大型深基坑中地下水的处理如果不当, 破坏原有的水土应力平衡, 可能引起周围环境的地面沉降, 造成不可估量的损失, 因此采取安全、有效、可控的施工方法来控制地下水位已成为一个重要的研究课题。本文以武汉长江航运中心项目为研究背景, 对该项目大基坑进行整体抽水试验, 对周边环境影响进行预测分析;另外, 结合试验结果, 利用SEEP/W软件建立渗流计算模型, 进行TRD渗透系数反演, 为基坑后续施工和监测提供了理论依据。

武汉长江航运中心项目位于武汉市江岸区沿江大道以西, 民生路以南, 与积玉桥商圈隔江相望。该项目基坑工程占地面积为31 000m², 周边延长米750 m, 包含1栋63层塔楼 (约330 m) 、2栋超高层住宅楼及部分商业, 设有整体4层地下室。本工程普遍开挖深度为18.8m, 围护结构采用墙底标高为-37.200~-48.200 m的1 000 mm/1 200 mm厚地下连续墙+4道钢筋混凝土环形支撑的形式, 地下4层区域采用850mm TRD工法等厚度水泥土搅拌连续墙止水, 临近16层居民楼区域在TRD水泥土搅拌墙内插H型钢。TRD工法为湖北省首次采用, 属于新工法, 施工质量以及使用效果都需要进行检测和监测验证。该项目属于湖北省范围内最大、距长江最近 (50m) 的基坑环撑工程。

根据拟建场区勘察报告, 地层在勘察深度范围内, 按各岩土层的成分、成因及工程性质等自上而下依次可分为: (1) 杂填土 (Q^ml) 场区内普遍分布, 碎石、砖块等建筑垃圾占主要部分, 含少量黏性土, 堆积年限超过10年, 层厚4.6~9.6m, 结构松散, 均匀性较差, 强度低。 (2) ₁粉质黏土夹粉土 (Q₄^al+pl) 状态由软塑~流塑, 湿~饱和, 粉土含量不等, 稍密状态, 层理清晰, 偶夹粉砂, 层顶埋深3.0~6.6m, 层厚3.0~12.4m, 强度较低, 压缩性较高。 (2) ₂粉质黏土与粉土、粉砂互层 (Q₄^al+pl) 普遍分布, 粉质黏土为可塑~软塑状态, 呈薄层状夹于粉砂中, 粉土呈稍密~中密状态, 层理清晰;层顶埋深4.0~13.0m, 层厚4.6~15.9m, 有一定强度, 压缩性中等偏高。 (3) 粉细砂 (Q₄^al+pl) 场区内普遍分布饱和, 中密, 局部地段夹少量黏性土和粉土薄层;层顶埋深15.4~24.6 m, 层厚0.8~23.7 m;强度中等, 压缩性中等。 (4) 强风化泥岩 (S) 稍湿, 母岩结构大部分破坏, 矿物成分显著变化, 裂隙发育成熟, 岩体破碎, 风化成土柱状, 手捏即散;层顶埋深52.0~57.2m, 层厚0.3~2.5 m, 强度高, 压缩性低。 (5) 中风化泥岩 (S) 结构部分破坏, 矿物成分基本未变, 风化裂隙发育, 裂隙面方解石脉充填, 岩体完整程度为破碎, 岩体基本质量等级为Ⅴ级。该层岩石泥岩岩块抗压强度为5.1MPa, 泥质粉砂岩岩块抗压强度为11.5 MPa, 均为软岩, 层顶埋深53.5~64.5 m, 本次钻探未钻穿。

场地地下水主要为上层滞水及下部承压水。上层滞水主要由地表水源、大气降水和生活用水补给, 无统一的自由水面, 水位及水量随地表水源、大气降水和生活用水排放量的影响而波动;承压水含水层顶板主要由杂填土、粉质黏土夹粉土、粉质黏土与粉土、粉砂互层组成, 大部分承压水赋存于细砂层中, 与长江有一定的水力联系, 其水位变化受长江水位变化影响, 水量较丰富。

1) 通过基坑内外水位观测, 确定坑内外水力联系规律, 检验TRD防渗墙的防渗效果。

2) 通过基坑外侧地面沉降观测, 取得基坑周边地面沉降与抽水历时和水位降深的关系, 预测施工降水对周边环境的影响程度, 并提出合理的施工建议。

3) 通过进行数值模拟, 建立该大基坑二维非稳定渗流模型, 反演得到TRD渗透系数, 预测基坑内外地下水的时空分布, 为深基坑进一步施工服务;同时, 提前发现基坑是否有较严重的渗漏现象, 确定大致的渗漏位置, 提出渗漏补强措施以及施工地下水控制措施建议。

该项目所用降水井直径0.6m, 井深40~45m, 井壁管29.0~34m, 滤水管15.0m, 沉淀管1.0m。考虑现场实际施工情况, 基坑内降水井布置34口, 编号J1~J34, 受现场施工影响, 在西侧的西北角和西南角的井点密度大于其他区域;基坑内动水位观测井布置5口, 编号SJ1~SJ5, 均布于基坑内支撑结构内;基坑内水位观测井布置8口, 编号SWL1~SWL6和SWZ1~SWZ2, 其中SWZ1~SWZ2是根据基坑内水位观测需要在基坑中部增设的2口水位观测井;基坑外水位观测井布置了19口, 编号SW1~SW19, 受施工场地影响, 只能在基坑南侧设置1道距TRD地下连续墙约50m范围的坑外水位观测线, 其他测点均距TRD地下连续墙2~3m, 井点布置如图1所示。另外, 为了清楚地观察抽水试验对长江大堤和周围环境及建筑物的影响, 在周围布置了共91个沉降观测点。

在基坑抽水试验的结果分析中, 基坑内外水位和长江水位均指相对于基坑±0.000标高, 水位低于±0.000标高为正值。基坑整体抽水试验中, 基坑内降水井动水位与时间的关系曲线如图2a所示, 基坑内水位观测井中的水位观测结果如图2b, 2c所示, 基坑外侧与TRD地下连续墙相距2~3m的坑外水位观测井的水位观测结果如图2d, 2e所示。

由图2a可分析得到4月18日前, 基坑内降水井处于非连续抽水状态时, 降水井的动水位变化幅值较大, 4月18日至20日, 基坑内降水井处于连续抽水状态时, 降水井的动水位变化幅值较小, 降水井的动水位随降水井的数量增加而逐渐下降。通过比较图2a, 2b和图2b, 2c, 基坑内水位观测井中水位受基坑内抽水量影响很大, 除SWL6测井外, 其他靠近基坑边界的水位观测井的水位受坑外水位影响较大, 基坑中部两口观测井SWZ1和SWZ2的水位略高, 即基坑中部水位下降量略大于基坑周边观测井水位下降量, 中部水位恢复速度略低于周边观测井。结合图2d和图2e, 从4月11日至20日, 长江水位下降量为1.68m, 基坑外侧水位累计下降量为2.70~5.65m, 减去长江水位下降量, 基坑外侧实际水位累计下降量1.02~3.97m, 基坑外北侧和西侧的水位下降量大于东侧和南侧, 其原因可能是基坑东侧和南侧受长江水位影响较大, 地下水补给比基坑外西侧和北侧更容易。

SEEP/W是加拿大GEO-SLOPE系列软件中的一种, 它能够进行多孔介质 (如土体和岩石) 中地下水的运动和孔隙水压力分布的渗流有限元数值模拟, 该软件包容广泛的计算公式使它能够分析简单和非常复杂的渗流问题。SEEP/W软件已经在岩土工程、土木工程、水文地质工程和采矿工程的分析和设计中得到比较广泛的应用。

有限元模型以基坑为中心, 一侧边界线以长江岸坡为界, 另一侧以降水井影响半径为依据, 取距离TRD地下连续墙外边线200m, 模型概化成非均质、非稳定地下水渗流系统。典型断面实体模型如图3所示, 有限元网格划分如图4所示。根据工程地质资料, 计算模型渗流场的初始边界条件为:基坑内降水井的滤管部分为透水边界, 降水井水头为抽水时的控制水头。由于工程场地开阔, 地下水流量充沛, 根据基坑降水的影响半径, 认为基坑两侧远离降水井的边界, 地下水位恒定, 为定水头边界;模型底层为中风化泥岩, 其渗透系数取为1×10^-8m/s。根据含水层水平向与竖向的渗透性质, 假定地层均质各向同性。

根据已有的勘察报告中地质资料, 综合室内土工试验和本地经验, 选取各土层渗透系数如表1所示。

整体抽水试验降水井SJ1~SJ4连续从2015年4月12日—16日19点之前连续抽水5d, 至4月20日基坑内水位稳定, 降水井、观测井测试数据如表2所示。

以抽水5d及其后稳定时的坑外观测井水位降深为依据, 通过反演得到不同降水井处TRD渗透系数如表3所示。

由表3可见, 抽水试验坑外降深计算值与实测值两者相差不大, 在工程允许的误差之内, 证明模型计算与实际情况吻合较好, 采用数值模拟方法对TRD渗透参数进行反演分析, TRD反演的计算参数符合实际要求, 反演得到TRD平均渗透系数变化区间为 (3.05~9.44) ×10^-7, 数值模拟方法能反映真实情况, 可以较准确地预测基坑内外地下水的时空分布, 从而为基坑施工服务。不同区域渗透性虽有一定的离散性, 但总体来说, TRD渗透系数较小, 且在同一数量级。坑内抽水时坑外水位降幅较低, 坑外地下水很难进入坑内, 说明TRD具有良好的防渗止水效果, 基坑抽水对周围环境影响较弱。

抽水前与抽水后基坑典型断面水头或水压力分布结果表明, 在降水井处水位急剧下降, 形成明显的降落漏斗;在降水井周围水力梯度较大, 并向边界方向逐渐减小。水头等值线在坑外稀疏, 说明降深较小;坑内较密, 说明降深较大。由此可见, TRD的防渗作用使坑外地下水很难进入坑内, 说明TRD的隔水效果明显。

本文针对具体工程实例进行了基坑整体抽水试验, 在试验结果的基础上, 分析了抽水试验对基坑周围环境的影响;同时, 建立二维非稳定渗流模型, 借助渗流分析软件SEEP/W, 以现场观测井水位实测数据为依据, 反演出TRD渗透系数, 计算分析得到TRD地下连续墙的渗透系数为 (3.05~9.44) ×10^-7m/s, 大体满足设计要求, 从而验证了模型及其参数在工程应用中的合理性和准确性。通过对基坑进行整体抽水试验, 为深基坑进一步开挖提供了技术支持, 但也存在些许不足。例如, 应在基坑周边设置坑外回灌井, 特别是在基坑北侧、西侧和东北侧应增设回灌井, 以提高基坑外侧水位, 进一步减小基坑周边建筑物和路面沉降量;加强基坑施工监测, 采用信息化施工, 以及时发现工程隐患, 及时有针对性采取工程补救措施。总之, 该工程实例具有一定的代表性, 对紧邻江边的高层建筑基坑设计、施工和预测具有较大的参考价值。