　Statistical table of results of three pumping tests of drawdown

表3　群井抽水試驗數(shù)據(jù)表Table 3　Data table of test of multiple wells pumping

試驗表明上述單井出水量條件下水位均大于基坑最大深度18.00 m要求。

水位觀測孔降深由于孔深不同和含水介質(zhì)的各相異性,故水位降深各不相同,上部為相對隔水層粘土和粉質(zhì)粘土,其補給是同一含水層的側(cè)向補給,不存在越流補給。單井出水量80 m3/h,可保證水位迅速降低達到降深要求。采用大井法計算滲透系數(shù),計算公式如下:

假定K、M、R、r不隨Q、Sw的變化,則Q、Sw成正比關(guān)系。本次試驗Q=7 584 m3/d、Sw取G1觀測孔降深4.46 m,半徑r為10.6 m,含水層厚度M為35.5 m。計算K=23.43 m/d,R=216 m。

4.3　地面沉降

為分析降水對周邊地面沉降的影響，分別進行了地表及建筑物沉降觀測，監(jiān)測時間從2010年4月30日—2010年6月15日，并于2010年7月15日進行了最后一次監(jiān)測。

從實際的地表監(jiān)測情況來看,隨著降水井開始降水,離降水井近的監(jiān)測點的沉降增加較明顯。尤其以降水井中心半徑60 m范圍內(nèi)的監(jiān)測點的變化為主(圖2)。其中DB63,DB64,DB65點離降水井較遠,其所在的地段靠近在建的A5地塊,A5地塊的基坑正在實施24 h不間斷降水,距基坑邊最近約6 m(DB65),最遠約10 m(DB63),因此DB63-DB65點的沉降變化并不能真實地反映A1A2A3降水井所產(chǎn)生的影響,其主要反映的是A5地塊在基坑開挖及基坑降水期間對周邊地表所產(chǎn)生的影響,且影響較明顯,而與之對應(yīng)的DB66、DB67、DB68點的沉降卻一直很小,基本沒有什么變化。監(jiān)測點的變化情況如下:累計沉降<5 mm的占61%,>20 mm的僅占3%?？傮w來說,此次降水并未對周邊地表產(chǎn)生特別明顯的影響。地表最大沉降量為32.44 mm(DB65),最小沉降量為0.16 mm(DB58)。

圖2　地表沉降變化與時間關(guān)系曲線Fig.2　Relation curve of sedimentation changes of surface and time

降水開始前的最大累計沉降變化為1.41 mm(DB32)，最小沉降變化為-0.05 mm(DB5)。

降水期間的最大累計沉降變化為13.85 mm(DB28)，最小沉降變化為-0.05 mm(DB51)。

降水停止，最大累計沉降變化為2.22 mm(DB10)，最小沉降變化0.00 m。

降水開始，沉降增加相對較快，降水停止，水位可得以很快恢復(fù)，沉降則趨于穩(wěn)定或停止。

降水試驗并未對周邊建筑物產(chǎn)生太大的影響,建筑物的累計沉降全部都<3 mm,在0.22～2.82 mm之間,均遠遠小于警戒值,建筑物處于穩(wěn)定狀態(tài)(圖3)。

圖3　建筑物沉降變化與時間關(guān)系曲線Fig.3　Relation curve of sedimentation changes of building and time

根據(jù)群井試驗及沉降檢測成果,與抽水試驗井距離較遠的DB63、DB64和DB65三個測點沉降最大,達到32.44 mm。出現(xiàn)此異常現(xiàn)象的原因是該三個測點與A5地塊基坑距離近,受A5地塊基坑降水影響所致。筆者收集了A5地塊降水資料,結(jié)合本次降水情況進行了共同作用的數(shù)值模擬。分析結(jié)果得出，降水后可能導(dǎo)致周邊沉降最大區(qū)域為共同作用區(qū)，模擬最大沉降值為46 mm，與監(jiān)測情況基本吻合。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，水位降深范圍與地表產(chǎn)生沉降范圍基本一致，約為中心井向外約60 m半徑區(qū)域，而產(chǎn)生明顯沉降范圍一般≤30 m，這與非共同作用區(qū)監(jiān)測情況也是基本對應(yīng)的。

總體來說，此次降水并未對周邊地表和建筑產(chǎn)生特別明顯的影響。因此，根據(jù)本次群井試驗條件進行工程降水達到降深時，基坑周邊一般不會產(chǎn)生明顯的沉降破壞。

5　基坑降水方案分析評價

根據(jù)單井試驗及群井試驗,含水層滲透系數(shù)(K)19.1 m/d,影響半徑選用230 m,當井深<40 m時,滲透系數(shù)及影響半徑將減小。結(jié)合模擬的基本條件,按以下兩種方案對基坑降水進行評價:

方案一周邊井深30 m,中部深40 m,滲透系數(shù)K值選K=19.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要為粉細砂層中的地下水,影響半徑為150,200 m。

周邊共需要42口抽水泵量50 t/h 降水井,井深30 m。中部6口抽水泵量75 t/h 降水井,井深40 m，總抽水量2 550 t/h。

基坑范圍內(nèi)水位降深7～10.5 m，最大沉降28 mm，外圍沉降一般<10 mm。

方案二周邊井深25 m,中部井深40 m,滲透系數(shù)K值選K=15.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要為粉細砂層中的地下水,影響半徑為120,200 m。

周邊共需要44口抽水泵量40 t/h 降水井,井深25 m。中部12口抽水泵量75 t/h 降水井,井深40 m，總抽水量2 660 t/h。

基坑范圍內(nèi)水位降深7～10.5 m，最大沉降36 mm，外圍沉降一般<10 mm。

根據(jù)數(shù)值模擬，兩種方案降水效果及外圍沉降情況基本相似，相比而言，方案二水位降幅較為均衡，但局部沉降偏大。二者降深及沉降值均小于試驗值，在效果和安全上應(yīng)可以滿足要求，實際實施時，可根據(jù)場地條件選擇不同方案或調(diào)整井管布置。

6　結(jié)語

(1) 群井抽水試驗?zāi)M基坑實施階段降水施工,在實驗條件下可盡可能接近設(shè)計降深,具有較好的試驗效果。

(2) 施工降水時,基坑帷幕已完成,坑外地下水大部被阻隔,降水井在同樣抽水量的條件下,水位降深會更大,降水效果會更好;在群井試驗基礎(chǔ)上,有利于將來實際基坑降水的實施控制,因而對實際基坑降水具有很好的指導(dǎo)作用。

(3) 基坑大面積降水時，由于施工周期長、干擾和不可預(yù)見因素較多，應(yīng)在降水過程中加強基坑變形、地面沉降等監(jiān)測工作，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。

(4) 由于其成本費用高且試驗周期長,從經(jīng)濟上分析，比較適用于周邊環(huán)境復(fù)雜、保護程度高的基坑項目。

參考文獻：

[1]GB50027—2001，供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范[S].

[2]水文地質(zhì)手冊[M].北京：地質(zhì)出版社,1978.