上海鬧市區(qū)超深基坑降水技術(shù)研究

羅軍濤， 殷立鋒， 晏姝， 王彭宇， 王朝陽(yáng)

（上海長(zhǎng)凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

隨著上海深基坑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大、深度加深，承壓水對(duì)深基坑施工的安全威脅越來(lái)越大[1]。但是抽取承壓水會(huì)導(dǎo)致含水層或鄰近含水層的可壓縮夾層壓縮，特別是在基坑止水帷幕未隔斷承壓含水層時(shí)，引起周邊地面較大沉降，對(duì)周邊環(huán)境造成一定的影響[2]。目前懸掛式止水帷幕多應(yīng)用與周邊環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的區(qū)域，在周邊環(huán)境重要的鬧市區(qū)，懸掛式止水帷幕鮮有應(yīng)用。但在上海⑦層與⑨層連通區(qū)域，含水層深達(dá)百米以上時(shí)深基坑圍護(hù)形式只能選擇懸掛式止水帷幕。在此基礎(chǔ)上，如何減小基坑開(kāi)挖對(duì)周邊環(huán)境的影響變得尤為重要。

1 工程概況

黃浦區(qū)文化中心新建工程位于黃浦區(qū)迎勛路以東的129街坊北地塊內(nèi)。基坑面積約5030m2，普遍區(qū)域挖深為24.10m，局部深坑挖深達(dá)26.95m。工程基坑工程安全等級(jí)為一級(jí)，基坑各側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)為二級(jí)。基坑開(kāi)挖采用整坑順作法方案，采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為圍護(hù)體，深度55m，并設(shè)置五道混凝土支撐進(jìn)行圍護(hù)。

工程位于上海鬧市區(qū)，周邊建筑密集，東側(cè)、南側(cè)緊鄰高層住宅；西側(cè)、北側(cè)緊鄰老式住宅。周邊道路地下管線極為復(fù)雜，對(duì)周邊構(gòu)建筑物和管線保護(hù)為項(xiàng)目的重難點(diǎn)。

圖1 項(xiàng)目基坑分區(qū)及周邊環(huán)境示意圖

2 工程地質(zhì)情況

工程勘察階段所完成勘察孔的最大深度為70m，對(duì)此深度范圍內(nèi)揭遇的地基土，按其結(jié)構(gòu)特征、地層成因、土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異可劃分為7層，共10個(gè)亞層。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)成果

擬建場(chǎng)地分布有第⑦2層與第⑨層承壓含水層，第⑦2層承壓含水層與第⑨層承壓含水層相連。第⑦2層層頂埋深36.79～37.81m，勘察測(cè)得水位埋深5.54m；第⑨層層頂埋深60.39～61.73m。

工程主要針對(duì)開(kāi)挖范圍內(nèi)的潛水進(jìn)行疏干降水及下伏第⑦2層承壓含水層進(jìn)行減壓降水。

工程地下連續(xù)墻深55m，墻趾已進(jìn)入第⑦2層約18m，由于第⑦2層與第⑨層承壓含水層直接相連，承壓含水層埋深大、厚度大，地下連續(xù)墻未能將承壓水隔斷，形成懸掛式止水帷幕。

圖2 圍護(hù)剖面圖（單位：mm）

3 基坑降水分析

深基坑開(kāi)挖除考慮疏干開(kāi)挖范圍內(nèi)的潛水外，也須充分考慮承壓水安全性，針對(duì)下部承壓水含水層的頂托力進(jìn)行驗(yàn)算。

基坑下伏第⑦2層及第⑨層承壓含水層最淺埋深分別為36.79、60.39m，水位按照項(xiàng)目水文地質(zhì)勘察取5.54m，基坑最大開(kāi)挖深度26.95m，抗突涌安全系數(shù)為0.57，基坑開(kāi)挖需對(duì)第⑦層承壓含水層進(jìn)行減壓降水。

表2 基坑開(kāi)挖抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算（Fs=1.05）

經(jīng)計(jì)算，基坑開(kāi)挖需針對(duì)第⑦2層承壓水進(jìn)行減壓降水、無(wú)需針對(duì)第⑨層承壓水進(jìn)行減壓降水。當(dāng)開(kāi)挖至基坑最大開(kāi)挖深度26.95m時(shí)，第⑦2層承壓含水層安全水位埋深為19.76m，減壓幅度較大。

另一方面，地下連續(xù)墻未完全隔斷承壓含水層，坑內(nèi)降壓時(shí)，會(huì)引起坑外相當(dāng)大范圍的承壓水位下降，引起周邊道路、管線、建（構(gòu)）筑物的沉降，基坑減壓降水在盡量增加降水繞流路徑的基礎(chǔ)上，并采取地下水回灌措施，人為抬高坑外承壓水水位，減緩沉降變形，保證周邊環(huán)境安全。

4 降水設(shè)計(jì)

4.1 疏干深井設(shè)計(jì)

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)主要為第③層淤泥質(zhì)粘土夾粘質(zhì)粉土、第④層淤泥質(zhì)粘土及第⑤1-1層粘土，土質(zhì)較為軟弱，具較明顯觸變及流變特性，受擾動(dòng)土體強(qiáng)度極易降低。

單獨(dú)設(shè)置真空疏干深井，對(duì)潛水疏干處理，控制地下水水位在每層土開(kāi)挖面以下1.0m，為基坑開(kāi)挖作業(yè)提供良好的環(huán)境。根據(jù)上海地區(qū)降水施工經(jīng)驗(yàn)，為有效疏干富存在軟土中的潛水，單井有效疏干面積按照200m2布置，共布置15口真空疏干深井，井深設(shè)定為30m。運(yùn)行采用超級(jí)壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)，有效疏干開(kāi)挖范圍內(nèi)的潛水。基坑外設(shè)置潛水觀測(cè)井，井深30m，觀測(cè)坑外潛水水位變化。

4.2 減壓降水深井設(shè)計(jì)

根據(jù)文中承壓含水層抗突涌驗(yàn)算結(jié)果，基坑開(kāi)挖需針對(duì)第⑦2層承壓水進(jìn)行減壓降水，將地層概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型，利用Visual ModFlow進(jìn)行三維滲流數(shù)值法計(jì)算。

圖3 圍護(hù)與降水井三維立體示意圖

三維滲流計(jì)算模型符合假定，潛水的初始水位埋深0.5m、第⑦2層初始水位埋深5.54m；止水帷幕深度55m；降水運(yùn)行過(guò)程中減壓深井的單井涌水量平均為5～10m3/h。

在坑內(nèi)布置第⑦2層減壓深井，考慮基坑周邊環(huán)境的重要性，加長(zhǎng)基坑減壓降水繞流路徑，井深設(shè)定為46m，濾管長(zhǎng)度為7m，減壓降水繞流路徑10m；降水深井均采用鋼管井，孔徑650mm、井徑273mm。

經(jīng)三維滲流模型計(jì)算，在滿足第⑦2層承壓水水位控制在滿足基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算條件時(shí)，需要基坑內(nèi)布置減壓降水井10口（含2口觀測(cè)備用井），利用備用井進(jìn)行水位觀測(cè)，根據(jù)地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)降水運(yùn)行[3]。

另外在基坑外側(cè)，第⑦2層均勻設(shè)置10口觀測(cè)兼回灌井，為達(dá)到更好觀測(cè)及回灌效果，井深設(shè)定為49m，濾管長(zhǎng)度為10m。

圖4 基坑降水運(yùn)行后⑦2層埋深預(yù)測(cè)（單位：m）

圖5 基坑降水運(yùn)行后⑦2層降深預(yù)測(cè)（單位：m）

圖6 減壓降水井及回灌井平面布置

5 基坑降水運(yùn)行及回灌分析

5.1 生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)情況

基坑開(kāi)挖前實(shí)施生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)，以全面掌握?qǐng)龅厮牡刭|(zhì)情況及基坑內(nèi)外含水層水力聯(lián)系，避免基坑降水對(duì)周邊環(huán)境造成重大影響[4]。

在基坑坑內(nèi)降水井及坑外觀測(cè)井、回灌井成井結(jié)束后，進(jìn)行生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)。

由抽水試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)基坑內(nèi)第⑦2層水位觀測(cè)井BG1、BG2水位降深17.56、18.03m，滿足基坑最大開(kāi)挖深度要求安全時(shí)，基坑外承壓水水位降深在0.15～0.28m之間，止水帷幕繞流起到了良好效果，基坑內(nèi)減壓降水對(duì)周邊環(huán)境影響較小，基坑內(nèi)須做到按需降水，在基坑內(nèi)減壓降水的同時(shí)開(kāi)啟坑外回灌井進(jìn)行回灌補(bǔ)水，緩解坑外第⑦2層水位下降，保證周邊環(huán)境安全。

5.2 降水運(yùn)行及回灌運(yùn)行情況

基坑開(kāi)挖實(shí)施過(guò)程中，基坑降水嚴(yán)格遵循“分層降水”、“按需降水”的原則，根據(jù)減壓井抽水量及減壓觀測(cè)井的承壓水位，確定開(kāi)啟的減壓井?dāng)?shù)量，合理控制承壓水水位，將減壓降水對(duì)環(huán)境的影響控制到最低程度[5]。

基坑開(kāi)挖至第5層土?xí)r開(kāi)啟第⑦2層減壓深井，進(jìn)行減壓降水，隨著基坑的開(kāi)挖，逐漸將觀測(cè)井水位控制在19.80m左右，在基坑內(nèi)減壓降水的同時(shí)開(kāi)啟坑外回灌井進(jìn)行回灌補(bǔ)水，緩解坑外第⑦2層水位下降，保護(hù)周邊環(huán)境安全[6]。

項(xiàng)目在底板施工階段，基坑內(nèi)水位滿足基坑開(kāi)挖要求的前提下，基坑日涌水量穩(wěn)定在約200～220m3/d之間。

基坑外回灌遵循同抽同灌、抽灌一體化的原則，基坑內(nèi)抽取同層地下水經(jīng)過(guò)水質(zhì)處理后作為回灌用水。根據(jù)承壓水水位變化實(shí)現(xiàn)回灌井的自動(dòng)開(kāi)啟與關(guān)閉。底板施工回灌期間，測(cè)定單井最大回灌量可達(dá)30m3/d，實(shí)現(xiàn)抽灌平衡，在整個(gè)減壓降水期間，基坑外第⑦2層承壓水水位基本維持在初始水位，回灌效果明顯。

圖7 回灌原理示意圖

圖8 運(yùn)行水位曲線

基坑減壓降水期間，在回灌同時(shí)開(kāi)啟的條件下，坑外承壓水水位保持穩(wěn)定，基坑外周邊道路、管線及構(gòu)建筑物均表現(xiàn)平穩(wěn)，沉降變形量均在20mm以內(nèi)。未發(fā)生地下管線安全事故，周邊道路無(wú)明顯可見(jiàn)的沉降和開(kāi)裂現(xiàn)象，回灌整體達(dá)到了預(yù)期效果。保證基坑安全開(kāi)挖的同時(shí)，有效減小了懸掛式減壓降水對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。

減壓降水運(yùn)行期間配備降水備用發(fā)電機(jī)，保證現(xiàn)場(chǎng)用電停電后，發(fā)電機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)并切換，確保在基坑減壓降水運(yùn)行期間供電的連續(xù)，并為每口減壓降水井布置水位報(bào)警系統(tǒng)，在水位異常時(shí)報(bào)警，便于迅速采取相應(yīng)措施，保證基坑安全。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)項(xiàng)目基坑降水的設(shè)計(jì)與施工，并對(duì)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，得出結(jié)論如下：

（1） 三維滲流模擬計(jì)算為基坑降水設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，并利用生產(chǎn)性抽水試驗(yàn)驗(yàn)證降水設(shè)計(jì)的合理性。嚴(yán)格遵循“分層降水”、“按需降水”的原則。

（2） 鬧市區(qū)復(fù)雜環(huán)境下，懸掛式圍護(hù)深基坑施工，采取地下水回灌措施可以有效抬升坑外承壓水水位，保證基坑周邊構(gòu)建筑物及管線安全，減少基坑降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

（3） 項(xiàng)目基坑于2021年8月3日完成基礎(chǔ)底板施工，通過(guò)對(duì)周邊環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，表明坑內(nèi)減壓降水，坑外回灌的“抽灌一體化”降水方式對(duì)周邊環(huán)境保護(hù)極為有效、實(shí)用經(jīng)濟(jì)。