上海中心大廈基坑降水設計及實踐

瞿成松，張國強，羅建軍，繆國建

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;2.地下水污染控制與修復教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海長凱巖土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大廈基坑降水設計及實踐

瞿成松1，2，3，張國強3，羅建軍3，繆國建3

(1.北京師范大學水科學研究院，北京 100875;2.地下水污染控制與修復教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海長凱巖土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大廈位于上海陸家嘴金融貿易區中心和上海市地下第一、二、三承壓含水層連通區，基坑深達31 m，周邊環境復雜，含水層層頂埋深28 m，降水周期長達140 d以上。基坑降水經優化設計，精心施工，科學運行，達到了既降低開挖區域水位又保護周邊環境險情防治的目的。

基坑降水;承壓水;地面沉降

0 引言

上海中心大廈位于上海浦東陸家嘴金融貿易區核心地段，與金茂大廈、環球金融中心成“品”字型分布。場地位于東泰路、陸家嘴環路、銀城中路、花園石橋路所圍范圍，整個基地面積30 368 m2，總建筑面積約為520 000 m2，其中地上建筑面積約380 000 m2。本工程由1幢122層塔樓(結構高度565.60 m、建筑頂高度632.00 m)和1個5層商業裙房(高度35 m)組成，整個場地下設5層地下室，基礎埋深26.30～31.10 m。本基坑工程采用“分區施工，順逆結合”方法施工，塔樓先順作，裙樓后逆作，以保證塔樓工期、施工場地回轉以及周邊環境安全。基坑工程對降水提出了較高的要求［1］。

1 地質條件及降水評價

上海中心城區地表下100 m深度范圍內的土層主要分為9個工程地質層，地質時代為晚更新世—全新世［2］。全新統(Qh)共分五個大層，土層序號為①～⑤層，一般厚度為20～30 m，在古河道切割區，厚度達40～60 m左右。晚更新統(Qp3)共分四大層，土層序號為⑥～⑨層，陸家嘴區域100 m深度內涉及第⑩層，第⑩層屬Qp2地層。上海中心城區地表下100 m深度范圍內，地層的沉積年代、地層層序、土層名稱及分布狀況詳見表1。

根據《巖土工程勘察報告》，本場區內層自上而下地層見表2。本工程基坑開挖深達31.10 m，裙房區開挖深度為26.30 m，承壓含水層最淺埋深為28 m，塔樓區開挖面已接近第⑦2層承壓含水層，裙房區開挖面已近第⑦1層承壓水面，基坑突涌風險極大。該區域為第一承壓含水層、第二承壓含水層和第三承壓含水層連通區域，承壓含水層組厚117 m。基坑圍護體系為地下連續墻，裙房地墻深48 m，塔樓地墻深50 m，無法切斷基坑內外承壓水水力聯系。基坑周邊臨近馬路下分布大量地下管線，環境要求極高，降水必須做到按需降水。

2 基坑降水設計

2.1 降水布井原則

由于地下連續墻進入到承壓含水層中的長度達20～22 m，塔樓區施工時，部分井布置在塔樓基坑內，部分井布置在塔樓基坑外，裙樓區施工時，所有降壓井布置在基坑內。在基坑內、外布置水位觀測井，對坑內開挖深度以下的承壓水進行“按需減壓”降水，保證基坑安全及施工順利進行。

2.2 基坑底板穩定性分析

基坑底面設計標高以下承壓含水層組頂面埋深為地面下28.00 m，厚度117.00 m。開挖過程中，必須有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發生突涌事故，先進行基坑突涌穩定性分析。基坑底板抗突涌穩定條件：

在基坑底板至承壓含水層頂板之間，土的自重壓力應大于承壓含水層頂板處承壓水頂托力。對于開挖深度31.10 m的基坑降水，承壓水位控制原則是：當開挖深度＞27.00 m時，承壓水位必須控制在開挖面以下1.00 m;當開挖深度＜27.00 m時，按下式進行承壓水位控制：

表1 上海中心城區100 m深度內土層層序表Table 1 Sequence of soil horizon in 100 m depth

表2 上海中心地層簡表Table 2 Simple table of Shanghai center strata

式中：F為安全系數(取1.1)，hs為基坑開挖深度(m)，D為安全承壓水頭埋深值(m)，γs為基坑底板至承壓含水層頂板間的土層重度的層厚加權平均值(kN/m3)，γw為地下水重度(kN/m3)，根據上式計算出開挖深度hs對應的安全水位埋深D參見表3。

表3 塔樓區各階段降壓井運行計劃表Table 3 Operational schedule of dewatening well in tower building

2.3 降水設計計算

2.3.1 基坑降水水文地質概念模型

本次承壓水減壓降水目的層為上更新統的第I承壓含水層。上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層一起納入模型，將其概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型［3］。為了克服由于邊界不確定性給結果帶來隨意性，定水頭邊界應遠離源、匯項。通過試算本次計算以整個基坑的東西南北最遠邊界點為起點，各向外擴展500 m，即計算尺寸1 000 m×1 000 m，四周按定水頭邊界處理。

2.3.2 基坑降水數值模擬

根據上述水文地質概念模型，建立下列與之相適應的三維地下水運動非穩定流數學模型［4］：

根據研究區的含水層結構、邊界條件和地下水流場特征，將模擬區進行三維剖分，每層剖分為61行、49列，垂向將其剖分為7層，剖分網格共20 923個。網格立體剖分圖見圖1。

圖1 研究區立體剖分圖Fig.1 Three － dimensional subdivision chart

承壓水水頭初始埋深10.00 m，根據開挖工況計算，塔樓區基坑開挖至25.30 m前(第五道圓環支撐)，以基坑內降壓井運行為主時，在塔樓區基坑內布置12口深55.0 m降壓井，12口井運行將承壓水控制在24.0 m左右，確保第五道圓環處挖土施工(見圖2)。

圖2 塔樓基坑內減壓降水水位埋深等值線Fig.2 Dewatering contour in tower building

塔樓區基坑開挖至31.10 m以及大底板砼施工及砼養護時，以基坑內降壓井和塔樓基坑降壓井為主。塔樓基坑外側布置26口降壓井，井深65 m和55 m各一半，開啟21口井與坑內12口井一起運行，共計33口降壓井抽水運行確保了水位控制在地面以下31.0 m(見圖3)。

塔樓區基坑6 m厚砼底板完成后，坑內井需要進行封井，為了確保封井成功，以塔樓外側降壓井工作為主，確保塔樓基坑砼施工安全，開啟塔樓區外側26口降壓井，可以將塔樓基坑內四周(12口坑內井區域)承壓水控制在地面以下26.60 m，可以保證塔樓基坑內12口降壓井順利進行封井(見圖4)。

圖3 塔樓內外減壓降水水位埋深等值線圖Fig.3 Dewatering contour in and out of tower building

圖4 塔樓基坑外減壓降水水位埋深等值線圖Fig.4 Dewatering contour out of tower building

裙房區基坑開挖，以塔樓區外側和裙樓區內降壓井工作為主。在裙樓區基坑內布置20口降壓井，井深不超過地下連續墻，考慮45.0 m為宜，14口井與原塔樓區外側的9口降壓井一起運行，能夠將裙樓區域承壓水降至地面以下26.0 m，保證裙房區基坑開挖安全。塔樓區坑外井部分作為備用、應急井及觀測井使用(見圖5)。

圖5 裙樓區減壓降水水位埋深等值線圖Fig.5 Dewatering contour in podium building

3 基坑減壓降水工作量

基坑內外布置10口水位觀測井，觀測井深度45.00 m。塔樓區坑外28口降壓井，坑內12口降壓井，坑內2口觀測井，裙樓區坑內17口降水井，4口觀測井，基坑外圍4口觀測井。合計67口井(見圖6、圖7)。

圖6 降水井平面圖Fig.6 Planar graph of dewatering well

圖7 降水井剖面圖Fig.7 Profile of dewatering well

4 基坑降水疏干和減壓

4.1 潛水疏干降水

上海中心主樓基坑面積11 500 m2，疏干井40口，另加10套輕型井點;裙房基坑面積23 460 m2，疏干井65口。采用真空深井泵降水措施降低基坑內淺層潛水。基坑開挖前20 d預降水，開挖過程中水位低于開挖面1.0 m以下。開挖過程中圍護結構一旦出現滲漏水，立即采用快硬水泥或聚胺脂等措施止水堵漏。做好坑內明排水措施。

4.2 承壓水減壓降水

基坑開挖過程中持續穩定按需分級降低承壓水頭壓力滿足基坑開挖要求［5］。挖土施工前現場預備2臺250 kW備用發電機，確保施工現場因突發事件停電時在10 min內切換供電，確保承壓水抽水不間斷順利進行，防止承壓水突涌危及基坑安全。為防止地墻出現滲漏水影響基坑安全及施工進度，塔樓圓形基坑外15 m范圍內設置降壓井，必要時短期開啟降水作為止水堵漏和坑內封井等所需臨時措施，裙房基坑開挖時上述塔樓圓形基坑外降水井作裙房基坑降水井用。布設坑內外潛水和承壓水位觀測，同時布設周邊管線、道路、建筑物等設施沉降監測，信息化降水施工，根據監測數據及時調整降水方案，必要時采取回灌措施以保護周邊環境安全。

5 地面沉降預測

5.1 減壓降水引起的地面沉降理論

1925年太沙基建立單項固結基本微分方程［6］，并獲得了單層土的一定初始條件和邊界條件下的解析解。考慮多層土體，厚度H，含土層n層，土層i的厚度，豎向滲透系數，壓縮模量均已知，包含單面排水和雙面排水兩種情況。從理論上說，給定初始條件和邊界條件就可以運用數學方法即可解出定解。Schiffman在1970年曾就恒載作用下多層土體的一維固結問題進行了分析(見圖8)。

圖8 分層土體的太沙基求解沉降圖Fig.8 Terzaghi solving subsidence chart

考慮變荷載作用下分層土體固結微分方程為：

方程的求解條件：

同時，與均質地基的求解不同，多層地基的求解條件要考慮各個土層層與層交界面的連續性條件：

即在分界面上的一點的孔壓相對于分界面上下兩層土是相同的，流量也是相同的。

滿足方程一切求解條件的解為：

進而，通過求解超越方程等形式將式中有關參數求解，可得變荷載作用下分層土體的固結微分方程的理論解。

求得各個點的孔壓值后，便可以繼續求得各層土的平均固結度：

相對于整個分層土體而言，按孔壓定義的平均固結度：

5.2 塔樓區減壓降水引起的地面沉降預測

模擬實際施工工況，本地塊長期抽水，減壓降水對坑外地面沉降有一定影響，根據開挖工況，分期模擬計算、預測降水引起的相鄰地面沉降。

圖9 塔樓基坑降水引起地面沉降等值線圖Fig.9 Subsidence contour caused by dewatering

因塔樓區施工時預估塔樓區基坑開挖所需承壓水降水時間為140 d，根據抽水試驗階段建立的沉降模型進行計算，塔樓區承壓水降水運行后基坑周邊環境沉降預測等值線如圖9所示，緊鄰基坑外側的地面沉降值為12～24 mm。

6 實際降水效果

如圖10，塔樓基坑降水工程自2009年11月1日～2010年4月8日，歷時160 d，每天流量1 280～16 560 m3，共抽水 1 125 579 m3。其中2009年11月22日～2010年3月24日坑內3～12口55 m深降水井抽水，抽水量236 308 m3，2010年1月7日～2010年4月4日坑內8～23口55 m和65 m深降水井抽水，抽水量889 271 m3。坑內水位埋深8.55～30.79 m，坑外水位埋深8.28 ～22.07 m，臨近基坑地面沉降最大為33～40 mm。圓滿完成塔樓基坑降水任務。

圖10 上海中心塔樓基坑降水綜合信息圖Fig.10 Dewatering information map at the tower building

7 封井安排

本次主要是對塔樓基坑內的12口抽水井和3口觀測井進行封井，坑外的28口抽水井則等到裙房基坑底板澆筑完畢后與裙房內另外15口井按下面方法封井。

7.1 降水井的運行安排

基坑大底板澆筑前，保持坑內12口井抽水，坑外21口抽水，水位控制在31.0 m左右。基坑大底板澆筑完畢，混凝土強度達到80%以上時，開始逐個關閉坑內的12口抽水井，對坑內降水井進行封井工作，坑外26口井繼續抽水，將坑內水位控制在25.0 m以下。坑內12口降水井封閉完成10 d后，坑外降水井適當減少，將水位控制在16.0 m左右，能夠保證底板安全。

7.2 封井過程安排

坑內3口觀測井井管在底板第一層鋼筋頂面處割除，待底板澆筑混凝土時一同澆筑在混凝土下。坑內12口抽水井首先確保大底板澆筑完畢，在混凝土強度達到要求后才能進行坑內12井封井，坑內封井管內采用注漿封井，管外焊接鋼板止水片，注漿封閉后井管要低于大底板頂面1 000 mm，管口焊接雙層6 mm厚的鋼板，管口至底板頂面孔洞要用混凝土澆筑抹平。大底板扎鋼筋時就要考慮封井準備工作，井管外壁事先焊接好3道止水鋼板。預留第二次澆混凝土孔洞，尺寸為1.2 m×1.2 m×1.0 m。井內注漿前先用粘土填實降水井濾管部分，然后下注漿管到底部，再添2～3 m高度瓜子片，然后開始注漿，邊注漿邊提注漿管并填瓜子片，保持管子片頂端到注漿管底部1 m。重復注漿到井管割除面以上2 m左右可終止注漿。注漿效果達到要求后，割除井管，并將管內混凝土鑿除100～200 mm，井內焊接第一道鋼板，再用混凝土將空隙填滿，并內焊第二道鋼板。最后用與大底板相同標號或高一級標號混凝土將預留的孔洞填滿并抹平。

7.3 封井工藝

工藝參數：水泥：Po42.5，水灰比：0.5，注漿壓力：0.5 MPa，注漿量：＞220 L/m。注漿封井操作過程：封井前，先預攪拌好水泥漿，水灰比控制在0.5;先填瓜子片，然后在井管內下入1寸注漿管，注漿管的底端到井底;井管內填入瓜子片，瓜子片的回填高度在濾水管的頂端以上2～3 m左右;然后開始注漿，注漿時要求將水泥漿通過瓜子片的空隙滲入底部濾水管的周圍將濾水管的縫隙堵死;注漿完畢，水泥漿達到初凝的時間后，抽出井管內壓板以上的殘留水，并及時觀測井管內的水位深度或標高的變化情況。一般觀測2～4 h后，井管內的水位無明顯的升高，說明注漿的效果較好。

［1］龔士良.上海城市建設對地面沉降的影響［J］.巖土工程技術，1998，(3)：43 －45.

［2］葉淑君，等.上海區域地面沉降模型中土層變形特征研究［J］.巖土工程學報，2005，27(2)：140 －147.

［3］駱祖江，等.松散承壓含水層地區深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型［J］.巖土工程學報，2006，28(11)：1947 －1951.

［4］姚天強，石振華，曹惠賓.基坑降水手冊［S］.第一版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［5］劉國彬，王衛東.基坑工程手冊［S］.第二版.北京：中國建筑工業出版社，2009.

［6］Terzaghi K.Peck R.B.and Mesri G..Theoretical soil mechanics［S］.John Wiley ＆ Sons Inc，1943.

Dewatering Design and Practice at Shanghai Center Building

QU Chengsong1，2，3，ZHANG Guoqiang3，LUO Jianjun3，MIAO Guojian3
(1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing100875;2.Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation，Ministry of Education of China，Beijing100875;3.Shanghai Changkai Geotechnical Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Shanghai center building is located at Shanghai Lujiazui finance and trade zone where the first，second and third underground confined aquifers are connected directly.Its pit depth is 31 meters，and the surrounding environment is complex.The top layers of aquifers is 28 meters deep，dewatering time is up to 140 days.Due to optimized design and careful construction，the dewatering achieve the objective of reducing the excavation of the danger and protect the surrounding environment.

dewatering for the foundation pits;confined aquifer;subsidence

TU753

A

1671－1211(2011)03－0209－06

2010－11－26;改回日期：2011－05－25

上海市科學技術委員會資助項目 (09dz1207900);上海市科學技術委員會資助項目 (10dz1202300)。

瞿成松 (1964－)，男，高級工程師，水文地質工程地質專業，從事巖土工程設計、施工、科研及管理工作。E－mail：qcs724@126.com

李 雯)