摘要：富水區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件下超深豎井工程施工期安全風(fēng)險(xiǎn)大，合理的滲控措施對(duì)保障超深豎井基坑施工期安全至關(guān)重要。以深圳市羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)隧道工程超深豎井為例，通過構(gòu)建超深豎井基坑三維滲流有限元模型，揭示了基坑開挖過程中斷層破碎帶和地連墻完整性等因素對(duì)滲流場(chǎng)的影響規(guī)律，并評(píng)估了豎井滲漏量及其滲透穩(wěn)定性等。結(jié)果表明：① 如不設(shè)地連墻，豎井開挖到底時(shí)滲流量高達(dá)4 018 m³/d，且對(duì)周邊區(qū)域地下水有明顯影響，影響范圍大于100 m。② 設(shè)置高噴式地連墻的滲控效果顯著，分步開挖過程中覆蓋層沒有滲透穩(wěn)定問題，澆筑底板后滲漏量可降至10 m³/d以下，同時(shí)地連墻也起到隔離區(qū)域地下水的作用，豎井周邊未形成降水漏斗，地下水位基本沒有變化。③ 若地連墻完整性出現(xiàn)問題其滲透系數(shù)增大一個(gè)量級(jí)時(shí)，相應(yīng)的滲漏量可能增大2倍以上。④ 斷層性態(tài)對(duì)豎井滲漏量也有一定影響，斷層充填物滲透系數(shù)由10^-4 cm/s增大至10^-3～10^-2 cm/s，滲漏量將增大12～80倍。對(duì)于超深豎井，特別是在地質(zhì)情況復(fù)雜、有斷層通過的部位，應(yīng)高度重視豎井地連墻施工質(zhì)量，保證墻體接頭部位的防滲效果，以滿足豎井滲流安全要求。研究成果可為超深豎井基坑滲控設(shè)計(jì)和施工提供依據(jù)。

關(guān) 鍵 詞：超深豎井；滲流；斷層破碎帶；地連墻；羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV672;TV223.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2024.10.022

0 引 言

隨著中國(guó)對(duì)地下空間開發(fā)力度的增大及深隧工程越來越多，超過40 m深的超深豎井越發(fā)多見^［1-3］，但因其施工難度大，地質(zhì)條件變化引起的潛在風(fēng)險(xiǎn)及豎井安全問題一直備受各方關(guān)注，特別是由于滲流引起的豎井穩(wěn)定問題更為突出。滲流可能導(dǎo)致豎井土體強(qiáng)度發(fā)生變化，還可能造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏、坑底突涌、圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向變形、豎井整體上浮等嚴(yán)重后果^［4-6］。工程中的各種滲控措施可以概括為“降、排、堵、截”4種方式^［7-8］。其中，“降”為主動(dòng)抽水降水措施^［9-14］；“排”為被動(dòng)導(dǎo)水排水措施^［15］；“堵”為堵截?fù)跛胧?sup>［^7］；“截”為地連墻、防滲帷幕或截滲洞等截?cái)酀B流措施^［16-17］。針對(duì)基坑滲控問題，目前多采用地下連續(xù)墻配合井點(diǎn)降水等方式對(duì)豎井周邊地下水進(jìn)行控制^［18-19］。

工程基坑滲流研究主要包括滲控措施、地下水降深、滲流量、滲透穩(wěn)定和滲流變形耦合等幾方面?；诹鞴恬詈侠碚摲治鰸B流場(chǎng)改變引起的基坑變形問題已有較為豐富的研究成果^［20-25］。如姜忻良等^［26］比較了不同土質(zhì)條件下滲流作用對(duì)基坑土體滲透穩(wěn)定性的影響。

基坑地下水滲流場(chǎng)研究以數(shù)值方法為主，解析方法較少。余俊等^［27-29］推導(dǎo)了成層土層、各向異性土層及地下水位波動(dòng)條件下基坑滲流場(chǎng)的解析解。付業(yè)偉^［30］、劉芳煒^［31］、張文侃^［32］等應(yīng)用ABAQUS有限元軟件模擬了基坑滲流場(chǎng)，并基于多元線性回歸方法建立了預(yù)測(cè)基坑降水的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。楊波^［33］、石裕^［34］等利用數(shù)值方法研究了基坑滲控措施及滲流場(chǎng)特征。段凱和石廣^［35］開展了二元結(jié)構(gòu)地層基坑滲流模擬，分析了降水井井深與降深的關(guān)系。李明芳^［36］研究了地鐵車站深厚地連墻支護(hù)下的基坑降水工藝。席彬彬^［37］、張耀輝^［38］、張偉^［39］等研究了止水帷幕深度對(duì)基坑滲流場(chǎng)的影響。陳濤^［40］研究了隔水帷幕繞流長(zhǎng)度對(duì)基坑降水的影響。李守德^［41］、姜渭漁^［42］、李偉科^［43］、鄧偉^［44］等分析了帷幕有效性缺陷對(duì)基坑滲流場(chǎng)的影響。以上研究討論了深基坑滲控系統(tǒng)對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響，但關(guān)于斷層破碎帶對(duì)基坑滲流場(chǎng)影響的研究較少。

本文以深圳市羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值模擬方法，針對(duì)超深豎井地連墻滲控方案進(jìn)行計(jì)算，分析豎井滲流場(chǎng)分布、滲流量和滲透穩(wěn)定性，同時(shí)分析斷層破碎帶對(duì)豎井滲流狀態(tài)的影響，以期為工程設(shè)計(jì)優(yōu)化與安全施工提供技術(shù)支撐和指導(dǎo)。

1 工程概況

羅田水庫(kù)—鐵崗水庫(kù)輸水隧洞工程是完善珠江三角洲水資源配置、實(shí)現(xiàn)西江來水在深圳市境內(nèi)分配與使用、解決深圳市西部片區(qū)供水布局調(diào)整的骨干工程。工程主要包括進(jìn)水口、出水口、輸水干線、深圳支線隧洞、3條分水支線、5座工作井（含1條水平洞，兼作檢修交通洞）、1座分水井及檢修交通洞等（圖1），其中輸水干線長(zhǎng)21.7 km。隧洞沿線區(qū)域地表水系及地下水豐富，部分洞段和工作井靠近水庫(kù)，最大埋深超300.00 m，地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂帶較多，圍巖強(qiáng)度變異性大。5座工作井深達(dá)63.65～112.77 m，屬于特深豎井，遠(yuǎn)超一般規(guī)范規(guī)定。豎井?dāng)嗝嬖O(shè)計(jì)為圓形，直徑30.0～38.0 m，圍護(hù)形式采用“吊腳式”地連墻加內(nèi)襯墻支護(hù)方式。其中2號(hào)工作井豎井深88.33 m，井周邊分布茅洲河、上下村排洪渠、合水口排洪渠和公明排洪渠等，地表水系豐富，且河渠底部卵礫石透水層出露；地表水與地下水連通，場(chǎng)地基巖裂隙水賦存于強(qiáng)風(fēng)化層、巖體破碎帶和巖體裂隙中，局部有裂隙承壓水存在。施工期豎井開挖滲透穩(wěn)定性和對(duì)周邊環(huán)境影響等問題是工程安全的關(guān)鍵制約因素。

為保障超深豎井逆序法施工過程中的豎井滲流安全，控制施工期對(duì)周邊地下水分布的影響，確保輸水隧洞和超深豎井施工安全和長(zhǎng)期運(yùn)行安全，以2號(hào)工作井為典型對(duì)象，針對(duì)豎井開挖的滲流穩(wěn)定性和對(duì)周邊地下水的影響，開展超深豎井三維滲流有限元模擬分析，并對(duì)斷層性態(tài)和地連墻滲透性進(jìn)行敏感性分析。

2 三維飽和穩(wěn)定滲流分析模型

采用地下水?dāng)?shù)值模型軟件FeFlow進(jìn)行三維飽和穩(wěn)定滲流分析。FeFlow是德國(guó)WASY水資源規(guī)劃和系統(tǒng)研究所于1979年開發(fā)的有限元地下水?dāng)?shù)值模型軟件。該軟件使用以伽遼金法為基礎(chǔ)的有限單元法，并采用快速直接求解法優(yōu)化模型，為減少數(shù)值彌散采用up-wind技術(shù)；對(duì)非線性流場(chǎng)問題的求解，采用皮卡和牛頓迭代法，可自動(dòng)調(diào)節(jié)模擬時(shí)間步長(zhǎng)；在自由表面含水系以及非飽和帶模擬問題上采用垂向滑動(dòng)網(wǎng)格（BASD）技術(shù)進(jìn)行處理；為適應(yīng)流場(chǎng)變化強(qiáng)弱，采用有限單元自動(dòng)加密放疏技術(shù)。

2.1 模型概化

根據(jù)工程區(qū)水系分布情況和水文地質(zhì)資料確定滲流分析區(qū)域（圖2），域內(nèi)包含茅洲河、上下村排洪渠、合水口排洪渠和公明排洪渠，面積約1.3 km²。模型以公明排洪渠作為西側(cè)-南側(cè)邊界，距豎井中心直線距離約140 m，排洪渠上游取至渠長(zhǎng)約1.7 km處；以茅洲河作為北側(cè)邊界，距豎井中心約460 m，茅洲河上游取至與南光高速交匯處，河長(zhǎng)約1.3 km；模型東側(cè)為地下水位邊界；鉆孔最深揭示地層為-95.00 m高程處的泥巖，為減小模型的邊界約束影響，底邊界取至-150.00 m；不考慮降雨。

2.2 邊界條件

根據(jù)調(diào)查資料，茅洲河與公明排洪渠等相通，因此在模型中作為定水頭邊界。施工期防洪標(biāo)準(zhǔn)為20 a一遇，域內(nèi)典型位置的設(shè)計(jì)洪水位見表1。施工期常水位設(shè)為茅洲河常水位2.00 m。不考慮各排洪渠入河口閘門等設(shè)施，各排洪渠防洪標(biāo)準(zhǔn)同樣為20 a一遇，上游水位參照茅洲河河道比降（約0.2‰）進(jìn)行推算。

常態(tài)情況下區(qū)域內(nèi)地下水主要以茅洲河和排洪渠為排泄面。區(qū)內(nèi)部分長(zhǎng)觀孔監(jiān)測(cè)到的地下水位變化較大，根據(jù)資料分析，可知其埋深在2.20～9.10 m之間，水位比降0.2‰～6.2‰。結(jié)合區(qū)域地形地勢(shì)，當(dāng)茅洲河常年水位為2.00 m時(shí)，推算東側(cè)邊界中部地下水位最高可設(shè)為2.59 m。當(dāng)考慮設(shè)計(jì)洪水位時(shí)，取計(jì)算區(qū)域內(nèi)地表最低點(diǎn)3.90 m為地下水位。

2.3 計(jì)算參數(shù)

2號(hào)工作井典型地質(zhì)剖面見圖3，按照滲透性對(duì)巖土層進(jìn)行適當(dāng)概化，自上向下依次分布：Q^ml1-①雜填土、Q^al+pl5-①淤泥質(zhì)黏性土、Q^al+pl5-③中粗砂、Q^al+pl5-④礫砂、T全強(qiáng)風(fēng)化泥巖、T微風(fēng)化泥巖①、弱/微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖（夾2號(hào)井C1層間錯(cuò)動(dòng)帶）、T含礫砂巖、T微風(fēng)化泥巖。地質(zhì)建議滲透參數(shù)見表2。

2號(hào)工作井豎井部位分布3條斷層/裂隙密集帶：JK10-L1（鉆孔揭露最大埋深80.00 m）、JK11-f1/f2（鉆孔揭露最大埋深100.00 m）、JK12-f1（鉆孔揭露最大埋深30.00 m），向北西延至公明排洪渠處，渠水通過第四系卵礫石層與地下水連通。計(jì)算模型將斷層概化為厚度約1.00～2.50 m的結(jié)構(gòu)面，滲透系數(shù)為1.5×10^-4 cm/s。

概化后的三維滲流模型網(wǎng)格圖見圖4。

3 施工期滲流場(chǎng)分布狀態(tài)

3.1 天然狀態(tài)下工程區(qū)滲流場(chǎng)分布

方案1系列模擬了工程實(shí)施前天然狀態(tài)下區(qū)域的地下水分布（表3）。從天然狀態(tài)常水位條件下（方案1-1）透水層頂板的滲流場(chǎng)分布狀態(tài)（圖5（a））可見，地下水流場(chǎng)整體表現(xiàn)為由東向西北茅洲河下游方向排泄，受地形和幾條排洪渠影響，域內(nèi)地下水流動(dòng)梯度小。方案1-2模擬得到設(shè)計(jì)洪水位情況下的滲流場(chǎng)分布如圖5（b）所示，此時(shí)由于河渠水位相互連通且高于地下水，導(dǎo)致域內(nèi)地下水整體表現(xiàn)為由西向東側(cè)域內(nèi)地勢(shì)低洼處運(yùn)動(dòng)，河渠補(bǔ)給地下水。計(jì)算成果符合區(qū)域地下水分布的一般規(guī)律，說明模型邊界條件設(shè)置合理，據(jù)此開展后續(xù)施工期滲流分析。

3.2 不同開挖工況對(duì)豎井滲透穩(wěn)定性和滲漏量的影響

施工期開挖全過程的滲流計(jì)算方案和計(jì)算成果見表4。其中方案2系列模擬設(shè)計(jì)洪水位下豎井是否設(shè)置地連墻及不同開挖工況下的滲流場(chǎng)，用于評(píng)估豎井施工期極端條件下的滲流穩(wěn)定性。方案3系列模擬常水位條件下豎井各開挖工況下的滲流場(chǎng)。表中列出計(jì)算得到的各方案豎井地連墻外側(cè)最大水頭值，及距豎井不同距離處地下水位和豎井滲流量。

圖6（a）為設(shè)計(jì)洪水位條件下方案2-0（不設(shè)地連墻、豎井開挖不襯砌）在高程-70.00 m的等水頭分布圖；圖6（b）～（c）為設(shè)置地連墻且豎井開挖至底高程-70.00 m，設(shè)置底板前、后豎井底面的等水頭線分布。圖7為常水位條件下相應(yīng)方案的等水頭分布圖，可供對(duì)比。

從各開挖步的滲漏量計(jì)算結(jié)果來看，在20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位情況下，如果不考慮豎井防滲措施，2號(hào)井滲漏量高達(dá)4 018.3 m³/d。設(shè)置地連墻并及時(shí)支護(hù)內(nèi)襯的滲控效果非常明顯。豎井開挖到淤泥質(zhì)黏土層頂板時(shí)坑底垂直出逸比降最大約0.245，小于該類土允許比降，開挖至中粗砂、砂礫石層時(shí)最大出逸比降均低于0.01，說明滲透穩(wěn)定是有保障的。在上部覆蓋層開挖過程中，豎井最大滲漏量約7.12 m³/d。當(dāng)開挖到底高程-70.00 m未做底板時(shí)滲漏量為51.82 m³/d，澆筑5.00 m厚底板后滲漏量進(jìn)一步降低至9.99 m³/d。

方案3系列常水位條件下的滲漏量變化規(guī)律基本相同。豎井滲漏量從無滲控措施的3 134.8 m³/d減小至開挖到底的47.82 m³/d，澆筑底板后的最終滲漏量約8.93 m³/d。

3.3 豎井開挖對(duì)周邊地下水的影響

圖8（a）～（c）為方案2系列中典型方案豎井剖面的等水位線分布圖。

對(duì)比設(shè)計(jì)洪水位下2系列方案和相應(yīng)天然狀態(tài)計(jì)算方案1-2，可見如果不考慮地連墻防滲措施，豎井開挖對(duì)周邊區(qū)域地下水的影響很明顯。距豎井100 m處的地下水位降低1.10 m，直到距豎井約150 m處，受合水口排洪渠水位影響，地下水位才波動(dòng)不大，可見影響范圍大于100 m；設(shè)置地連墻后，基本上可以隔斷豎井開挖對(duì)地下水的影響。

常水位條件下方案3系列計(jì)算得到的規(guī)律基本相同，不考慮防滲措施的話，距豎井100 m處地下水位可能降低0.85 m。

4 滲流場(chǎng)影響因素分析

4.1 斷層性態(tài)對(duì)豎井滲漏量的影響

工作井區(qū)域的斷層分布狀態(tài)和充填物性質(zhì)是影響豎井滲漏量的關(guān)鍵因素。對(duì)此，針對(duì)施工期20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位，開展了系列有關(guān)斷層滲透系數(shù)的敏感性分析。計(jì)算方案和相應(yīng)的豎井滲漏量列于表5。

假定斷層的滲透系數(shù)由10^-4 cm/s增大到10^-3～10^-2 cm/s，其中以10^-2 cm/s為極端條件，對(duì)豎井典型開挖步的滲流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算。上述敏感性分析除特別考慮開挖步的個(gè)別方案外，其他均以設(shè)計(jì)洪水位下豎井開挖至底但未澆筑底板為基準(zhǔn)工況。

由表5可見，在地連墻和豎井側(cè)壁襯砌完成，尚未澆筑底板情況下，如果不考慮斷層結(jié)構(gòu)面，則豎井滲漏量很小，為13.24 m³/d（方案DC-1）。當(dāng)考慮JK10-L1、JK11-f1/f2、JK12-f1 3條斷層在2號(hào)井處分布，沿北西走向與公明排洪渠相通，且滲透系數(shù)為1.5×10^-4 cm/s時(shí)，滲漏量增大至51.82 m³/d（方案2-6）。如果斷層充填物滲透系數(shù)增大至10^-3 cm/s，滲漏量將增大12倍左右，極端情況下（斷層滲透系數(shù)達(dá)10^-2cm/s）滲漏量增大約80倍，可達(dá)4 100 m³/d以上。

4.2 地連墻對(duì)豎井滲漏量的影響

考慮超深豎井大規(guī)模地連墻施工可能存在的局部空腔、寬縫、漏水等缺陷，將其概化為等效平均滲透系數(shù)。仍以20 a一遇設(shè)計(jì)洪水位、豎井側(cè)壁襯砌完成、尚未澆筑底板工況為基準(zhǔn)，開展地連墻滲透系數(shù)的敏感性分析，具體方案及相應(yīng)的豎井滲漏量見表6。

表6顯示，當(dāng)不考慮滲控措施時(shí)，豎井開挖滲漏量高達(dá)4 018.3 m³/d（方案2-0）。設(shè)置高噴地連墻，且墻體完整沒有缺陷的情況下（滲透系數(shù)達(dá)10^-7 cm/s），滲漏量大幅減少至51.82 m³/d（方案2-6）。如果考慮地連墻存在局部接頭缺陷，墻體不連續(xù)等問題，墻體平均滲透系數(shù)增大至10^-6 cm/s，滲漏量可能增大2倍以上，超過110 m³/d（方案DLQ-1）。

方案DLQ-2考慮了受斷層影響，地連墻在穿越斷層部位灌漿難以達(dá)到要求，墻體存在局部缺陷的情況，即便地連墻平均滲透系數(shù)為10^-7 cm/s，滲漏量也將增大近5倍，達(dá)268.3 m³/d。

以上說明地連墻在斷層處的完整性對(duì)豎井滲漏量的影響不容忽視。

5 結(jié)論與建議

（1）2號(hào)工作井周邊區(qū)域地下水在天然狀態(tài)下以茅洲河和排洪渠為排泄面，由東向西北茅洲河下游河口方向運(yùn)動(dòng)；在施工期20 a一遇洪水情況下，河渠補(bǔ)給地下水，向地表局部地勢(shì)低洼處排泄，受分布密集的排洪渠影響，區(qū)域內(nèi)地下水梯度不大。

（2）如豎井不設(shè)置地連墻等防滲措施，開挖到底高程-70.00 m時(shí)的滲流量高達(dá)4 018 m³/d，開挖對(duì)周邊區(qū)域地下水的影響明顯，影響范圍大于100 m。

（3）高噴式地連墻滲控效果明顯。豎井開挖過程中覆蓋層沒有滲透穩(wěn)定問題；分步開挖并及時(shí)做好內(nèi)襯，澆筑底板前豎井滲漏量最大不超過52 m³/d，澆筑底板后滲流量小于10 m³/d。同時(shí)，地連墻也起到隔離區(qū)域地下水的作用，豎井開挖未形成降水漏斗，對(duì)周邊地下水位基本沒有影響。

（4）斷層滲透性對(duì)豎井滲漏量有一定影響。充填物滲透系數(shù)增大至10^-3～10^-2 cm/s，滲漏量將增大12～80倍。

（5）需注意地連墻墻體的完整性和防滲性，滲透系數(shù)增大一個(gè)量級(jí)，滲漏量可能增大2倍以上，若斷層等部位存在局部缺陷，滲漏量可能增大5倍以上。

（6）建議在斷層通過部位注意高噴灌漿的施工質(zhì)量，保證墻體接頭部位的防滲效果。建議加強(qiáng)豎井施工過程中的滲流監(jiān)測(cè)，保證豎井施工過程中豎井底部滲流安全，同時(shí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)行豎井施工和運(yùn)行期抗浮安全復(fù)核。

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（編輯：郭甜甜）

Analysis on seepage control measures and their impact on an ultra deep foundation pit

in complex geological conditionsCUI Haodong¹，ZHOU Ning²，JING Xiangyang²，WANG Xiao¹，LI Mingwei¹

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China； 2.Shenzhen Raw Water Co.，Ltd.，Shenzhen 518036，China）

Abstract： The safety risks associated with ultra deep foundation pit constructions in water-rich areas under complex geological conditions are high.Effective seepage control measures are critical to ensuring the safety of foundation pits during construction.Using the ultra-deep foundation pit of the Luotian Reservoir to Tiegang Reservoir Tunnel Project in Shenzhen City as a case study，a three-dimensional finite element model was developed to assess the seepage behavior in the foundation pit.The model evaluated the influence of factors such as fault fracture zones and the integrity of the ground walls during excavation，as well as the overall seepag39f0452e22a116e5539df46623163ffeffe3a5b09c85b4e4341d4dc5d9c179b1e stability of the foundation pit.The results indicated that：① Without a ground wall，the seepage flow during foundation pit excavation could reach 4 018 m³/d，significantly affecting the surrounding groundwater，with an impact radius of over 100 m.② The use of high-pressure sprayed ground walls showed effective seepage control，with no stability issues during stepwise excavation.Once the bottom plate was poured，leakage was reduced to less than 10 m³/d.Additionally，the ground wall helped isolate surrounding groundwater，preventing the formation of a groundwater depression cone and maintaining a stable groundwater level.③ If the ground wall's integrity was weakened of increasing the permeability by an order of magnitude，leakage may multiplied more than double.④ Fault texture also influenced foundation pit leakage，if permeability in fault fillers increases from 10^-4 cm/s to 10^-3～10^-2 cm/s the leakage would rise by 12 to 80 times.For ultra deep vertical shafts，especially in areas with complex geological conditions and passing faults，high attention should be paid to the construction quality of the ground wall of foundation pits，ensuring the anti-seepage effect of the wall joints to meet the safety requirements of vertical shaft seepage.These findings can provide a valuable reference for the design and construction of seepage control in ultra-deep foundation pits.

Key words： ultra deep foundation pit；seepage；fault fracure zone；ground wall；Luotian Reservoir -Tiegang Reservoir