上海北橫通道中山公園工作井超深基坑的減壓降水設計與驗證

王新新 鄭劉衛 吳初興

1. 上海建工集團工程研究總院 上海 201114；2. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；3. 上海長凱巖土工程有限公司 上海 200433

1 工程概況

北橫通道中山公園工作井位于上海市中山公園內，為北橫通道主線中間過站井。工作井基坑平面尺寸為82.0 m×24.0 m，面積約2 000 m2，周長約200 m；周邊場地標高2.5～3.0 m，開挖深度約31.0 m；圍護結構采用地下連續墻（墻厚1.0 m，埋深58.8～65.3 m）；基坑底部下伏⑦1層承壓含水層；地下連續墻墻底位于⑧2層承壓含水層（圖1、圖2）。

工作井地下水主要有賦存于淺部土層中的潛水，賦存于⑤1T、⑤3T層中的微承壓水及賦存于⑦層、⑧2層及⑨層中的承壓水（⑧2層與⑨層連通）。根據上海地區經驗，微承壓水水位一般低于潛水位，年呈周期性變化，埋深3.0～11.0 m；承壓水水位一般低于潛水位，年呈周期性變化，埋深3.0～12.0 m。因⑤1T及⑤3T層呈透鏡體狀分布，分布范圍極小，故本次主要針對⑦層、⑧2層（與⑨層連通）的承壓水水頭埋深。勘測期間，第⑦層承壓水水位埋深為4.80～6.35 m，第⑧2層承壓水水位埋深為4.40～9.41 m。同時，參考鄰近項目抽水試驗，第⑦層承壓水的水位埋深為6.09～6.10 m。根據經驗，場地內第⑦層承壓水的水頭年變化量約在1 m之內，故第⑦層承壓水水頭埋深取4.80 m，第⑧2層承壓水水頭埋深取5.00 m。

圖1 中山公園工作井平面

圖2 中山公園工作井剖面

2 中山公園工作井超深基坑降水特點分析

1）工作井基坑開挖深度31 m，基坑下伏的⑦1層承壓含水層頂板埋深較淺，以勘探鉆孔Q1J56為例，承壓含水層埋深為30.5 m，承壓水水頭埋深取5.0 m，基坑開挖直接揭穿該層含水層，因此需要將該層承壓水水位降至坑底以下1 m。

2）工作井基坑止水帷幕采用厚1.0 m地下連續墻，墻深58.47～64.97 m，整個墻底基本未進入或進入第⑧2層粉砂層中2 m左右，未隔斷基坑內外承壓含水層之間聯系，工作井基坑及坑底亦面臨⑧2層承壓水突涌風險。同時，⑧2層與⑨層連通，使得基坑的降水工況更加復雜。

3 中山公園工作井超深基坑減壓降水設計

3.1 基坑坑底抗突涌穩定性分析

中山公園工作井基坑挖深31 m，坑底下伏的⑦1層承壓含水層頂板最淺埋深為30.5 m（鉆孔Q1J56），基坑開挖直接揭穿該承壓含水層。因此，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。

基坑底板抗突涌穩定條件采用式（1）計算。由式（1）可知：當基坑底板至承壓含水層頂板之間土的自重壓力與該承壓水含水層頂板處的承壓水頂托力的比值大于等于安全系數FS時，基坑坑底滿足抗突涌安全條件。

式中：PS——承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土 壓力；

PW——初始狀態下（未減壓降水時）承壓水的頂 托力；

hi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的 厚度；

γsi——承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的 重度；

H——高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度；

γw——水的重度，工程上一般取10.00 kN/m3；

FS——安全系數，一般取1.05～1.20，本工程取1.05。基坑坑底抗突涌穩定性計算如圖3所示。

圖3 基坑坑底抗突涌穩定性計算示意

第⑦層承壓水初始水頭埋深以4.80 m計算，承壓含水層頂板埋深為30.5 m（鉆孔Q1J56），由式（1）計算得到基坑開挖的臨界深度為15.50 m，整個基坑開挖深度超過15.50 m時，需對第⑦層承壓水進行減壓降水處理；當基坑開挖至坑底31.0 m時，⑦層承壓水的安全水位埋深為32 m，⑦層承壓水的降深幅度為27.2 m。

第⑧2層承壓水初始水頭埋深以5.0 m計算，承壓含水層頂板埋深為61.8 m（鉆孔Q1J63），由式（1）計算得到基坑開挖的臨界深度為28.67 m，整個基坑開挖深度超過28.67 m時，需對第⑧2層承壓水進行減壓降水處理；當基坑開挖至坑底31.0 m時，⑧2層承壓水的安全水位埋深為9.0 m，⑧2層承壓水的降深幅度為4.0 m。

3.2 基坑降水設計原則

1）上部潛水采用真空疏干深井形式。為避免提前降⑦層承壓水，疏干井減少井深到27 m（不進入⑦層），針對開挖范圍內存在的較厚黏土層，采用真空疏干深井，分段設置過濾器。

2）考慮地下連續墻完全隔斷了⑦層承壓水，采用坑內布設獨立減壓深井方式，根據穩定性驗算結果，按需降低承壓水水頭。

3）考慮地下連續墻進入⑧2層深度較淺，隔水效果不明顯，故⑧2層與⑨層承壓水采用坑外布設減壓深井方式，根據穩定性驗算結果，按需降低承壓水水頭。

3.3 降水井設計

根據3.1節第⑦、⑧2層承壓水基坑坑底抗突涌穩定性計算結果，采用三維滲流模型對降水井進行布設。三維滲流計算模型符合以下假定：第⑦層承壓水初始水頭埋深為4.80 m，⑧2層承壓水初始水頭埋深為5.00 m；地下連續墻止水帷幕深度為32.90～58.47 m；降水運行過程中減壓深井的單井涌水量平均為120～240 m3/d；根據實際工況，分層進行獨立降水。

在坑內布置第⑦層減壓深井時，井深按43 m考慮，過濾器為33～42 m；降水深井均采用鋼管井，孔徑650 mm、井徑273 mm。經三維滲流模型計算：基坑開挖過程中，第⑦層承壓水水位控制在滿足基坑坑底抗突涌穩定性驗算條件時，需要布置減壓降水井6口（含1口觀測備用井）。

在坑外布置第⑧2層減壓深井時，井深按68 m考慮，過濾器為61～67 m；降水深井均采用鋼管井，孔徑650 mm、井徑273 mm。經三維滲流模型計算：基坑開挖過程中，第⑧2層承壓水水位控制在滿足基坑穩定性驗算條件下時，需要布置減壓降水井4口（含1口觀測備用井）。

因此，根據三維滲流模型計算確定中山公園工作井基坑降水井布設如圖4所示。

圖4 中山公園工作井基坑降水井平面布置

中山公園工作井具體降水井類型及數量如下：

1）基坑內布置8口疏干井（含1口觀測井），井深27 m，編號S1—S7、SG1。

2）基坑內布置⑦層減壓井6口（含1口觀測井），井深43 m，編號Y1—Y5、YG1。

3）基坑外布置⑧2、⑨層減壓降水井4口（含1口觀測備用井），井深76 m，編號W1—W3、WG1。為了檢驗⑧2與⑨層的連通性，增加1口⑧2層觀測井W4，井深65 m。

4）基坑外布置⑦層觀測井5口，井深43 m，編號G1—G5。

4 中山公園工作井抽水試驗

在中山公園工作井基坑開挖前進行了抽水試驗。成井結束水位穩定后，現場取得的水位初始埋深（地面標高?。?.0 m）如下：潛水層水位平均埋深為2.90 m，⑦層承壓水水位平均埋深為4.52 m，⑧2與⑨層承壓水水位平均埋深為4.15 m。抽水試驗的主要設備及其參數見表1。

表1 抽水試驗主要設備與參數

4.1 ⑦層承壓水抽水試驗

4.1.1 ⑦層承壓水單井抽水試驗

單井抽水試驗時，降壓井Y3下入QX25-50-5.5內裝式潛水深井泵，觀測井YG1、G1、G2的水位降深曲線如圖5所示。

圖5 YG1、G1、G2水位降深曲線

根據Y3單井抽水試驗的結果，水泵流量25 t/h，當抽水約80 min后出現斷流?？觾扔^測井YG1水位由初始水位4.54 m迅速下降到8.96 m并保持下降趨勢，短期內坑外觀測井G1、G2水位無明顯變化。單井試驗表明：基坑內的⑦層承壓水，能在短期內迅速下降，并出現斷流，本工程圍護結構止水效果明顯。

4.1.2 ⑦層承壓水群井抽水試驗

群井抽水試驗時，坑內降水井Y1、Y3和Y4井抽水，坑內降水井Y5、Y2和觀測井YG1的水位降深曲線如圖6所示。

根據Y1、Y3和Y4群井抽水試驗結果，Y1井動水位40.08 m（流量3.2 t/h）、Y3井動水位38.28 m（流量4.5 t/h）、Y4井動水位39.12 m（流量5.35 t/h）并趨于穩定。坑內觀測井靜水位：YG1井35.4 m、Y2井36.40 m、Y5井33.96 m并趨于穩定。群井抽水試驗表明：通過啟動3個降水井，在48 h內可以把基坑內的⑦層承壓水迅速降低到坑底31 m以下，圍護結構止水效果明顯。

群井抽水試驗時，坑內降水井Y1、Y3和Y4井抽水，坑外G1、G2、G3、G5的水位降深曲線如圖7所示。

圖6 Y2、Y5、YG1水位降深曲線

圖7 G1、G2、G3、G5水位降深曲線

根據Y1、Y3和Y4群井抽水試驗結果，抽水試驗期間G1由初始值4.79 m下降到了4.87 m，降幅0.08 m；G2由初始值4.31 m下降到了4.55 m，降幅0.24 m；G3由初始值4.10 m下降到了4.23 m，降幅0.13 m；G5由初始值4.90 m下降到了5.00 m，降幅0.10 m。群井抽水試驗表明：通過啟動3個坑內降水井，坑外觀測井水位下降0.08～0.24 m，坑內降水時坑外水位有一定的下降。開挖期間，應加強坑外水位監測，當發現場觀測井突然水位下降時，應立即排查原因；發現坑內有異常時，及時采取應急預案。

群井抽水試驗時，坑內降水井Y1、Y3和Y4抽水降⑦層承壓水期間，坑外的⑧2層承壓水降水井W1—W4、觀測井WG1的水位降深曲線如圖8所示。

觀測結果表明：在坑內⑦層承壓水抽水期間，⑧2層承壓水位變化不明顯，可認為本工程⑦層與⑧2層之間的⑧1層黏土為隔水層。

4.1.3 ⑦層承壓水停抽水試驗

停止降水井Y1、Y3和Y4抽水后，坑內降水井Y2、Y5和觀測井YG1的水位回彈曲線如圖9所示。

圖8 W1—W4、WG1水位降深曲線

圖9 Y2、Y5、YG1水位回彈曲線

試驗結果表明：在坑內⑦層承壓水停止抽水后，3 d內坑內原來未抽水的觀測井靜水位回彈幅度1.66～3.50 m，坑內原來抽水的降水井動水位回彈幅度4.92～39.19 m，坑內水位回彈緩慢，表明坑外仍有少量補給。

4.2 ⑧2層承壓水抽水試驗

4.2.1 ⑧2層承壓水群井抽水試驗

群井抽水試驗時，坑外降水井W1、W2、W3、W4抽水，觀測井WG1的水位降深曲線如圖10所示。

圖10 群井抽水時WG1水位降深曲線

群井抽水試驗結果：通過W1、W2、W3、W4降水井的分階段啟動抽水，觀測井WG1水位由初始4.15 m下降到9.22 m，降幅達5.07 m。結合本工程實際施工工況，當基坑開挖到31 m，抗突涌穩定系數取1.05時，要求把本工程⑧2層承壓水降低到8.86 m以下。試驗結果表明：當把基坑外的4個降壓井開啟時，能滿足本工程安全系數取1.05時的降壓要求。

4.2.2 ⑧2層承壓水群井停抽水試驗

群井抽水試驗時，坑外降水井W1、W2、W3、W4停止抽水后，觀測井WG1的水位降深曲線如圖11所示。

根據試驗結果可知：當停止W1—W4抽水時，觀測井WG1水位迅速回彈，5 h內基本回彈到了初始水位。因此，在⑧2層降壓井啟動后，應現場備用發電機，確保實現雙電源供電，5 min內自動切換電源。

圖11 停止抽水后WG1水位降深曲線

5 結語

本文針對中山公園工作井超深基坑開挖過程中面臨的⑦1、⑧2、⑨層承壓水的管控難題，通過理論分析與計算，確定了合理的基坑降水設計方案，通過抽水試驗驗證了方案的合理性。主要結論如下[1-7]：

1）考慮到圍護結構已經隔斷了⑦層承壓水，在圍護結構止水性能良好的情況下，采用坑內布設獨立減壓深井方式，采用鋼管井，孔徑650 mm、井徑273 mm、井深43 m，過濾器為33～42 m，共6口（含1口觀測井）。⑦層承壓水單井抽水試驗表明：基坑內的⑦層承壓水能在短期內迅速下降，并出現斷流，表明工程圍護結構止水效果明顯，坑內布置5個降壓井和1個觀測井，能滿足有2個備用井、1個觀測井的要求。

2）⑧2層承壓水降水井W1—W4群井抽水試驗結果表明：當開足坑外4個降壓井時，能滿足安全系數取1.05時的抗突涌穩定性要求；但當降水井損壞時，考慮超深基坑坑底土體回彈量可能較大，為確保工程的安全，應考慮在坑外增加2口應急備用井。

3）當⑧2層承壓水降水井W1—W4停止抽水時，觀測井WG1水位迅速回彈，5 h內基本回彈到了初始水位，為防止現場斷電等造成⑧2層承壓水水位回彈，當⑧2層降壓井啟動后，現場應配備雙電源供電，并確保5 min內自動切換電源。