軟土地區復雜邊界條件群坑施工承壓水控制研究

黃 磊

上海陸家嘴金融貿易區開發股份有限公司 上海 200126

近年來，隨著國家經濟建設的發展，絕大部分工程在考慮規劃建設需要下都是成片開發的，基坑面積通常較大[1-2]。對于工程規模大，具有數十萬平方米建筑面積的超高層建筑而言，其占地面積往往較大，基礎埋深較深，為保護周邊環境，采取分坑施工可有助于減小基坑變形。分坑施工是軟土地區復雜邊界條件超大型深基坑工程的一般做法，意味著把一個大型基坑劃分成多個分區，分區與分區之間通過圍護結構進行分隔，然后根據現場情況、工程建設需要、施工方案等依次施工各個分區地下結構[3-5]。

由于地下水的存在，基坑開挖通常面臨處理滲水的問題，在軟土地基中該類問題更為常見。基坑滲水可造成周圍地下水位的變化，導致周圍土體內部應力發生改變，容易產生固結沉降問題，對周邊環境產生影響。在工程施工中需要足夠重視和采取必要措施，使沉降量控制在允許的范圍內[6-7]。在這種情況下，提出針對軟土地區復雜邊界條件下群坑降水的施工關鍵控制技術，顯然具有重要的現實意義和應用價值。

結合上海市浦東新區前灘21-02、21-03地塊基坑項目，通過理論分析、數值模擬以及工程實踐等手段，開展對軟土地區復雜邊界條件群坑施工承壓水控制關鍵技術的研究，研究成果可為類似工程的實踐應用提供參考。

1 工程概況與水文地質條件

1.1 工程概況

本工程為前灘21-02及21-03地塊項目，建設基地位于上海市浦東新區東方體育中心東南側，場地東、西兩側為濟陽路、東育路，南、北側為海陽西路、楊思西路。本工程21-02及21-03地塊統籌共建，2個地塊基坑總開挖面積約為5.8萬 m2，其中21-02 地塊基坑面積約3.6萬 m2，21-03地塊面積約2.2萬 m2。根據建設單位的開發進度，結合周邊環境保護要求，基坑分為18個區先后交叉施工，其中1a～1d區、2a～2b區、3a～3b區地下4層，4a～4e區、5a～5d區地下2層，3c區為地下1層（圖1）。

圖1 項目基坑工程平面示意

1.2 水文地質條件

場地屬于濱海平原地貌，位于長江三角洲入海口東南前緣，大部分區域為空地，場地地形較平坦，局部有一定起伏，實測一般地面標高4.28～6.25 m。主要組成為砂土、黏性土和粉性土，土層分布從上到下依次為：①雜填土（層厚1.20～5.60 m）、②粉質黏土（層厚0.70～3.40 m）、③淤泥質粉質黏土（層厚1.60～1.90 m）、③t灰色黏質粉土（層厚1.50～3.20 m）、④灰色淤泥質黏土（層厚5.20～8.50 m）、⑤灰色黏土（層厚2.20～3.10 m）、⑤2-1灰色砂質粉土夾粉質黏土（層厚8.90～10.10 m）、⑤2-2灰色粉砂（層厚7.50～11.10 m）、⑤3灰色粉質黏土夾粉性土（層厚10.90～12.10 m）、⑦1灰色粉砂（層厚2.00～4.20 m）、⑦2灰色粉砂（層厚3.00～6.20 m）。

表土層的地下水為潛水，其水位受降水、蒸發影響，根據本次勘探結果，穩定水位埋深介于0.60～1.60 m之間（相應標高在3.82～5.62 m之間）。場地內⑤2-1層和⑤2-2層為微承壓水含水層，⑦層（⑦1層和⑦2層）為第Ⅰ承壓含水層，⑨層為第Ⅱ含水層。本工程各分區基坑均需要抽降⑤2-1層和⑤2-2層微承壓水，因此本工程外圍地下連續墻隔斷微承壓水，減輕周邊環境因微承壓水變化導致的破壞。本工程地下2層以及地下4層普遍區域均不需要抽降⑦層承壓水，僅塔樓局部深坑開挖階段需要抽降⑦2上層承壓水（圖2）。

圖2 典型地質剖面示意

2 基坑施工難點與降水風險

1）基坑周邊環境復雜，其北側鄰近軌交8號線盾構隧道，西南側鄰近軌交6、11號線盾構隧道，基坑東側濟陽路下全長分布有能源管線，基坑周邊道路交通繁忙，市政管線密集，因此控制基坑變形、保護周邊環境是主要風險點。

2）本工程開挖深度范圍分布深厚③、④、⑤1層土，為含水量高、壓縮性高、強度低的軟弱黏性土，其觸變、流變特性較為明顯，在開挖過程中應防止對土體造成擾動，避免對土體的強度、承載力造成不利影響，否則對基坑變形控制不利。

3）項目區內遍布③t層黏質粉土，在地下水的滲透壓力下存在流砂、管涌等隱患。

4）擬建場地內⑤2-1層和⑤2-2層為微承壓水含水層，⑦層（⑦1層和⑦2層）為第Ⅰ承壓含水層，⑨層為第Ⅱ含水層，其中⑦2層被⑦2t層分割為⑦2上和⑦2下，⑦2下層和⑨層直接相連，基坑開挖過程中，需考慮（微）承壓水變化導致的基坑穩定性下降及周邊環境破壞等問題。

5）本基坑屬于超深超大基坑工程，地下室普遍挖深達到20～22 m，其開挖面積總共近5.8萬 m2，基坑設計及施工復雜，工程規模巨大。

3 群坑施工承壓水控制規律及措施

3.1 承壓水減壓降水機理分析

在滲流場和應力場相互作用的影響下，一般可通過減小承壓水水頭達到減少基坑滲水的目的。

通過Biot consolidation理論研究地下水滲流與土體變形的綜合效應，基本假設為：研究對象為均質土體，土體含水量完全飽和，且土為彈性材料；小變形；不可壓縮的土體顆粒及孔隙水；孔隙水滲流服從達西定律。總應力為有效應力σ'與孔隙水壓力p之和，平衡微分方程可表示為位移和孔隙水壓力（壓應力為正，Z坐標向上為正，體積力只考慮重力），如式（1）所示：

飽和土體中任意點的位移和孔隙水壓力的變化，須同時符合方程（1）、（4），聯立可得Biot consolidation方程。

3.2 三維滲流數值模型計算分析

根據地勘鉆孔資料及巖土、水文地質條件確定模擬區域范圍，本次建立的模型邊界確定在降水井影響界限之外。

3.2.1 計算模型

利用Visual Modflow軟件，綜合場地工程、水文地質條件，并考慮基坑圍護結構特點對滲流進行3D模擬計算，提供降水設計與施工建設的理論依據。實際計算平面尺寸為1 500×1 500 m2。在本次試驗模擬中，水位保持不變，在降水井作用界限外確定水頭邊界，并在Visual Modfolw中定義過濾器長度、出水量等參數。結合測得的工程、水文地質信息，并根據研究區的幾何形態及地層構造的實地情況對模型進行三維分區。將水文地質概念模型水平劃分為141行、262列。立體網格劃分見圖3。

圖3 三維滲流模型

3.2.2 水力特征

研究區域內的含水層分布廣、厚度大，根據研究區域深、淺層地下水的流量交換、滲流等情況，其運動特性可用空間三維流來表示；利用Visual Modflow構建的三維立體結構模型可以清晰地描述地下水的垂向越流情況；由于系統的無方向性及非均質性，其參數受空間改變的影響發生變化，地下水輸入、輸出受時間、空間變化影響而變化，系統參數可用水平各向同性描述。綜上，可用非均質水平各向同性的非穩定3D地下水滲流系統來解釋模擬區水流運動。

3.2.3 假設條件

1）注意群井效應及圍護結構隔水效果在減壓降水深井運作時的影響，在降水井運行時間累加增長的情況下，第⑤2-2層單井涌水量平均為1～2 m3/h，第⑦2上層單井涌水量4～6 m3/h。

2）承壓含水層的初始水頭深度3.87～6.59 m。

3）止水帷幕的阻水效果好，能有效封堵前期勘探孔，且降低涌水量。

3.2.4 計算結果

1）根據涌水安全計算得到的數據，需對第⑦含水層進行降水減壓。

2）第⑤2-2層減壓降水井深34/35 m；第⑦2上層減壓降水井井深設置為53/54 m；井管及過濾器外徑273 mm，減壓降水深井孔徑650 mm。

3）減壓降水井與坑內水位觀測兼減壓備用井的結構形式一致。

4）在減壓降水的同時，減小地下水下降對環境安全的影響，并保證地下水位在安全范圍內，實時監測承壓含水層水位，確定需要抽降的水量及啟動減壓井的時機。

5）經過計算，在滿足最大設計降深要求時，第⑤2-2和第⑦2上層減壓井工作量見表1。

表1 減壓井工作量

6）經過計算，在滿足最大設計降深要求的同時，基于降水運行的基坑水位的預測降深如圖4～圖7所示。

圖4 基坑1a、1c區降水運行后預測第⑤2-2層水位降深等值線（單位：m）

圖5 基坑1b、1d區降水運行后預測第⑤2-2層水位降深等值線（單位：m）

圖6 基坑1a、1c區降水運行后預測第⑦2上層水位降深等值線（單位：m）

圖7 基坑1b、1d區降水運行后預測第⑦2上層水位降深等值線（單位：m）

3.3 地面沉降分析

對降水引起的地面沉降，采用經典沉降公式進行預測計算：

計算已建立的三維模型，模擬施工工況，假設各分坑第⑤2-2層減壓降水的時間為120 d、第⑦2上層減壓降水時間為60 d，進行基坑減壓降水期間沉降計算時，第⑤2-2層采用的修正系數為0.30，第⑦2上層使用的修正系數為0.20。圖8為系統運行后基坑附近沉降預測等值線圖，地面沉降值在靠近基坑區域周邊達到最大，為5.0 mm，8號線隧道區域地面累計沉降1.0～2.0 mm，6號線區間隧道區域地面累計沉降為2.0～2.5 mm。

圖8 第⑤2-2層和第⑦2上層減壓降水后預測沉降等值線

3.4 地面沉降控制措施

1）采用信息化手段進行監測，實時跟蹤坑內外觀測井水位，盡量縮短鄰近地鐵等重要基礎設施減壓深井的抽水時間，按需要降低水頭的量進行降水。

2）盡快將環境監測資料報送項目部，以保證基坑開挖和環境安全，調控降水運行程序，并繪制相關的曲線、圖表。

3）在降水時，減小承壓水位降深可減小降水對環境的影響，但承壓水頭應滿足基坑穩定性要求，且微承壓水頭應隨開挖深度加深而降低。

4）基坑施工中發現的滲漏要及時處理，防止基坑外潛水位大幅度下降，盡量減少基坑外地面沉降。

4 結語

1）依托前灘21-02、21-03地塊基坑項目，基于有限差分法，建立了在承壓含水層降水與地面沉降變形耦合的三維滲流模型，為軟土地區復雜環境下的群坑開挖降水設計、施工、運行提供理論指導和技術支持，以有效控制基坑工程降水對坑周環境的影響。

2）本工程第⑤2-2層減壓降水井井深34/35 m，第⑦2上層減壓降水井井深設置為53/54 m，既可以有效滿足設計安全需要，又可以減少群坑降水對周邊環境的影響，可為類似工程條件的基坑降水施工提供一定參考。

3）軟土地區復雜邊界條件群坑降水施工是非常復雜的工程，選擇合理的計算模擬方法確定降水量，設計合理的降水方案，采取合適的降水工藝是系統性問題，仍有進一步研究的意義。