侯国伦

(湖北省城市地质工程院，湖北 武汉　430072)

1　工程概况

武汉永清街综合商务区A1、A2、A3地块由三座超高层塔楼及多层裙楼建筑组成,楼高分别为:A1塔楼320 m(75层)、A2塔楼130 m(33层)、A3塔楼160 m(38层),规划地上总建筑面积403 754 m2。三地块设置三层连体地下室,基坑周长1 047 m,开挖深度塔楼区为16.1～21.3 m,其他区域为15.4 m,基坑开挖面积39 800 m2,拟采用“两墙合一”地下连续墙作为基坑围护体。项目位于武汉市汉口永清商务区,西临武汉轻轨1号线,南为卢沟桥路,东临中山大道,北面为长江二桥汉口引桥,周边环境条件较为复杂,环境保护要求高,基坑工程重要性等级为一级。

基坑底部已进入承压含水层中,基坑工程实施过程将面临严峻的承压水突涌和管涌问题,并可能波及周边建筑及基础设施,因此,必须采取降水措施。为提高降水设计的可靠性,采用群井(中深井)抽水试验获取隔水、降水参数。

2　场区地层结构与水文地质条件*湖北地矿建设勘察有限公司，武汉永清综合发展项目A1/2/3地块岩土工程勘察报告，2011。

2.1　地层结构

场区地层为典型的“二元结构”,即上粘下砂,第四系覆盖层厚度达40余米,地层结构自上而下依次为:

(1) 杂填土(Qml)，杂色,结构松散,性质不均;

(4) 含砂砾岩(K-E),砂砾结构,钙质胶结,砾石粒径一般1～5 cm,强风化层中节理裂隙发育,中风化层岩芯较完整。

2.2　水文地质条件

场区地貌属长江一级阶地,西距长江约1 km左右,地面高程在22.22～24.98 m之间,较平坦。各层组地下水条件简述如下:

(1) 杂填土层地下水类型主要为上层滞水,接受大气降水补给,水量少,无统一自由水位,水量与周边排泄条件关系密切。由于结构松散、局部厚度大,其地下水疏干易导致地面沉降的产生。

(2) 粘性土层根据室内渗透试验测试,粘性土水平向渗透系数一般在1.44×10-7～7.85×10-7cm/s之间,为极微透水,属相对隔水层。但(2-1)及(2-3)层夹粉土、粉砂等,其水平渗透系数大于垂直渗透系数,在渗透水流作用下易产生流土、流砂。

承压水赋存于(3-1)层以及下砂性地层、卵石层及基岩裂隙中,与长江水系有紧密的水力联系,并受其调节和控制,形成上下连通的大含水层。

根据区域水文资料表明,武汉地区长江一级阶地砂土层中的承压水水头高度年变化幅度在3.0～5.0 m之间,孔隙承压水历史最高水位为22.0 m。试验期间为长江平水期。通过对抽水井与水位观测孔的水位观测,承压水水位埋深在地面以下10.80～11.40 m,相当于标高12.60～12.80 m 左右,低于正常承压水位5.60～5.80 m。这是因为与本场地相隔的中山大道的A5地块深基坑群井抽水,使场地承压水位下降(A5区共有18口井进行群井降水,单井流量960～1 540 t/d)。

3　试验方案

3.1　基本思路

抽水试验场地按以下原则选择：①试验场地水文地质特征具有代表性；②具备施工条件，不影响未来施工场地布置；③试验场地内抽水试验不会对周边建筑产生不良影响;④试验场地布置于排水便利地段。

抽水试验主要以承压含水层(3)粉砂、粉细砂层为降水目标层,试验包括三个方面:①单井抽水试验;②群井抽水试验;③在抽水试验全过程中进行地面沉降观测,根据降水可能的影响范围布设沉降观测点,以试验区为中心,按由密而疏的原则布设。试验方案布设见图1。

3.2　抽水井与观测井

本次抽水试验共设抽水井4口,水位观测井4口,抽水试验井编号为C1、C2、C3、C4,观测井G1、G2、G3、G4。抽水井井距为15 m,G1观测井设于抽水井点正方形中心,与抽水井同深度,其余三个观测井以G1为圆心,按3 m半径等距离分布,以确定同等降水条件下,不同观测层位地下水变化情况(图1)。

图1　试验井点及沉降观测布置图Fig.1　Layout drawing of points of test well and settlement observation

抽水井、观测孔孔径均为Φ600 mm,井管直径分别为Φ325 mm、Φ220 mm,钢质井管,壁厚≥3.0 mm,滤管管眼直径18 mm,呈梅花型排列,孔隙率≥15%,上部隔水层采用3～5 cm粘土球止水,下部含水层滤料为2～5 mm砂砾石。各试验井(孔)参数见表1。

4　群井抽水试验

4.1　单井试验

4.1.1试验情况

C1作为抽水井,井深40 m,抽取粉砂、粉细砂地层中承压水,C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4观测地下水位变化。C1与C2、C3、C4、G1、G2、G3、G4距离分别为15 m、20 m、15 m、12.0 m、10.0 m、14.0 m、8.0 m。抽水情况见表2。

4.1.2主要水文参数计算

根据场地含水岩组的水文地质特征及抽水主井过滤器的下置深度及长度,选用带二个观测孔(G2和C3)的稳定流承压非完整井条件下的对应计算公式计算水文地质参数渗透系数(K),即[1-2]:

(1)

影响半径(R)计算公式选用经验公式,即：

(2)

根据公式(1)、(2),水文地质参数计算结果如下:

K1=20.24 m/dR1=80 m

K2=18.02 m/dR2=100 m

K3=19.1 m/dR3=230 m

综合分析,Kcp=19.12 m /d,R=230 m。

4.2　群井试验

4.2.1试验情况

群井抽水试验于2010年5月15日7:30开始,至5月28日12:30结束。群井抽水试验以C1、C2、C3、C4同时抽水,G1、G2、G3、G4进行水位观测,4口井启动抽水后出水基本正常。C1平均总出水量81.0 m3/h,C2平均总出水量80.0 m3/h,C3平均总出水量75 m3/h,C4平均总出水量80 m3/h(表3)。

4.2.2水文参数计算

表2　三次降深抽水试验成果统计表Table 2　Statistical table of results of three pumping tests of drawdown

表3　群井抽水试验数据表Table 3　Data table of test of multiple wells pumping

试验表明上述单井出水量条件下水位均大于基坑最大深度18.00 m要求。

水位观测孔降深由于孔深不同和含水介质的各相异性,故水位降深各不相同,上部为相对隔水层粘土和粉质粘土,其补给是同一含水层的侧向补给,不存在越流补给。单井出水量80 m3/h,可保证水位迅速降低达到降深要求。采用大井法计算渗透系数,计算公式如下:

假定K、M、R、r不随Q、Sw的变化,则Q、Sw成正比关系。本次试验Q=7 584 m3/d、Sw取G1观测孔降深4.46 m,半径r为10.6 m,含水层厚度M为35.5 m。计算K=23.43 m/d,R=216 m。

4.3　地面沉降

为分析降水对周边地面沉降的影响，分别进行了地表及建筑物沉降观测，监测时间从2010年4月30日—2010年6月15日，并于2010年7月15日进行了最后一次监测。

从实际的地表监测情况来看,随着降水井开始降水,离降水井近的监测点的沉降增加较明显。尤其以降水井中心半径60 m范围内的监测点的变化为主(图2)。其中DB63,DB64,DB65点离降水井较远,其所在的地段靠近在建的A5地块,A5地块的基坑正在实施24 h不间断降水,距基坑边最近约6 m(DB65),最远约10 m(DB63),因此DB63-DB65点的沉降变化并不能真实地反映A1A2A3降水井所产生的影响,其主要反映的是A5地块在基坑开挖及基坑降水期间对周边地表所产生的影响,且影响较明显,而与之对应的DB66、DB67、DB68点的沉降却一直很小,基本没有什么变化。监测点的变化情况如下:累计沉降<5 mm的占61%,>20 mm的仅占3%。总体来说,此次降水并未对周边地表产生特别明显的影响。地表最大沉降量为32.44 mm(DB65),最小沉降量为0.16 mm(DB58)。

图2　地表沉降变化与时间关系曲线Fig.2　Relation curve of sedimentation changes of surface and time

降水开始前的最大累计沉降变化为1.41 mm(DB32)，最小沉降变化为-0.05 mm(DB5)。

降水期间的最大累计沉降变化为13.85 mm(DB28)，最小沉降变化为-0.05 mm(DB51)。

降水停止，最大累计沉降变化为2.22 mm(DB10)，最小沉降变化0.00 m。

降水开始，沉降增加相对较快，降水停止，水位可得以很快恢复，沉降则趋于稳定或停止。

降水试验并未对周边建筑物产生太大的影响,建筑物的累计沉降全部都<3 mm,在0.22～2.82 mm之间,均远远小于警戒值,建筑物处于稳定状态(图3)。

图3　建筑物沉降变化与时间关系曲线Fig.3　Relation curve of sedimentation changes of building and time

根据群井试验及沉降检测成果,与抽水试验井距离较远的DB63、DB64和DB65三个测点沉降最大,达到32.44 mm。出现此异常现象的原因是该三个测点与A5地块基坑距离近,受A5地块基坑降水影响所致。笔者收集了A5地块降水资料,结合本次降水情况进行了共同作用的数值模拟。分析结果得出，降水后可能导致周边沉降最大区域为共同作用区，模拟最大沉降值为46 mm，与监测情况基本吻合。

根据数值模拟结果，水位降深范围与地表产生沉降范围基本一致，约为中心井向外约60 m半径区域，而产生明显沉降范围一般≤30 m，这与非共同作用区监测情况也是基本对应的。

总体来说，此次降水并未对周边地表和建筑产生特别明显的影响。因此，根据本次群井试验条件进行工程降水达到降深时，基坑周边一般不会产生明显的沉降破坏。

5　基坑降水方案分析评价

根据单井试验及群井试验,含水层渗透系数(K)19.1 m/d,影响半径选用230 m,当井深<40 m时,渗透系数及影响半径将减小。结合模拟的基本条件,按以下两种方案对基坑降水进行评价:

方案一周边井深30 m,中部深40 m,渗透系数K值选K=19.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要为粉细砂层中的地下水,影响半径为150,200 m。

周边共需要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，总抽水量2 550 t/h。

基坑范围内水位降深7～10.5 m，最大沉降28 mm，外围沉降一般<10 mm。

方案二周边井深25 m,中部井深40 m,渗透系数K值选K=15.0 m/d,降水井所抽取的地下水主要为粉细砂层中的地下水,影响半径为120,200 m。

周边共需要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，总抽水量2 660 t/h。

基坑范围内水位降深7～10.5 m，最大沉降36 mm，外围沉降一般<10 mm。

根据数值模拟，两种方案降水效果及外围沉降情况基本相似，相比而言，方案二水位降幅较为均衡，但局部沉降偏大。二者降深及沉降值均小于试验值，在效果和安全上应可以满足要求，实际实施时，可根据场地条件选择不同方案或调整井管布置。

6　结语

(1) 群井抽水试验模拟基坑实施阶段降水施工,在实验条件下可尽可能接近设计降深,具有较好的试验效果。

(2) 施工降水时,基坑帷幕已完成,坑外地下水大部被阻隔,降水井在同样抽水量的条件下,水位降深会更大,降水效果会更好;在群井试验基础上,有利于将来实际基坑降水的实施控制,因而对实际基坑降水具有很好的指导作用。

(3) 基坑大面积降水时，由于施工周期长、干扰和不可预见因素较多，应在降水过程中加强基坑变形、地面沉降等监测工作，发现问题及时处理。

(4) 由于其成本费用高且试验周期长,从经济上分析，比较适用于周边环境复杂、保护程度高的基坑项目。

参考文献：

[1]GB50027—2001，供水水文地质勘察规范[S].

[2]水文地质手册[M].北京：地质出版社,1978.