敏感地區深基坑承壓水控制技術研究

彭 真

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002

上海市地處富水軟土地層，深層地下水存在多區域相互連通等情況，超深基坑工程施工越來越多地面臨承壓水穩定性控制難題，且由于地下水深層降排引起的區域環境保護問題日益突出。隨著城市地下空間開發利用率的日益提升，基坑開挖越來越深，周邊環境日益復雜。在富水軟土地區城市核心敏感區進行深基坑施工時，面臨越來越嚴重的承壓水管控風險，常由于基坑內外地下水未能有效隔離導致降水效果不佳或引起周邊地表較大沉降等問題[1-3]。本文以上海市軌道交通14號線陸家嘴站項目為例，以圍護-降水一體化設計為思路，研究承壓水控制方案的設計。

1 工程案例

1.1 工程概況

上海市軌道交通14號線陸家嘴站位于上海中心城區，主體位于花園石橋路下方。車站北側為威立雅水廠，南側為東亞銀行。車站為地下3層島式雙柱三跨車站，內凈總長219.43 m，標準段內凈寬28.9 m。陸家嘴站采用明挖順作法施工，采用厚1.2 m、深52 m地下連續墻作為圍護結構。

1.1.1 水文地質

本工程勘探深度范圍內地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水、⑦層及⑨層中的承壓水。施工期間地下水靜止水位埋深一般為0.80～1.40 m（相應標高3.33～2.58 m）。第⑦層承壓水水位埋深為5.29 m（相應標高約－1.11 m）。

1.1.2 工程地質

土層由上至下可劃分為9個大層、11個亞層和1個夾層，其中：①1-1層為人工雜填土，厚約3 m，質地松散；①3為河漫灘形成的江灘土，約厚6 m，質地松散，大部分為黏質粉土夾淤泥質粉質黏土；④—⑤均為全新世Q4沉積土層，土質不均，其中較多為粉質黏土，夾少量黏質粉土，上部為淤泥質黏土，含云母等雜質；⑥—⑨層為上更新世Q3沉積土層，基本為粉砂，上部為粉質黏土，局部夾細沙，含氧化鐵條紋，含云母等雜質。

1.2 降壓設計

陸家嘴站主體基坑根據計算需考慮降低⑦層水位，安全的降壓幅度為22.91 m。因圍護深入到⑦層，本工程采用坑內布置降壓井的方式降壓。端頭段降壓井深度為47 m，濾管長度7 m；標準段降壓井深度45 m，濾管長度10 m。

基坑開挖時，隨著開挖深度增加，承壓水層上部覆土提供的重力逐漸降低，承壓水提供的頂升力則不會隨著開挖深度的增加而減小。當承壓水提供的頂升力大于承壓水層上部覆土提供的重力時，基坑底板即處于不安全的狀態，易發生突涌等施工事故。為避免突涌事故的發生，基坑開挖時可采用式（1）進行底板抗突涌驗算：

根據驗算的結果即可得出水位降深的要求，可用于指導施工。

根據勘察報告，對各部底板抗突涌能力進行驗算，計算結果顯示：基坑開挖至設計標高時，承壓水上部覆土的重力將會小于承壓水本身的頂升力，基坑處于不安全的狀態，需要進行降水處理以防止突涌現象的發生。基坑降水設計時，按照最大水位降深22.91 m的要求考慮。

本次陸家嘴站抽水試驗的試驗井共包括15口降壓井，Y1井深47 m，Y3—Y7井深47m，YG1井深47 m，YG2—YG4井深45 m，YB2—YB6井深48 m；4口坑外觀測井，G5、G7、G8、G12井深46 m。

整個滲流區進行離散后，采用有限差分法將實際問題建立數學模型，計算、預測降水引起的地下水位的時空分布。

根據數值計算，預測基坑內承壓水抽降到安全水位時，坑外承壓水水位下降2～4 m。周邊地表沉降量隨距離車站距離而減小，且最大沉降量為10 mm。

1.3 降水試驗

本工程場地分布有⑦粉（砂）性土，為上海地區第一承壓含水層。減壓降水前，承壓水水頭約為地面以下5.2 m。

第1次抽水試驗于2018年12月2日11時開始進行，開啟8口井抽水，抽水井采用額定流量為25 m3/h的抽水泵。歷時24 h，穩定動坑內降深在14.68～16.77 m之間，未能達安全水位降深需求（22.91 m），坑外水位降深約為6 m。說明本工程地下水補給速度快，坑內外水力聯動明顯，常規的降水方式無法滿足降水需求，需要采取有效措施來提高基坑降水效果。

為提升基坑降水效果，需要有效地對坑內外地下水進行隔斷。本工程采用接縫止水配合止水帷幕對基坑內外的地下水進行有效隔離，以此達到增加基坑降水效果、減小降水對周邊環境影響的效果。

1.4 接縫止水

1.4.1 地下連續墻接縫止水

地下連續墻施作完成之后，因為接頭形式的不同，需要采取不同的接縫止水工藝進行補充。常用的地下連續墻接頭方式有十字鋼板接頭、套銑接頭、接頭管接頭、預制樁接頭等。十字鋼板接頭相較于一般的接頭管接頭，在制作難度沒有提升太多的情況下，防滲效果更好，盡管比預制樁接頭與套銑接頭防滲效果差一些，但是在施工工藝上更為簡便。最終，本工程選擇的是十字鋼板接頭并額外增加接縫止水措施。

接縫止水常用的是全方位高壓噴射（MJS）工法樁與高壓旋噴樁（RJP）等大直徑旋噴樁止水方式。MJS工法屬于高壓噴射注漿法的一種，在傳統高壓旋噴注漿工藝的基礎上，添加了獨特的多孔管以及前端造成裝置，實現孔內排漿以及地內壓力的監測。在使用中由壓力傳感器實時偵測數據，控制吸漿孔的開啟角度和范圍，通過調整端頭吸泥漿的數量達到平衡土體內壓力的效果?？杀苊馔馏w壓力發生變化，進而減小施工過程中因帶壓噴射水泥漿出現的地表變形、建筑物開裂、構筑物位移等隱患，同時地內壓力的降低也可保證大直徑樁的成樁半徑。RJP工法是使用三重管或四重管分別輸送水、氣、漿3種介質，采用上段超高壓水流結合高壓氣流第一次切削土體，超高壓漿液結合外側噴射空氣流二次沖擊切削土體，可形成大直徑且品質均一的圓柱形樁體，直徑最大可達3.5 m。其中，MJS工法具有成樁角度自由、成樁效果優良、周邊環境影響較小、作業深度深、集中排泥施工簡便等優點。因此，本工程采用MJS工法樁進行接縫止水作業。

1.4.2 MJS接縫止水設置

本工程坑外設置半圓形MJS工法樁地下連續墻接縫止水樁，樁深52 m，樁徑φ2 000 mm，噴射方向為平行地下連續墻邊的半圓；新老地下連續墻接縫區域施工樁長為52 m，施工根數為6根，樁形為全圓。

1.5 止水帷幕

1.5.1 止水帷幕施工工法選擇

上海地區土質多為軟土，地下水豐富，單純的降水以及封底難以滿足市中心地帶的高環保要求，往往需要額外采取隔斷措施來控制承壓水對周圍環境的影響。對于如何施作隔斷層進行隔水，過去各地的施工項目都進行了不同的嘗試，如使用增加地下連續墻長度的方式，利用增長的地下連續墻構造段作為承壓水隔斷帷幕。該方法將隔水帷幕與地下連續墻融合為一道工序，在更為簡便的同時，地下連續墻高昂的造價也使其運用范圍受到相應限制，在此基礎上又出現了很多更為經濟的工法用于施作止水帷幕。

上海國際金融中心使用等厚度水泥土地下連續墻（TRD）作為止水帷幕，在隔水效果達到要求的同時，對周邊環境影響較小。TRD利用滿足設計深度的附有切割鏈條以及刀頭的切割箱插入地下，在進行縱向切割橫向推進成槽的同時，向地基內部注入水泥漿，與原狀地基充分混合攪拌，在地下形成等厚度連續墻。其穩定性高，成墻質量好，設備高度較低，所需場地凈空低，可施工深度深。

上海前灘33-01地塊項目使用雙輪銑深層攪拌（CSM）工法進行等厚度水泥土攪拌樁施工，并將其作為落地止水帷幕，施工效果較好。CSM工法等厚度水泥土攪拌墻，是結合運用原有液壓銑槽機設備與現有深層攪拌技術，形成的一種新型地下攪拌墻施工技術，通過對施工現場原位土體與水泥漿進行攪拌，增強土體強度。相較于TRD，其同樣具備等厚成墻、施工環保的優點，同時具備更高的施工質量，并擁有更大的可施工墻厚，且能在堅硬地層中施工。

此外，止水帷幕的施工方法還有超深三軸攪拌樁形成止水帷幕、超深高壓旋噴樁形成止水帷幕等。

本工程由于對周邊環境保護要求較高，離水廠較近，使用的是施工本身對周邊環境影響較小的超高壓旋射攪拌成樁止水帷幕（以下簡稱“N-JET工法”）。N-JET工法是一種適用于軟土地基的成樁方式，實質上為大直徑高壓旋噴樁，通過鉆管（桿）連接特殊噴漿裝置（鉆頭），采用全方位旋轉或角度旋轉、向上提升、變換提升等方法，結合多噴嘴多角度噴射切削土體，將切削的土體與水泥漿液混合攪拌，凝固后形成樁體形狀，從而完成加固。N-JET工法具有成樁速度快，噴射土體攪拌均勻、質量好、工效高且節能環保，對周邊環境影響小，施工設備凈空低等優點。其對各種施工條件適應性極強，樁體最大直徑可達10 m，目前的最大深度達115 m，適合進行超深地基加固、超深坑內止水封底加固、超深地下連續墻接縫止水補強及側壁加固等各種地基加固施工。同時，N-JET工法不僅適合于軟土地基施工，在砂土層、砂礫層、卵石層、漂石層等各種復雜地層中同樣可以完成施工，且對施工產物的利用率也較高，可以根據需要控制加固樁體形狀，如圓形、半圓形、扇形、條形、網絡狀以及各形狀的組合。

1.5.2 N-JET隔水帷幕

本工程基坑外圍采用大直徑N-JET工法樁止水，形成1道止水帷幕。加固樁徑2 400～3 200 mm，噴漿深度20～60 m，鉆孔深度60 m。

1.6 降水情況及周邊環境情況

1.6.1 降水及周邊水位

第2次抽水試驗于2019年10月20日6時開始，開啟12口井抽水，采用額定流量為25、50、80 m3/h抽水泵，歷時7 h。抽水結束后，現場量測水位并進行整理匯總，得出結論：平均穩定動水位坑內29.83 m，水位降深23.29～23.70 m，坑外水位降深約5 m。

可以看出，在本項目目前的圍護結構下，進行坑內降水時，不僅所引起的坑外水位降低能夠滿足安全水位需求，且對周邊環境影響明顯減小，同時降水所用時間相較于第1次抽水試驗時明顯減少。

此外，在2次抽水試驗前，對Y1分別進行了2次單井抽水試驗。抽水結束后測量坑內水位與坑外水位，并進行對比，用于判斷止水加固前后，坑內降水對周圍環境的影響。收集數據并對比后發現，當單井水位降深達到12 m時，第1次試驗坑外水位下降4 m；同樣單井水位降深達到12 m時，第2次試驗坑外水位下降2 m。由此可判斷止水加固后，降水對周邊環境影響明顯減小。

1.6.2 周邊地面沉降

在基坑及降水施工過程中，對周邊的建筑物以及地下管線的沉降進行了監測。

降承壓水前周邊建筑物以及地下管線均已出現較大沉降，可以認為該部分沉降是由基坑開挖造成的，開始降承壓水后，周邊管線的絕對沉降有所下降，而建筑物的豎向位移以及差異沉降僅有少量上升，并且保持增長趨勢直至停止降水后?？梢钥闯觯苓叚h境沉降主要是基坑開挖引起的，與承壓水抽降關系較小。

2 結語

1）通過首次降水試驗數據可知，現場降水實際情況與數值模擬存在較大差異，實際情況相較于數值模擬結果偏大，降水設計時，應當比數值計算情況更為保守。

2）對比得知，經設置MJS接縫止水以及N-JET增長隔水帷幕后，基坑降水情況有明顯提升，坑內水位降能夠滿足開挖安全水位要求，且坑外水位下降量也有所減小。

3）N-JET超大直徑工法樁可以運用于深度超過50 m的粉砂層中的隔水帷幕設置，且隔水效果良好。

4）承壓水降水后引起的絕對沉降量要小于承壓水降水前引起的沉降，說明周邊環境沉降主要是基坑開挖引起的，與承壓水抽降關系較小。本工程抽降承壓水對周邊環境的影響可控。