关于超深基坑第三承压含水层止水及降水问题的探讨

近几年随着天津市城市发展，挖深超过20米的超深基坑逐渐增多，围绕第三承压含水层对基坑形成突涌风险的探讨，渐渐成为基坑降水设计的主要话题。为确保基坑施工万无一失，设计单位不惜花费高昂代价，采用一切手段加深止水帷幕，截断其承压性。同时还不得不怀疑帷幕的可靠性，又在坑内布设大量的降压井降压。实际的施工效果却反映出帷幕渗漏情况严重，有的项目几乎完全需要依靠降压井满足安全需求。

2 第三承压含水层水文地质特性

天津市第三承压含水层，为上更新统第三组河流相冲积沉积层(Q3cal)中部一层以粉砂粉土岩性为主的地层[1]，根据《天津市地基土层序划分技术规程》(DB/T 29-191-2009)地层编号为⑪2。该层顶板埋深一般在31～35米左右，底板埋深一般在48～58米左右，承压水头埋深一般在8～9米左右。在降水工程密集区域，水头目前已经降至14米左右。于家堡金融核心区，根据实际工程，该含水层承压水头已经降至16米。

其上部分布有第一、第二承压含水层，第一层压含水层埋深16～18米左右，层厚3～4米左右，水头埋深在3米左右，为全新统下部陆相沉积层(Q41al)，地层分组层号为⑧2，岩性以粉土为主;第二层压含水层埋深19～20米左右，层厚4～5米左右，水头埋深在5米左右，为上更新统第五组河流相冲积沉积层(Q3eal)，地层分组层号为92，岩性以粉砂为主。

根据天津市地质调查研究院，区域浅层地下水水水文地质调查报告分析，第三承压含水层水平径流微弱，主要依靠第二承压含水层向下越流补给，同时向深部含水层向下越流排泄[2]。

3 实际工程现状

在实际工程中，设计人员为确保基坑万无一失，采用地连墙作为止水帷幕，墙体底端设计至地表以下60米，目的不言而喻，为切断该承压含水层，使之与周围含水层失去水力联系，消除其承压性对基坑的突涌威胁，以实现坑内疏干降水。

但是在实际的工程中，几乎没有一个项目的地连墙真正将其隔断，包括于家堡交通枢纽、中钢大厦、文化广场交通枢纽等。原因也是十分简单，由于天津地区软硬相间砂黏交互沉积地层特点，以及第三承压含水层为致密的砂性土中间夹有薄层黏性土，导致地连墙施工中垂直度控制不理想，导致如此深度的地连墙接缝不严密。根据对各大交通枢纽地连墙超深波槽避垂直度测试成果[3]，大部分槽段的垂直度在1/120～1/200之间，以60米深，1200mm宽的地下连续墙为例，在1/120～1/200垂直度下，墙体顶底水平偏距500mm～300mm，如果两幅墙体反向偏差，接缝处的墙厚仅有200～600mm，而且如此深度的地连墙，下部墙体幅间接缝处的混凝土抗渗性，难以达到理想状态，因此难以保证止水效果。例如，我们曾经采用高压旋喷桩对文化广场地铁换乘站60米深地连墙的接缝进行封堵，由于高压旋喷工艺垂直精度及桩径随深度增加而降低，封堵效果不尽人意，开挖后仍然四处渗漏[4]。至于新出现的JSM和TRD工艺施工，从目前中钢的项目来看，且不说施工费用昂贵，由于第三承压含水层致密巨厚纯净的粉细砂地层，出现了埋钻事故，目前在天津市的推广使用得到滞缓。我公司今年从德国宝峨公司引进的CSM水平铣轮水泥土搅拌连续墙工艺，虽然垂直度可以达到1/500，但施工深度最大也只有48米，对于响螺湾于家堡地区，层底深度在五十多米的第三承压含水层而言，也是束手无策。

4 提出问题

挖深25米的超深基坑是否一定有必要截断第三承压含水层?如果采用半封闭悬挂式帷幕，采用坑内降压措施降低承压水头，是否一定会对基坑周围环境产生破坏性影响?降压多长时间后基坑周边的潜水位才会下降到不可接受的程度?由于在目前实际工程中，无人敢于实践，上述问题还无法得到充分的验证。

5 数值模拟的分析结果

这里我们仅从得到的相关地层水文地质参数，通过有限元三维流数值模型计算的方法，来论证这些问题。虽然由于缺乏实际的观测数据作为边界约束，模型的可靠度会有所下降，但一些定性的结论还是具有一定参考价值。

根据地下水渗流理论，当承压含水层因抽水，其承压水头开始下降，打破了自然条件下地下水系统的原有平衡的水力联系，导致上部承压含水层开始向下越流补给，如此上部承压含水层水头也开始下降，如此传递，最终导致潜水向下越流补给，使潜水位下降。潜水位下降，势必产生浅部土体固结变形，地面产生沉降。由此带来的环境问题是基坑周边建筑物发生不均匀沉降开裂，道路塌陷变形，管道因地面沉降破裂而无法使用[5]。

根据数值计算结果，对地面沉降最为敏感的，是大幅降低第一承压含水层水头，原因是因为潜水含水层与第一承压含水层之间的相对隔水层并不绝对，潜水与第一承压含水层之间存在千丝万缕的水力联系，全新统底部的⑧1粉质黏土层中分布有粉土透镜体，因此潜水越流很容易发生。欧加华项目的基坑，由于对第一承压含水层隔断失效，在施工降水开始不到一个月，周围地面出现近40mm的沉降，就是上述原因造成的。

但是针对天津市分布的第二、第三承压含水层而言，由于上更新统顶部普遍都分布有巨厚的⑨1粘性土层，使第一承压含水层与下部第二、第三承压含水层的水力联系就大大降低。⑨1粉质黏土层的垂直渗透系数，根据抽水试验计算，一般为10-6cm/s，有效隔水厚度一般在5米左右。

根据数值计算结果，当基坑开挖25米，止水帷幕底部落于地面以下45米处，距离承压含水层底部深度相差10米，潜水初始水位在1米，将第三承压含水层水头降低至地表下24米时，当抽水时间延长至1.5年，潜水位才下降1米。如果降压时间缩短至半年，对潜水的影响几乎可以忽略。

6 初步结论

根据数值计算结果，再做以下假设及施工措施：

1、挖深在25米的基坑，首先必须隔断与上部潜水水力联系密切的第一、第二承压含水层。

2、针对第三承压含水层的降压，施工周期要尽量缩短，尽量减少降压的抽水量。

3、止水帷幕可以不必完全切断第三承压含水层，可以采用半封闭的悬挂式帷幕止水，以增加地下水渗流路径，加大水力坡降。

4、同时降压井的深度要小于帷幕深度，至少与帷幕底部深度相同。

5、备足减压井数量，施工中密切关注承压水头，按需降压，少抽水。尽量采用自流式降压井。

如果满足上述条件，我们认为没有必要一定采用60米的地连墙截断第三承压含水层。针对30米挖深的基坑，帷幕深度达到45米，确保帷幕的止水效果，在1年的施工周期内连续降压抽取第三承压含水层，对周围地表的影响完全满足安全的要求。

有些专家提出，由于很多基桩采用第三承压含水层的粉细砂作为桩基持力层，降压抽取该层地下水时，可能导致持力层固结沉降，对桩基产生影响。根据大量的勘察资料，第三承压含水层是状态致密的粗颗粒地层，标贯击数一般都大于50击，俗称“铁板砂”。实际上，在长期的地质年代里，该土层因上覆地层自重作用，已经处于超固结状态，土体骨架承受了大部分的竖向应力。含于其中的地下水，承受着上覆土层巨大的压力，才具有了承压性，降压过程中所抽出的水量，都是含水层弹性释水，水量大原因是因为其厚度巨大所致。在降压过程中，由于水头漏斗的扩散，压力减小(或释放)向四周传播，才引起孔隙水被不断地释放出来。但由于土体骨架已经承受了大部分的竖向应力，弹性释水后土层的固结压缩变形很小，对于桩基础几十毫米的沉降变形相比可以忽略不计。因此，完全不必考虑对桩基础的影响。

如果基坑挖深增大至30米时，部分地区已经将坑底落于第三承压含水层内。此时，该承压含水层水头必须降至顶板以下，出现含水层性质属于从有压变为无压现象。根据渗流理论，如果不降低坑外承压水头，或截断承压含水层，在水头差作用下，绕流作用将非常巨大。地下水将携带大量砂土绕过止水帷幕，不断涌进基坑底面，产生强烈的流土现象，基坑因此失稳而导致严重的事故[5]。当然，如果不截断承压水，在坑内布置足够多的降压井，将绕帷幕流入坑内的承压水抽走，从理论上讲也是可以的，但是这种强烈的三维流场与重力渗流场并不相同，坑底靠近帷幕处的水力梯度最大，流线几乎与坑地面垂直水头，如果帷幕施工时导致此处土体强度下降，或附近基桩桩侧存在薄弱面，局部流土的可能性还是存在的，这也是数值模拟所无法实现的，而且一旦局部突涌发生，会不会很快波及到基坑中部，也很难预料。我们认为，这种情况下，采取坑外降压的方法应该是有效的。但坑外降水对周边环境的影响评价，还需要我们去研究探讨。

参考文献：

[1] 天津市城乡建设交通委员会(2009)，天津市工程建设标准《天津市地基土层序划分技术规程》(DB/T 29-191-2009)

[2] 天津市地质调查研究院(2000)，《区域浅层地下水水水文地质调查报告》

[3] 天津市地质工程勘察院(2003～2009)，《天津市地铁2、3号线换乘站地下连续墙成孔检测报告》

[4] 天津市津勘岩土工程股份有限公司(2009)，《天津市文化广场交通枢纽换乘站地下连续墙水泥土高压旋喷桩止水效果分析报告》

[5] 吴林高等(2008)，工程降水设计施工与基坑渗流理论，上海，人民交通出版社