劉祥勇 龍瑩瑩 景旭成 洪小星 樊冬冬 譚 勇

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇南通 226000；2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092；3.四川省建筑科學(xué)研究院有限公司，四川成都 610081）

0 引言

為滿足城市的快速發(fā)展和對(duì)交通建設(shè)的迫切需求，大量市政設(shè)施規(guī)劃和修建，不可避免地涉及到各種類型的基坑開(kāi)挖。特別是在富水砂性地層中，地下水的存在使得基坑的開(kāi)挖和支護(hù)面臨更多的挑戰(zhàn)，若不采取合適的降水措施，地下水會(huì)對(duì)基坑造成破壞，發(fā)生如基坑突涌、坍塌等事故，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至危及生命安全[1?4]。

降水措施的采取能夠在一定程度上保證基坑開(kāi)挖和支護(hù)的安全穩(wěn)定。但當(dāng)基坑內(nèi)進(jìn)行大面積的減壓降水時(shí)，基坑外水位會(huì)發(fā)生一定程度的下降，引起地表不均勻沉降，從而引發(fā)周邊建（構(gòu)）筑物變形[5?7]。止水帷幕的結(jié)構(gòu)不同，對(duì)降水的難度及周邊環(huán)境的影響有較大的差異[8]。因此，有必要在進(jìn)行基坑施工前查清地層的水文地質(zhì)特征，為優(yōu)化圍護(hù)設(shè)計(jì)和基坑降水設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，確?；邮┕ぐ踩?/p>

本文基于現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)對(duì)富水砂性地層各含水層的水文地質(zhì)特征（水力聯(lián)系、影響半徑）及隔水層的不透水性進(jìn)行了探討分析；結(jié)合三維有限差分反演獲取了該地層主要含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。

1 工程概況

本文主要針對(duì)軌道交通站點(diǎn)的基坑展開(kāi)抽水試驗(yàn)，以獲得該站點(diǎn)的工程水文地質(zhì)條件，給該基坑的地下水控制設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。該站設(shè)定為地下三層車站，標(biāo)準(zhǔn)段埋深26.01 m，端頭井埋深27.34~28.50 m，止水帷幕整體墻深54 m，采用鉆孔樁的樁基形式，樁長(zhǎng)35 m，施工方式為半蓋挖順作法。該站點(diǎn)周圍存在多棟高層建筑物（最高達(dá)22 層），需謹(jǐn)慎控制周圍建筑物的變形。

1.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，該站點(diǎn)屬?zèng)_?海積水網(wǎng)化平原Ⅱ-2 區(qū)地貌類型，其地層隸屬長(zhǎng)江下游沖積平原，第四系地層發(fā)育，一般厚度達(dá)200 m 以上。經(jīng)勘察，勘探深度范圍內(nèi)自上而下劃分為7 個(gè)工程地質(zhì)單元層、12 個(gè)亞層。土體類型較復(fù)雜，性質(zhì)差異較大，地層從下更新統(tǒng)至全新統(tǒng)一般均有發(fā)育，成因類型較多，主要有河流相、河海相等。典型地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 地質(zhì)剖面圖

1.2 水文地質(zhì)條件

該站點(diǎn)臨近河道，河道水位可人工控制，水位一般為2.5~3.0 m。站點(diǎn)地下水主要為潛水含水層、微承壓含水層及承壓含水層。

潛水主要賦存于淺部粉土、粉砂、填土層中，含水層總厚度大，含水量較豐富。根據(jù)區(qū)域經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地潛水與周邊河道水存在一定水力聯(lián)系，因此該基坑工程應(yīng)重視河道水位變化導(dǎo)致的不利影響。場(chǎng)地潛水水位埋深為1.1~2.8 m，平均水位埋深為2.18 m。

第Ⅰ承壓水一般賦存于④2層和⑤t層以下的砂土、粉土層中，即⑤1層粉砂夾粉土、⑤2砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑤3粉砂夾粉土、⑥層粉砂以及⑦層粉細(xì)砂，主要接受徑流及越流補(bǔ)給，水頭埋深2~5 m。該站點(diǎn)承壓水的上部分布了相對(duì)隔水層④2層粉質(zhì)黏土夾粉土，但是該層厚度較薄且?jiàn)A粉土。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，場(chǎng)地承壓水和潛水存在一定水力聯(lián)系。

2 抽水試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）通過(guò)單井和群井抽水試驗(yàn)，判斷各含水層的水力聯(lián)系及不透水性，計(jì)算第⑤1、③層的影響半徑；

（2）通過(guò)群井抽水試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬反演，測(cè)定第③1、③2、④2t、⑤1、⑤2、⑤3層各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)，包括各含水層的單位涌水量、滲透系數(shù)、貯水系數(shù)。

2.2 試驗(yàn)井布置

為了確定水文地質(zhì)參數(shù)，場(chǎng)地平面位置和試驗(yàn)井布置如圖2、圖3所示，試驗(yàn)井所對(duì)應(yīng)的含水層和結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)表

圖2 抽水場(chǎng)地平面位置圖

3 結(jié)果分析

3.1 初始水位量測(cè)

在正式的抽水試驗(yàn)前，對(duì)（微）承壓水初始水位進(jìn)行了連續(xù)的觀測(cè)，靜止水位統(tǒng)計(jì)信息如表2所示。由此可得，潛水靜止水位埋深取2.7 m、絕對(duì)標(biāo)高+3.0 m；④2t層靜止水位埋深取4.0 m、絕對(duì)標(biāo)高+1.74 m；⑤1層靜止水位埋深取4.0 m、絕對(duì)標(biāo)高+1.58 m；第⑤2、⑤3層靜止水位埋深取地面以下4.30 m，絕對(duì)標(biāo)高+1.11 m。

表2 各含水層靜止水位統(tǒng)計(jì)信息

3.2 單井試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)第⑤1層和第③層進(jìn)行單井試驗(yàn)，觀察各觀測(cè)井的水位降深情況，可以確定對(duì)應(yīng)抽水井的平均涌水量和地層的透水性。同時(shí)，根據(jù)抽水井所在同一深度處的兩個(gè)觀測(cè)井的水位降深，可以計(jì)算得到該土層的影響半徑。

3.2.1 第⑤1層單井試驗(yàn)

在試驗(yàn)期間，抽水井G51-1 內(nèi)投入額定涌水量25 m3/h 的水泵進(jìn)行抽水，試驗(yàn)中的實(shí)際平均涌水量為10.42 m3/h。各井水位變化與時(shí)間關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 第⑤1 層單井試驗(yàn)水位降深歷時(shí)曲線

從圖4 中的水位變化歷時(shí)曲線可以看出，第⑤1層抽水時(shí)，同層觀測(cè)井中水位明顯下降；抽水持續(xù)1000 min 以后，地下水位下降速度減慢，水位下降幅度漸漸趨于穩(wěn)定；而上覆第③層及下伏第⑤2、⑤3層所在的觀測(cè)井中水位降深很小，近似水平。由此說(shuō)明第⑤1層與第③層、⑤2、⑤3層水力聯(lián)系不密切。

選取距離本次抽水試驗(yàn)的G51-1 抽水井16 m左右處的三個(gè)觀測(cè)井G3-2、G51-2、G523-2，繪制三個(gè)觀測(cè)井內(nèi)的水位降深值與所測(cè)地層深度的關(guān)系曲線，得到M-S曲線圖，如圖5所示。

圖5 M-S 曲線圖

通過(guò)觀察降水漏斗曲線的分布（見(jiàn)圖5），對(duì)分析土體應(yīng)力的變化和地層的不均勻沉降有幫助，有利于基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[9]。

從圖中可以看出，抽水井所在地層（第⑤1層）的水位降深最大，高于或低于抽水井所在地層的其他層水位降深相對(duì)較小，表明該層的滲透性差，為相對(duì)隔水層。

通過(guò)第⑤1層單井試驗(yàn)，得到抽水井G51-1 的同層觀測(cè)井G51-2、G51-3 的水位降深分別為3.41 m和2.20 m。根據(jù)兩個(gè)同層觀測(cè)井的水位降深大小，結(jié)合影響半徑的計(jì)算公式（1），可以得到第⑤1層的影響半徑：

式中：R為影響半徑，m；s 為觀測(cè)井水位降深，m；r 為觀測(cè)井到抽水井的距離，m。

代入G51-2、G51-3 的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算：

由以上計(jì)算公式可以得到第⑤1層的響半徑為135 m。

3.2.2 第③層單井試驗(yàn)

在試驗(yàn)期間，向抽水井G3-1 內(nèi)投入額定涌水量15 m3/h 的水泵進(jìn)行抽水，試驗(yàn)中的實(shí)際平均涌水量為10.42 m3/h。各井水位變化與時(shí)間關(guān)系曲線如圖5所示。

從圖6 中可以看出，第③層抽水時(shí)，同層觀測(cè)井中水位平穩(wěn)下降，抽水持續(xù)200 min 以后地下水位下降到最低值，之后水位略有回升，并最終趨于穩(wěn)定。而監(jiān)測(cè)下伏第⑤1層及下伏第⑤2、⑤3層的觀測(cè)井內(nèi)水位基本無(wú)變化，說(shuō)明第③層與第⑤1、⑤2、⑤3層水力聯(lián)系不密切。綜合第⑤1層單井試驗(yàn)的結(jié)果，可以推斷出相對(duì)弱隔水層位于第③層和第⑤1層之間。選取距離本次抽水試驗(yàn)的G3-1 抽水井16 m 左右處的三個(gè)觀測(cè)井G3-2、G51-2、G523-2，繪制三個(gè)觀測(cè)井內(nèi)的水位降深值與所測(cè)地層深度的關(guān)系曲線，得到M-S曲線圖見(jiàn)圖7。觀察圖7 可以發(fā)現(xiàn)，隨著地層深度的增加，水位降深大幅度減小，位于抽水井所測(cè)地層以下的地層水位降深均接近于0。

圖6 第③層單井試驗(yàn)水位降深歷時(shí)曲線

圖7 M-S 曲線圖

通過(guò)第③層單井試驗(yàn)，得到抽水井G3-1 的同層觀測(cè)井G3-2、G3-3 的水位降深分別為2.2 m 和0.8 m。根據(jù)兩個(gè)同層觀測(cè)井的水位降深大小，結(jié)合影響半徑的計(jì)算公式（1），可以得到第③層的影響半徑R。

由以上計(jì)算公式可以得到第③層的影響半徑為57 m。

3.3 群井試驗(yàn)

對(duì)第⑤1層和第⑤2、⑤3層開(kāi)展群井抽水試驗(yàn)，得到抽水井的涌水量和各觀測(cè)井的水位降深隨時(shí)間變化的發(fā)展規(guī)律，為數(shù)值模擬的參數(shù)確定提供依據(jù)和驗(yàn)證。

3.3.1 第⑤1層群井抽水試驗(yàn)

在本次群井抽水試驗(yàn)中，選取K1?K4 共四口井作為抽水井，期間對(duì)觀測(cè)井的水位進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，直到水位穩(wěn)定為止。試驗(yàn)共歷時(shí)約6 天，其中K1?K4 抽水井平均涌水量分別約為1.02 m3/h、17.78 m3/h、20.96 m3/h、11.47 m3/h。各觀測(cè)井水位降深與時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖8。

圖8 第⑤1 層群井試驗(yàn)水位降深歷時(shí)曲線

由圖8 可以看出，同層水位出現(xiàn)明顯下降直到趨于穩(wěn)定，其余各層水位變化不太明顯，地下水位趨于穩(wěn)定。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，同層（第⑤1層）觀測(cè)井G51-1?G51-3 水位降深分別為11.60 m、10.01 m、8.99 m；而上覆第③層最大水位降深約為54 cm，約占第⑤1層同距離觀測(cè)井水位降深的5%；下伏第⑤2、⑤3層最大水位降深約為71 cm，約占第⑤1層同距離觀測(cè)井水位降深的6%。由此可見(jiàn)，第③層、第⑤2、⑤3層與第⑤1層水位聯(lián)系不密切，再次證明了第④2層透水性較差。

選取距本次抽水試驗(yàn)中心約16 m 處的三個(gè)觀測(cè)井G3-2、G51-2、G523-2，繪制觀測(cè)井內(nèi)水位降深值與地層深度的關(guān)系曲線，如圖9所示。從圖中可以看出，降水漏斗曲線呈傾倒的v 字形分布，僅抽水井所在的地層發(fā)生了較大的水位降深。表明④2t和⑤t隔水層透水性較差，為相對(duì)隔水層。

圖9 M-S曲線圖

3.3.2 第⑤2、⑤3層群井試驗(yàn)

選取抽水井G523-1、G523-2 共2 口井對(duì)第⑤2、⑤3層進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)，期間對(duì)觀測(cè)井的水位進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，直到水位穩(wěn)定為止。試驗(yàn)共歷時(shí)約4 天。其中，G523-1、G523-2 抽水井平均涌水量分別為14.02 m3/h、16.19 m3/h。在抽水期間，各觀測(cè)井水位降深與時(shí)間關(guān)系曲線如圖10所示。由圖10 可以看出，同層水位中觀測(cè)井G523-3（測(cè)第⑤3層水位）的水位降深最大，觀測(cè)井T52-1、T52-2（測(cè)第⑤t層水位）水位降幅變化相對(duì)較小。且根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，G523-3最大水位降深為1.68 m，與其處于同位置的T52-2觀測(cè)井水位降深約為0.21 m，占G523-3 的12.5%。由此可見(jiàn)，第⑤t層與第⑤3層存在一定程度水力聯(lián)系（見(jiàn)圖11），但透水性較差，說(shuō)明第⑤2層為弱透水層。而上覆的第⑤1層水位（由觀測(cè)井G51-1?G51-3 監(jiān)測(cè)）基本無(wú)變化，說(shuō)明第⑤t層的隔水性較好，為相對(duì)隔水層。

圖10 第⑤2、⑤3 層群井抽水試驗(yàn)水位降深歷時(shí)曲線

3.4 土層水文參數(shù)確定

根據(jù)本工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件，結(jié)合抽水試驗(yàn)結(jié)果，建立地下水滲流的三維計(jì)算數(shù)值模型，采用數(shù)值模擬反演分析的方法計(jì)算含水層的水文地質(zhì)參數(shù)。這種方法已被廣泛用于水文地質(zhì)參數(shù)的求解[10?12]，在分析抽水試驗(yàn)結(jié)果求解含水層水文地質(zhì)參數(shù)時(shí)，數(shù)值方法更有優(yōu)勢(shì)，尤其是在復(fù)雜水文地質(zhì)條件下。其過(guò)程為：在三維計(jì)算模型中設(shè)置抽水井，將抽水試驗(yàn)井涌水量代入三維數(shù)值模型中，進(jìn)行群井抽水試驗(yàn)的數(shù)值模擬計(jì)算。對(duì)比計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)的觀測(cè)井水位變化，不斷調(diào)整并優(yōu)化相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，得到合理的承壓水分析參數(shù)。圖12 為抽水試驗(yàn)觀測(cè)井的實(shí)測(cè)降深曲線與數(shù)值模擬取得的計(jì)算降深曲線的對(duì)比。

從抽水試驗(yàn)的模擬分析結(jié)果（見(jiàn)圖12）可以看出，三種抽水試驗(yàn)中數(shù)值模擬得到的水頭降深和實(shí)測(cè)水頭降深的規(guī)律變化基本一致，說(shuō)明數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好地反映群井和單井抽水試驗(yàn)降水過(guò)程中的觀測(cè)井水位變化，滿足工程精度要求。

通過(guò)以上的三維數(shù)值計(jì)算反演分析，獲得的主要含水層的水文地質(zhì)參數(shù)見(jiàn)表3，包括各地層的滲透系數(shù)、導(dǎo)水系數(shù)和貯水率。

表3 水文地質(zhì)參數(shù)表

3.5 沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了初步掌握降水對(duì)地層沉降變形的影響規(guī)律，在試驗(yàn)場(chǎng)地布置了若干個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取了10 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行繪制，得到地面累計(jì)沉降隨時(shí)間變化的歷時(shí)曲線（見(jiàn)圖13）。首先進(jìn)行了第⑤1層單井試驗(yàn)抽水試驗(yàn)，然后依次是第⑤1層群井抽水試驗(yàn)、第③層單井抽水試驗(yàn)，最后是第⑤2、⑤3層群井抽水試驗(yàn)。

從圖13 中曲線可以看出，第⑤1層單井試驗(yàn)抽水期間沉降量較小，單井抽水水位恢復(fù)后，沉降恢復(fù)較為緩慢；第⑤1層群井試驗(yàn)抽水時(shí)間較長(zhǎng)，抽水期間內(nèi)地面緩慢下降，水位恢復(fù)后，沉降回彈約25%，并最終達(dá)到穩(wěn)定；第③層單井試驗(yàn)抽水時(shí)間較短，但地面沉降較為明顯，水位恢復(fù)后，地面沉降迅速回彈至穩(wěn)定；第⑤2、⑤3層群井試驗(yàn)抽水完成后，地面沉降的發(fā)展表現(xiàn)出了一定滯后性，水位恢復(fù)后，地面沉降回彈約40%。由此可以看出，抽水試驗(yàn)降水引發(fā)的沉降相對(duì)穩(wěn)定后，后期的水位恢復(fù)后短期內(nèi)沉降不能恢復(fù)，滯后效應(yīng)明顯。

圖13 地面累計(jì)沉降隨時(shí)間變化歷時(shí)曲線

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)深基坑所在站點(diǎn)展開(kāi)抽水試驗(yàn)，對(duì)富水砂性地層中各含水層的水力聯(lián)系、不透水性及影響半徑進(jìn)行了分析；通過(guò)群井抽水試驗(yàn)和三維數(shù)值模擬反演，測(cè)定了主要含水層各項(xiàng)水文地質(zhì)參數(shù)；并結(jié)合抽水試驗(yàn)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)降水引起的地表沉降進(jìn)行初步的探討分析。為后續(xù)基坑降水系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持，確?；邮┕ぐ踩?，主要結(jié)論如下：

（1）本次試驗(yàn)期間觀測(cè)到的靜止水位數(shù)據(jù)可以作為后期降水設(shè)計(jì)的參考，并應(yīng)充分考慮水位季節(jié)性變化情況。

（2）根據(jù)水位降深值，計(jì)算了單井試驗(yàn)所在地層的降水影響半徑，其中第⑤1層的影響半徑為135 m，第③層的影響半徑為52 m。

（3）本工程第③、⑤1、⑤2、⑤3層水位聯(lián)系不密切，第④2、⑤t層透水性差，可作為相對(duì)隔水層，第⑤2層透水性較差，為弱透水層。

（4）試驗(yàn)抽水后產(chǎn)生了一定的沉降量，水位恢復(fù)后，地面沉降并不能完全恢復(fù)，回彈約40%。因而，在后期基坑降水過(guò)程中，應(yīng)采取抽灌一體化來(lái)控制保護(hù)對(duì)象因降水引起的附加變形。