復雜工況條件下超大規模深基坑群地下水控制技術

張英英

上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 工程概述

1.1 工程概況及周邊環境特征

上海世博會B片區由南北向的規劃一路和東西向博城路、規劃二路，將B片區的主體基坑分為6個大區（B02-A、B02-B、B03-A、B03-B、B03-C、B03-D）。單區基坑面積17 000～22 000 m2。28棟單體建筑中，其中4棟為28層高層（最高120 m），其余為6～16層，整體設2～4層地下室。博成路以北為地下2、3層，博成路以南為地下3、4層，地下2層區域開挖深度11.2 m，地下3層區域開挖深度15.4 m，地下4層區域開挖深度19.7 m。

本工程周邊分布有世博場館等重要建（構）筑物與眾多地下管線，特別是西側長清北路地下有已建成的軌道交通13號線世博大道站與區間隧道，距離本工程基坑邊線最近11 m，屬于地鐵保護區范圍之內，保護要求高。B02基坑南側博成路及B03基坑南側國展路地下各有1條共同溝，截面尺寸為6.0 m×3.5 m（外徑），底板、側墻及頂板厚300 mm，埋深約2.25 m，距離地下連續墻3 m，共同溝內有世博地區的水管及電纜，施工中需重點做好保護（圖1）。

1.2 工程地質及水文地質條件

擬建場地位于古河道地層沉積區，缺失上海市統編第⑥、⑧層，勘察揭露地層自上而下依次為：①1層雜填土、②層粉質黏土、③層淤泥質粉質黏土、④1層淤泥質黏土、⑤2-1層粉砂夾粉質黏土、⑤2-2層黏質粉土夾粉質黏土、⑤2-3層粉砂夾粉質黏土（局部分布有⑤2-3t層粉質黏土夾黏質粉土）、⑤3層粉質黏土、⑤4層粉質黏土、⑦2層粉細砂、⑨1層粉砂、⑨2層細砂。

圖1 基坑環境平面示意

根據地下水賦存條件，場地地下水類型主要為潛水、（微）承壓水及深部的承壓水。勘察期間所測得的潛水靜止水位埋深一般在0.60～2.30 m之間。⑤2-1層、⑤2-2層及⑤2-3層3層相連，屬（微）承壓水含水層，水位埋深為3.50～3.70 m（相應標高為0.65～0.92 m），各基坑均需針對⑤2層采取減壓措施。場地內規劃一路以東⑤3層缺失，僅在B02-A、B03-A、B03-C大部分場地內含⑤3層或⑤4層。場地東部及南部第⑤2層中（微）承壓水與第⑦層第Ⅰ承壓含水層和第⑨層第Ⅱ承壓含水層直接連通，約占基坑總面積的40%，形成復合型巨厚含水層組，為超深基坑群復雜施工工況下的地下水控制帶來極大難度。

2 環境水文地質評價

2.1 初始水位的確定

為保證安全，控制環境影響，按照基坑群的開挖統籌安排，先在前期施工的B03-A地塊開展專項水文地質試驗[1]。試驗開始前現場實測場地第⑤2層（微）承壓水水位埋深為3.25～3.70 m（相應標高為1.15～0.92 m），與詳勘期間水位基本保持一致。考慮到場區位于古河道沉積區，水位觀測結果受觀測時間的差異、場地地面情況的變化以及相鄰基坑開挖的影響，在基坑施工階段應密切關注（微）承壓水水位變化，以便及時細化群坑同步和交錯施工條件下的降壓運行工況。

2.2 水文地質參數的計算

水文地質參數可通過解析法或數值法確定，解析法可明確含水層組的水平滲透性，但不能獲取其垂向滲透系數，對于含水層組厚度大、止水帷幕深度難以隔斷含水層的基坑，其垂向滲透系數的大小決定了基坑外的水位降深及基坑周邊環境的變形[2]。因此，本次試驗通過建立三維地下水滲流數學模型，采用有限差分數值法，結合試驗數據反演水文地質參數（表1），并對所反演的水文地質參數進行驗證，發現擬合值與試驗值吻合性較好，說明對應參數取值可靠，該模型可作為后期進行模擬分析預測的依據。

表1 抽水試驗反演參數

根據計算結果可知，⑤2（微）承壓含水層組各亞層間滲透性存在較大差異，⑤2-1層與⑤2-3層滲透性較好，但其間分隔的⑤2-2層滲透性相對較差，后者與前者相比差1個數量級。后期不同深度的基坑群在減壓降水時需充分利用⑤2（微）承壓含水層組中各亞層間的滲透性差異。抽水試驗期間尤其是群井抽水試驗過程中，因圍護已施工完畢且抽水時間較短，總沉降量絕對值變化不大，但沉降趨勢明顯，水位下降造成環境變形的影響比較明顯。群井試驗結束后，地表回彈現象明顯。各層之間滲透性存在差異，應結合止水帷幕深度及周邊環境特性，提供科學、合理、經濟、有效的差異化地下水控制方案。

2.3 斷電/停泵施工風險分析

群井停抽后，觀測井水位恢復較為平緩。1 d內觀測井水位恢復約15%，此現象再次驗證了⑤2-2層滲透性相對較弱的結果，也為后期群坑分區、分時降水，縮短大面積抽水時間提供了依據。

2.4 基坑底板抗突涌穩定性分析

要保持穩定，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[3]。即：

式中：h——基坑底至承壓含水層頂板間距離，m；

γs——基坑底至承壓含水層頂板間土的重度，kN/m3；

H——承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離，m；

γw——水的重度，取10 kN/m3；

Fs——抗突涌安全系數。

根據抽水試驗實測⑤2層（微）承壓水位埋深最深為3.25 m，考慮周邊環境問題，降壓運行按照安全系數1.05進行控制，當基坑開挖深度等于或大于8.50 m時需考慮對⑤2層進行降壓處理。另外充分利用⑤2層各亞層間滲透性顯著差異的特性，按照分層降壓的理念，細化不同亞層的降壓需求，便于進行差異化降水設計（表2）。

表2 不同開挖深度下各基坑⑤2層降深需求統計

2.5 環境變形分析

抽水試驗期間尤其是群井抽水試驗過程中，因圍護已施工完畢且抽水時間較短，總沉降量絕對值變化不大，但沉降趨勢明顯，水位下降造成環境變形的影響比較明顯。群井試驗結束后，地表回彈現象明顯。因本場區位于古河道沉積區，場地內普遍缺失上海的標準硬塑⑥層，抽水目的層上直接覆蓋高壓縮性、高含水量的淤泥質軟土，場區內若減壓降水控制不當將對周邊環境產生嚴重影響，因此必須采取科學的降水設計與施工管控措施。

3 超大深基坑群地下水控制分析

3.1 超大深基坑群地下水控制的難點

3.1.1 施工工況復雜，降水設計難度大

該區域6大地塊地下空間，分布了14個相對獨立又緊密聯系的大小基坑，這種坑連坑、坑中坑等組合式基坑群同步與交錯施工，彼此制約、交叉影響，工況復雜，加之復雜的周邊環境和相鄰基坑之間、順逆作基坑之間以及鄰近地鐵設施分坑實施的基坑之間均有著嚴格的設計工況要求，使得各基坑邊界條件極為復雜，為復雜邊界（工況）條件的降水設計帶來極大難度。

3.1.2 典型軟土地區，地處濱江，水文地質條件差

建設場地靠近黃浦江，為上海典型軟土地區，地下水位高，（微）承壓水豐富，屬于古河道沉積區，（微）承壓含水層厚度大，大面積區域受古河道切割影響，造成⑤2～⑨層組成復合型巨厚（微）承壓水含水層組，止水帷幕深度難以隔斷整個含水層組，水文地質條件極差。

3.1.3 周邊環境復雜，降水引發的沉降影響大

場地周邊分布有世博場館等重要建（構）筑物，已建成的軌道交通13號線世博大道站與區間隧道、共同溝等保護對象，環境保護要求高。因此，該區域集合了深基坑工程面臨的各類復雜與不利的周邊環境。但場區內普遍缺失上海統編的⑥、⑧層，經前期專項水文地質試驗結果可知，減壓降水引發的地面沉降反應靈敏。

3.2 超大深基坑群地下水控制總體設計

3.2.1 復雜工況（邊界）條件下的群坑耦合降水設計

針對深基坑群的施工，相鄰多個深基坑同步與交錯施工相比單個深基坑開挖，對周邊環境產生更為復雜的影響，即群坑施工耦合效應。需充分考慮群坑抽水間（微）承壓含水層間的水力聯系，借助三維數值模擬軟件，預分析群坑間分階段抽水時地下水滲流場的變化情況，優化減壓井數量，并通過開挖前的試抽水試驗，驗證降水效果，細化降壓運行工況。確保在滿足各基坑安全水位控制埋深要求的前提下，降壓井開啟數量最少化。

為直觀地反映相鄰深基坑在同步或交錯施工狀態下降（微）承壓水造成的地下水滲流場變化，以B03-C1、B03-D、B03-B為例，對比分析不同降水設計形式下的地下水滲流場變化及降水井數量。其中B03-C1為地下3層基坑，開挖深度約為15.4 m，主要針對⑤2-1層進行降壓；B03-B、B03-D為地下4層基坑，普遍開挖深度約為19.7 m，需分別考慮對⑤2-1、⑤2-3層進行降壓設計。B03-C1、B03-D兩相鄰基坑屬于同步施工狀態，當B03-C1、B03-D兩地塊開挖至第2道支撐時，B03-B地塊開始施工，與前期B03-C1、B03-D兩地塊形成交錯施工狀態（圖2）。

圖2 B03-C1、B03-D、B03-B基坑平面位置示意

根據模擬預測，對B03-C1、B03-D、B03-B進行群坑耦合降水設計相比分別針對這3個基坑獨立進行降水設計后再線性疊加其綜合影響，前者所反映的坑內降水引發的坑外水位降深及地面沉降相比后者減少20%，其主要原因為群坑間在同步與交錯施工狀態下，地下水滲流場相互影響，每個基坑內抽水井數得到一定程度優化（表3）。

表3 2種不同降水設計形式下坑內降壓井數量對比

經工程實踐證明，系統性考慮群坑抽水間的相互影響，可充分考慮到相鄰基坑間地下水滲流場的變化，主要優勢體現在：最大程度優化井點數量，節約工程造價；相比獨立進行各基坑的降水設計，考慮群坑抽水間的相互作用，系統性進行降水設計，可提高（微）承壓水前期風險評估的準確性，為事前主動控制（微）承壓水風險提供重要參考依據；相鄰基坑間因空間位置毗鄰，某些先行施工的基坑坑外觀測井在后續相鄰基坑開挖時直接轉化為坑內抽水井，更能提高井點的綜合利用率；縮短抽水時間，最大化降低減壓降水對坑外環境的影響。

3.2.2 不同開挖深度的基坑差異化降水設計

為縮短降（微）承壓水的時間，不同開挖深度的基坑降水普遍遵循疏干井與降壓井分開設計的原則，但由于不同深度基坑的開挖底面、止水帷幕與（微）承壓水層頂的關系存在一定的差異性，故采用圍護-降水設計一體化設計思路，針對不同類型的基坑特點進行差異化降水設計。

1）地下2層基坑，開挖深度約為11.2 m。止水帷幕深度深入至⑤2-2層中。疏干井深度至基坑開挖底面以下5 m左右，設計深度為15 m，加載真空負壓；降壓井深入至（微）承壓含水層⑤2-1層中，盡量縮短降壓井井深，與止水帷幕底保持較大高差（圖3）。

圖3 地下2層區域降水井設計結構示意

2）地下3層基坑，開挖深度約為15.4 m。止水帷幕深度深入至⑤2-2層底。疏干井深度至與基坑開挖底面基本持平，設計深度為15 m，不宜貫穿（微）承壓含水層；降壓井深入至微承壓含水層⑤2-1層中，合理控制降壓井井深，最大化發揮止水帷幕的側向隔水效果（圖4）。

圖4 地下3層區域降水井設計結構示意

3）地下4層基坑，開挖深度約為19.7 m。止水帷幕深度深入至⑤2-3層中，充分利用⑤2（微）承壓含水層組各亞層間滲透性的差異，尤其是⑤2-2層滲透性相對較差的有利條件，有針對性地對⑤2-1層、⑤2-3層采取分層降水，將潛水含水層與⑤2-1層合并進行疏干降水，減少坑內井數，便于土方開挖，并設置一定數量的備用井。降壓井主要針對⑤2-3層單獨設置，并盡量縮短其降壓井深度，控制在止水帷幕深度范圍內（圖5）。

圖5 地下4層區域降水井設計結構示意

4 結語

為有效控制世博會B片區超大規模地下空間開發所涉及的超大深基坑群在同步與交錯施工工況下的地下水危害，通過專項水文地質試驗進行環境水文地質評價。依據評價成果充分利用巨厚型（微）承壓含水層組各亞層間的水文地質差異性，按照“圍護-降水一體化”設計思路，合理利用止水帷幕的側向隔水性，針對不同開挖深度的基坑進行差異化降水設計。同時充分考慮群坑抽水間（微）承壓含水層間的相互影響，借助三維數值模擬軟件，預分析群坑耦合效應下的地下水滲流場變化[5]，并通過開挖前的試抽水試驗，驗證降水效果，細化降壓運行工況，確保在滿足各基坑安全水位控制埋深要求的前提下，實現降水最小化。基于復雜工況（邊界）條件下的群坑耦合差異化降水設計相比單一基坑獨立設計后再線性疊加其綜合影響，可最大程度優化井點數量，一井多用，合理節約工程造價，提高地下水風險前期評估的準確性，減少降水對周邊環境的不利影響，確保基坑本體和周邊環境的雙重安全。