深基坑工程中承压水危害的综合治理方法(上)

引言

　　在各类地下工程中，深基坑工程受承压水危害最为直接、最为广泛，在地下空间开发蓬勃发展的社会背景下，承压水问题已逐渐成为业内关注的焦点，这一领域目前面临的形势可概括为：“老问题、新挑战、新思路”。所谓“老问题”，是指工程界对处理承压水问题已经有数十年的经验，仅在上海地区，自"1985年起就有近百个工程成功地进行过降承压水施工。
　　所谓“新挑战”，是指随着工程数量、规模、难度的提高，承压水处理的方法面临风险控制和沉降控制两方面的严峻挑战。一方面，随着深基坑建址和深度范围扩展，地质工况更显复杂，承压水危害的表现形式也日趋多样化，仅仅考虑抗突涌稳定的传统思路已不能确保工程和周围环境的安全，因此必须提高相关的风险控制能力。另一方面，随着大量地下工程展开施工，降水已成为诱发上海大地沉降的重要因素，2006年颁布的《上海市地面沉降防治管理办法》已明确要求对降水严格限制和管理。同时，城市中重要建构筑物，如运营中的轨道交通线路等的保护标准日益严格，其沉降控制分解指标仅数毫米，过去可以接受的沉降量目前已无法满足要求。
　　所谓“新思路”，即针对现实的社会需求，提出了对承压水危害“以水位控制为前提，以沉降控制为中心，综合治理承压水危害”的新思路，摆脱以往单纯控制水位的局限，进行“全方位、全过程”的治理，从而比较彻底地解决承压水问题对深基坑工程的制约，其技术体系框架见图"所示。


　　本文拟结合示范工程——上海轨道交通9号线宜山路站的工程实践，对其中的关键环节作说明和解释，仅供业内相关人士参考和探讨。
1　承压水对深基坑工程的危害模式
　　现有规范中，针对深基坑工程中承压水危害的内容主要是防止坑底突涌。我们根据大量工程案例调研总结，认为这一描述并不全面，承压水危害至少可以概括为以下5种模式：
　　1.1　顶托破坏
　　其表现为坑底突涌，这是工程界最早认识到的承压水危害形式，包括坑底顶裂、坑底流砂、坑底“沸腾”等多种形式，上海地区多表现为坑底薄弱处涌水、涌砂。起因可能是抗突涌安全系数不足，也有可能是地质探孔未封闭等因素。前者案例包括上海1985年发生的煤气管过江工作井突涌[1]2003年漳州中银大厦坑底突涌[2]，后者包括2003年上海金茂大厦坑底涌水事件[1]。这种模式也可能发生于沉井工程。
　　1.2　开挖面突涌
　　其表现为围护结构缺陷造成开挖面以上渗漏。这种模式不仅限于深基坑工程，也可发生于盾构、顶管等类型的地下工程。从渗流角度看，潜水的压力由水自重形成，属于无压渗流，水头随着渗漏降低较快；反之，承压水渗漏属于有压渗流，其水头不会随着渗漏快速降低。因此，承压水渗漏危害程度比潜水严重得多。例如，上海地铁"号线北延伸段某深基坑工程开挖面潜水突涌后，形成相对稳定的盆状土坡，影响范围仅30m左右；而上海地铁4号线某区间隧道承压含水层中冻结失败后连续涌水7d，坍陷区长达300m左右。
　　1.3　异常管涌
　　此模式即开挖面以下围护结构渗漏导致坑底涌水，其机理与“开挖面突涌”不同，是由于坑内外存在压力差，而围护结构施工不当，插入部分不能起到止水效果，发生了异常的管涌。这种危害模式俗称“开裤衩”，在基坑工程中颇为常见，仅在上海地铁7号线就发生了包括耀华路站、新村路站和浦江耀华站[3]等多起险情，而潜水地层中的此类事故也有发生，例如2004年杭州地铁1号线秋涛路站[4]案例。
　　1.4　有效应力丧失
　　发现这一现象最早在上海地铁4号线溧阳路站[5]，该案例中并没有管涌、流砂等现象的出现，但坑底出现了很大的回弹，且无法控制围护墙体踢脚位移。在上海地铁10号线的个别车站施工中也出现了类似情况，其中，某车站在施工正常的情况下，1d之内踢脚位移超过10mm。这些案例表明了一种以往未揭示的承压水危害模式，潜藏着较大的风险。
　　这一模式的机理解释如下：对于坑底下卧（微）承压含水层而言，基坑开挖过程就是总应力降低过程，如未采取降压措施，则其孔隙水压不会降低，于是必然导致有效应力降低。当抗突涌安全系数降低至1.0以下时，土体有效应力将趋向零，此时土颗粒处于悬浮状态，无法提供侧向抗力，这样就产生了大量的踢脚位移；同时，坑底土体正常回弹叠加了承压水的顶托作用，使得基坑回弹量异常偏大。由于上海地区④、⑤层土等浅层流塑性粘土的特性，即使发生很大变形也不一定开裂，因此这种情况下不一定会有明水涌出。鉴于这一破坏模式的直接原因是有效应力大幅降低，故将其命名为“有效应力丧失”模式。
　　1.5　过量沉降
　　以往工程界对降承压水引起的沉降不够重视，认为只要采取坑内设井、按需降水，诱发的沉降都在可接受范围内。但调查发现，一些工程案例由于降承压水导致了周围地层沉降超标，影响了周围管线和建构筑物的正常使用。例如，地铁7号线某车站降微承压水诱发沉降达85mm[6]，南京地铁2号线某车站由于降水诱发大量沉降，导致周边居民住宅损坏[7]。因此，降水诱发周围地层过量沉降无疑也是承压水危害的重要表现形式之一。在基坑周边有高标准保护建构筑物的情况下，必须采取“水位控制为前提，沉降控制为中心”的思路，以确保安全。
2　综合治理承压水危害的措施
　　要实现“水位控制为前提，沉降控制为中心”，就必须对承压水危害进行“全方位、全过程”的综合治理，即在勘察、设计和施工全过程，针对承压水危害的各种模式，采取系统的措施，既要确保工程安全，又要减小周围环境影响。
　　2.1　针对承压水危害治理的水文地质调查
　　首先必须准确地搞清楚建址的水文地质状况。目前，深基坑工程的勘察工作在承压水方面的常见缺陷包括：微承压水含水层一般根据经验判定，一旦失误则可能发生“有效应力丧失”模式的危害；详勘报告一般不揭示各含水层和覆盖层之间的水力联系，计算沉降时压缩层厚度的取值多为假定；地层“尖灭点”位置不准确，如假定其处于坑内或坑外降深可能相差数倍，带来安全隐患。
　　因此，深基坑工程施工前如存在上述疑问，应进行针对承压水危害的水文地质调查，可采用静力触探和现场降水试验等手段，彻底查明有关的水文地质状况，消除风险源。
　　2.2　围护—降水—体化设计
　　基坑和水利工程的实践已经证明[8]，在降水条件下，插入含水层的围护结构（或帷幕）可以造成围护内外的水头差，“围护结构与降水一体化设计”就是利用了这一现象。按此方法进行围护设计时，针对地面沉降控制值，逐步调整井点深度和围护结构插入深度，算出对应的坑外水头降落，再按渗流场驱动应力场的耦合原则，计算降水引起的地层沉降，直到满足沉降允许值。这一过程需通过三维渗流沉降计算软件来完成。由上海隧道股份和同济大学联合研制的《3W3D》就是这样一种面向结构专业人员的围护降水一体化辅助设计软件。
　　理论计算和工程实践表明，在满足降深要求的前提下控制周围地层沉降并不一定要切断含水层，对应一定的井点滤管深度，总有一个合理深度的围护结构，达到这个深度，坑外水头下降即大幅度减小，而超过这个深度则效果提高不明显，性价比降低。
　　2.3　“降水最小化”的降水设计和施工
　　为减少周围地层沉降，降水设计和施工应按“降水最小化”原则进行，即在确保安全的前提下，尽量少量、短时抽水。具体措施包括“分层降压”和“按需降水”两方面。“分层降压*是指对存在水力联系的多含水层组，利用地层渗透性差异将上部渗透性较差的含水层疏干后作为下部含水层的覆盖层计算，而不是传统的连为一体考虑，以最大限度压缩设计降深。例如：在上海地区的⑥层缺失区，⑤2层往往与⑦层相连，对控制沉降非常不利。如采用“分层降压”技术，可利用两者之间渗透系数性差异，在⑤2层下部设置井点，将其减压后视作⑦层的覆盖层，由此大幅度减小⑦层的设计降深。其中⑤2层降压井既可单独设置，也可与疏干井结合，形成混合井。
　　“按需降水”是指进一步深化传统的“按需降水”方法，措施包括：严格制订井点运行计划；实施高精度降深控制；动态优化安全系数；优化结构回筑方案等。
　　上述三方面的措施涵盖了勘察、设计和施工阶段，条件允许的情况下可将三者结合使用，效果最为显著；如没有条件，也应尽量从“综合治理”的角度出发，制订更为全面的措施，避免片面强调水位控制可能带来的副作用。
3　示范工程应用
　　上海轨道交通9号线宜山路站位于凯旋路与宜山路交叉处，与已运营的3号线宜山路站、4号线宜山路站共同组成宜山路枢纽，是上海市轨道交通网络的重要换乘节点之一。基坑最大开挖深度达30.6m.，是目前上海地区开挖最深的地铁车站。
　　车站建址地层中⑥层缺失，第Ⅰ、Ⅱ承压含水层连为一体，深度超过100m。覆盖层粘土和粉土亚层交错分布，⑤2-2层和④2层均为微承压含水层，与承压含水层存在水力联系，水文地质条件非常复杂。
　　该车站开挖深度0.5倍范围内除分布着Ⅰ幢高层建筑、3幢商场外，正在运营的轨道交通3号线高架区间距基坑仅7m，3号线另外一侧即为正在运营的4号线，见图2所示。该基坑面积超过5000m2，被封头墙分割为4个基坑，分3次施工完成，施工顺序为：Z1→Z2→Z3+Z4。基坑开挖，化整为零分3次施工，减小了基坑开挖对周围环境的影响，但延长了降水时间，对控制沉降不利。
　　3.1　对水文地质状况进行补充调查
　　3.1.1　地质补勘
　　针对原有的地质勘察报告中关于承压水问题存在的疑问，施工前进行了4次施工补勘，如表1所示。补勘手段以静力触探为主，彻底搞清楚了基坑位置含砂地层的分布，消除了东端头井附近人为设置的⑤2层“尖灭点”，为下阶段大幅度优化设计降深打下了坚实的基础。
　　3.1.2　现场降水试验
　　为掌握建址地层之间的水力联系和降水过程中的沉降反应，施工前进行了调查渗流固结规律的现场降水实验，试验设施由降压井群、观测井群、监测系统三部分组成。其中，降压井群包括呈等腰三角形分布的3口深井井点(见图3)，其滤管深入⑦层中，长度分别为11m、9m和7m。观测井群形成了⑤2层、④2层水位观测点和1个⑦层水位观测剖面，观测井均有对应的孔隙水压计，数据可相互验证。监测系统包括成组设置的孔隙水压力、分层沉降、地表监测点和重要建构筑物监护测点等，构成了以降压井群为中心的80m半径范围内“五环四射”的放射状监测剖面，见图4。








　　降水试验采用非完整井、非稳定流的方法进行抽水试验，先后做3次单井抽水试验和1次群井抽水试验，历时15d。图5和图6分别是降水过程中⑦层和⑤层各亚层的孔隙水压力降低过程。




　　通过现场实验，不仅准确掌握了本区地下水位、准确获得本场地的水文地质参数，而且通过各层孔隙水压力确认第⑤层最下部的亚层与⑦层存在水力联系，为下一阶段围护-降水一体化设计打下了坚实的基础。