臨江復雜地質條件下的建筑深基坑降水施工技術

上海市地礦工程勘察院 上海 200072

1 工程概況

上海東方漁人碼頭（一期）工程主要由1 幢35 層塔樓、1 幢7 層魚形建筑、1 幢4 層商業街及純地下室組成。本工程總建筑面積193 468 m2，基坑面積約為33 986 m2，基坑邊緣總延長米約為1 038 m。基坑地下3層裙樓區域（B、D區）開挖深度13.80 m，底板落深區（C區）開挖深度14.75 m；塔樓區（A區）開挖深度15.60 m，局部落深區開挖深達17.30 m、20 m、21 m。地下2層區域開挖深度10.0 m。

基坑采用鉆孔灌注樁結合外側Φ850 mm@600 mm三軸水泥土攪拌樁作為圍護體，鉆孔灌注樁深度為27.3～31.25 m，三軸水泥土攪拌樁深度為19.8～20.75 m，SMW工法樁深度為23～30.25 m；在地鐵穿越區域及與鄰近南側保留建筑物區域采用Φ1 000 mm@750 mm的SMW工法內插850 mm×300 mm×16 mm×24 mm H型鋼作為圍護體，地下3層與地下2層高低差區域采用重力式水泥土攪拌樁壩體作為圍護體。

本工程周邊環境較為復雜。規劃中的軌道交通18號線從本地塊下穿過，周邊有眾多1～7 層居民住宅樓，場地東側丹東路下管線密集，丹東路盡頭為丹東路輪渡站；南側緊鄰水產公司商務樓等4 層建筑，距離約為2.3 m；要求較高。4 層保留建筑南側即為黃浦江碼頭，與本工程地下室外墻的距離約為34.8 m。

2 場區工程地質及水文地質條件

本場地自地表以下115.37 m深度范圍內為屬第四系河口、濱海、淺海、沼澤、溺谷、湖澤相沉積層，主要由飽和黏性土、粉性土以及砂土組成，具有成層分布特點。

根據本工程《巖土工程勘察報告》，擬建場區地下水根據埋藏條件可劃分為淺層潛水、微承壓水及承壓水。本場地淺部第⑤2層屬微承壓含水層，深部第⑦層是上海地區的第一承壓含水層。

據上海地區已有工程的長期水位觀測資料，第⑤2層微承壓含水層和第⑦層承壓含水層水位均呈年周期性變化，水位埋深的變化幅度一般在3.0～11.0 m，本場地勘察期間測得承壓水水位埋深約為7.50 m。

3 降水方案設計

3.1 場區內（微）承壓水含水層分布

整個場區內水文地質條件復雜，⑤2-1層、⑤2-2層分布不均勻；整個場區內上海第一承壓含水層第⑦層和第二承壓含水層第⑨層均有分布，且相互連通；成層分布的承壓/微承壓含水層可能具有一定的水力聯系，降水方案設計策劃時需重點考慮；基坑周邊構筑物及管線眾多，基坑降水會否引起坑外沉降的環境保護問題是本工程降水需要重點考慮的問題。

3.2 基坑突涌的可能性評價

在評價承壓水對基坑工程的影響時，宜根據其動態規律，按最不利原則考慮[1]。基坑底板的穩定條件：基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數下承壓水的頂托力。

故采用安全系數法：

式中：Fs——安全系數，取1.10；

Pcz——坑底開挖面以下至承壓含水層頂板間覆蓋土的自重壓力（kPa），地下水位以下按飽和重度計算；

Pwy——承壓水壓力（kPa）；

γs——承壓含水層頂板以上至開挖面間的土層的平均重度（kN/m3），取18 kN/m3；

hs——基坑最終開挖面至下部承壓含水層頂板間的距離（m）；

rw——水的重度（kN/m3），取10 kN/m3；

hw——承壓含水層從頂板算起的承壓水頭高度（m）。

圖1 基坑底抗突涌驗算示意

根據本場區巖土工程勘察報告，本工程承壓水埋深按最不利原則考慮，第⑤2層微承壓含水層頂板取最淺埋深19.20 m，絕對標高為－14.50 m，水頭埋深按7.50 m計算。根據以上公式計算，若要滿足Fs≥1.1，則土層開挖至深度12.05 m時，即需要對⑤2層微承壓含水層進行降壓。

本工程有⑤2層分布的區域，如商業街、塔樓、地下 3層的開挖深度均大于12.05 m，因此，對有⑤2層分布的區域均需要對該層進行卸壓計算。另外，塔樓落深區開挖深度較深，在－15.30～－16.30 m，開挖面均位于⑤2層中上部，但在該開挖面下有5.60～11.00 m的高壓旋噴加固，加固的厚度已基本覆蓋⑤2層，故針對塔樓落深區⑤2層降壓可不做考慮。但由于⑤2層的層厚變化幅度較大，6.00～16.00 m，因此，將⑤2層的降壓井暫定為27.00 m，在⑤2層抽水試驗結束后，應根據試驗結果再做調整。

第⑦層承壓含水層頂板取最淺埋深28.90 m，標高為－24.20 m，局部與⑤2層溝通，水位按不利原則考慮，取水頭埋深7.50 m。根據以上公式計算，若要滿足Fs≥1.1，則土方開挖至深度15.82 m時，即需要對⑦層承壓含水層進行降壓，否則基坑即有突涌的風險。

塔樓區的開挖深度為17.30～21.00 m，商業區的落深區開挖深度為16.25～16.50 m，均大于臨界開挖深度15.82 m，需要對⑦層降壓計算。由公式驗算可知，本工程商業街及塔樓的落深區均需要對⑦層承壓含水層降壓，但由于⑦層承壓含水層的初始水位尚未確定，本次初步方案設計僅針對塔樓⑦層降壓幅度較大的區域布置降壓井。

塔樓區⑦層承壓含水層的層頂埋深標高為－24.76 m～－26.67 m，該區域第一承壓含水層⑦層與第二承壓含水層⑨層相互連通，該區域水平向及垂直向滲透性較好。因此，根據該區域的地層特性及降壓幅度，在塔樓落深區共布置⑦層降壓井5口（其中包含1口降壓備用兼觀測井），井號為TJ1～TJ4、TJG1，井深為40.00 m，濾管長度為8.00 m。

3.3 疏干井設計

潛水疏干降水井的布置，原則上按上海地區單井有效降水面積的經驗值同時結合擬建工程場區土層特征、基坑平面形狀、尺寸確定[2]，根據上海市工程施工經驗，本工程單井有效降水面積取210 m2左右。

經計算，本工程布井數量100 口（其中包括因基坑面積較大、②0層江灘土的厚度較厚而增加的8 口疏干備用兼觀測井）。

井深確定：考慮到基坑普遍開挖深度為14.75 m（局部塔樓16.10 m），降水深度應達底板下1.0 m，井深3.0～4.0 m，最終設計疏干井深度為20.0 m。地鐵通道處因開挖深度為10.7 m，故設置了13 m深的疏干井。

3.4 減壓井抽水試驗

抽水試驗井主要布置在位于C區的受承壓含水層影響較大的位置，試驗結束后留作降水井用。

根據基坑降水設計方案布井平面位置，共設置4 組抽水試驗，試驗1～試驗3為單井抽水試驗，主要確定⑤2層微承壓水、⑦2層的水文地質參數、抽水效果以及檢驗2 層的水力聯系；承壓水試驗4為群井抽水試驗，目的是檢驗兩井抽水效果、驗證⑤2層與⑦2層的水力聯系、檢驗④層的隔水效果，并結合觀測地表沉降。

抽水試驗結果：⑤2層與⑦1層間存在一定的水力聯系；⑤2層與⑦1層測得的平均水位埋深為8.0 m；以水文地質參數求解中采用基于直線圖解法的水位恢復法計算并取平均值，算得⑤2層的T＝8.942 m2/d，K＝7.81×10-4cm/s，S=3.4×10-3，B=312.671/d； ⑦層的T＝172.25 m2/d，K＝5.58×10-3cm/s，S=0.12，B=149.851/d。

3.5 承壓水層減壓降水設計[3]

3.5.1 井結構與平面布置

根據抽水試驗結果，并結合工程實際，采用非完整井非穩定流公式進行設計計算，參數利用抽水試驗所獲得的數據，計算結果為：

⑤2層共布置降壓井36口，其中基坑Ⅰ區布置QJ1～QJ7為⑤2層降壓井，QJG1和QJG2為觀測兼備用井；基坑Ⅱ區布置QJ23～QJ26為⑤2層降壓井，QJG5為觀測兼備用井；基坑Ⅲ區布置QJ8～QJ22、QJ27為⑤2層降壓井，QJG3～QJG4、QJG6為觀測兼備用井。

⑦層承壓水降水井布置在塔樓落深區，共6 口，其中降壓抽水井TJ1～TJ5，TJG1為觀測兼備用井，原布置在Ⅱ區商業街用作抽水試驗的2 口較深的⑦層承壓水降水井用以應對該區落深區應急減壓降水，見圖2。

圖2 基坑減壓井布置與基坑分區

據方案在正常運營條件下，⑤2層減壓井開啟后可將Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區該層微承壓含水層頂面的水位降至滿足開挖要求的安全線下；⑦1層減壓井開啟后可將Ⅰ、Ⅲ區該層承壓含水層頂面的水位降至滿足開挖要求的安全線下。

3.5.2 減壓降水效果預測

采用抽水試驗校正過的三維數值模型進行群井降水的正預測分析，群井降水正分析預測表明：在Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區（加井及修改井位后）群井降水中，坑內降深能夠滿足設計要求。Ⅰ區在基坑外5 m處修正后沉降最大達到53.7 mm，Ⅱ區在基坑外5 m處修正后沉降最大達到44.4 mm，Ⅲ區在基坑外5 m處修正后沉降最大達到75.0 mm，均對周邊環境產生顯著影響。各區群井降水120 h后，最大沉降量為的等水位線如圖3～圖6所示。

圖3 Ⅰ區基坑降水等水位線示意（⑤2層）

圖4 Ⅱ區基坑降水120 h后等水位線示意（⑤2層）

圖5 Ⅲ區基坑等水位線示意（⑤2層）

圖6 Ⅲ區基坑部分點水位降深示意（⑦層）

4 降水運行控制

疏干井在基坑開挖前20 d進行基坑疏干降水，土方開挖前坑內潛水疏干完畢。降壓井開始運行時間：為保證基坑安全，降壓井開始運行時間的判斷，即當Fs=1.1時的開挖深度為臨界點進行控制。

⑤2層臨界開挖深度=19.2 m－1.1×112 kPa÷18 kN/m3=12.35 m

⑦層臨界開挖深度=28.9 m－1.1×209kPa÷18 kN/m3=16.12 m

根據上述計算數據，各降壓井降壓根據該井所在區域的開挖進度依次運行降壓井，⑤2層降壓井在挖深略小于12.35 m時開始運行，⑦層降壓井在挖深略小于16.12 m時開始運行。

4.1 運行方案

根據基坑開挖的工況，結合抽水試驗的結果，針對本場地不同的基坑部位，分別制定了不同的降壓運行方案，取得了理想的效果。

降壓井結束運行時間：基礎底板施工完成后，包括養護階段和地下室及上部結構施工階段，由設計單位提供基礎及上部結構的抗浮力，在確保承壓水水頭壓力不大于抗浮力的情況下，逐步減少降壓井的開啟數量，直至靜止水位情況下水頭壓力不大于抗浮力，最后由總包單位確定簽發降水停止令，降水全部結束。

4.2 運行管理

（a）潛水疏干降水井運行可在基坑開挖20 d前或更早開始；

（b）抽水運行過程中應隨時檢查設備運行狀況，發現故障及時排除；

（c）潛水疏干降水井抽水時，潛水泵抽水間隔時間由短至長，降水井抽干后應立即停泵，以免燒壞電機；

（d）抽水過程中應做好記錄：內容包括井涌水量（Q）、水位降深（S），并繪制流量（Q）、觀測孔水位、各監測點觀測資料與時間的關系曲線，以掌握動態，指導降水運行，不斷優化降水運行方案；

（e）降水工作現場應備有雙電源，確保降水的連續運行；

（f）隨著基坑開挖的不斷加深，潛水疏干降水井應根據開挖面的變化及時跟進井點的構造調整，及時做好割管和接管工作，保證降水井的真空度；

（g）降壓啟動時間（基坑開挖深度）應根據承壓水頭的具體埋深確定，保證按需降水，避免長時間大量抽取承壓水；

（h）降水結束后，應及時將井孔注漿封閉，補好蓋板；

（i）井口、井管設置醒目標志，做好標識工作；

（j）協同總包單位與挖機施工人員做好井管保護工作；

（k）降水配合基坑開挖及基礎底板結構施工。

5 降水效果及應急對策

從實際土方開挖情況來看，疏干井降水較好地達到了基坑開挖施工的要求，針對局部因存在第④層灰色淤泥質黏土造成部分疏干降水效果不理想的情況，開挖時有針對性地采用了輕型井點予以補充疏干降水，最終完全達到開挖施工的要求。

減壓井運行效果比較理想，但在土方開挖施工過程中1口⑦ 層減壓井遭到破壞，隨之啟動了備用井，最終基坑順利澆筑大底板，未出現基坑突涌險情。

6 基坑降水的環境控制

為使深層降水對地面沉降的影響降到最小，基坑降水過程中針對性地制定了一些沉降控制措施：臨近建筑物和地下管線的減壓井的抽水時間盡量縮短；在降水運行過程中隨開挖深度逐步降低承壓水頭，沒有抽水的井作為觀測井，控制承壓水頭與上覆土壓力足以滿足開挖基坑穩定性的要求，使降水對環境的影響進一步降低，尤其是臨近保護區域的減壓井需待基坑開挖接近底板時才開始運行；采用信息化施工，對周圍環境進行監測，發現問題及時處理，及時調整抽水井及抽水流量，指導降水運行和開挖施工。

7 結語

（a）施工結果證明：本工程降水設計的降水井類型、數量和井的結構以及平面布置都是符合實際的，降水達到了預期目的。本工程的順利實施對在臨江復雜地質條件下的深基坑降水設計與施工具有重要的借鑒意義。

（b）在進行基坑降水設計和施工時，要對勘察報告提出的地下水水位進行仔細分析，因施工時基坑圍護已做好，地下水環境已發生變化，有必要通過抽水試驗來準確確定各項水力參數和水位，并通過群井抽水試運行來檢驗和指導基坑實際降水運行控制。

（c）本工程地下水降深和地面沉降通過采用承壓非完整井非穩定流公式和三維數值模型是可行的。

（d）降水井施工中應嚴格按照相關規范操作，通過精心施工、嚴格管理、按需降水方可確保降水工程正常進行，以滿足基坑開挖的需要。