鄰近高速鐵路 30 m 深基坑承壓水控制關(guān)鍵技術(shù)

陳 鶴（上海東華地方鐵路開發(fā)有限公司 ，上海 200071）

隨著基坑越挖越深，風(fēng)險(xiǎn)越來越大，承壓水已逐漸成為基坑開挖階段最大的風(fēng)險(xiǎn)源，既危害基坑的安全，又危害周邊環(huán)境的安全。尤其是在高速鐵路附近，承壓水的控制更為重要。對(duì)于鄰近高速鐵路深基坑施工來說，坑外水位降深幅度應(yīng)盡可能小，以確保基坑開挖和坑內(nèi)降水期間不造成高速鐵路沉降；坑內(nèi)基坑開挖期間又要按需降水，以控制基坑底的穩(wěn)定。為了控制降承壓水的施工風(fēng)險(xiǎn)和對(duì)高速鐵路的影響，必須從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等多環(huán)節(jié)來控制風(fēng)險(xiǎn)。

1 工程背景

上海軌道交通市域機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)線 JCXSG-2 標(biāo) 2 號(hào)風(fēng)井，為盾構(gòu)接收井兼中間風(fēng)井，基坑深 30.22 m，位于滬昆高鐵與李莘聯(lián)絡(luò)線夾角地帶，圍護(hù)結(jié)構(gòu)距離滬昆高鐵線路中線最小凈距離為 27 m。鄰近高速鐵路建造如此深的基坑，國(guó)內(nèi)外尚屬首次。

1.1 工程概況

基坑長(zhǎng) 30.4 m，寬 25.4 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，墻深 64 m，靠近高鐵側(cè)地下連續(xù)墻為 1.5 m 厚，其他三側(cè)為 1.2 m 厚。沿基坑深度方向共設(shè)置 8 道支撐，包括 3道混凝土支撐和 5 道鋼支撐，底板厚度 1.5 m。

1.2 工程地質(zhì)條件

本工程屬于濱海平原地貌類型，土層分布情況見表 1。

表1 土層分布

1.3 工程水文條件

地下水有潛水-微承壓水和承壓水兩種類型。潛水-微承壓水主要賦存于 ①1填土層（潛水）、④1 粉砂夾粉質(zhì)黏土層（微承壓水），穩(wěn)定水位埋深為地表下 0.3～1.5 m。承壓水位于 ⑦1 粉砂夾粉質(zhì)黏土層、⑦2 粉砂層，兩者相互貫通，視為同一承壓含水層，穩(wěn)定水位埋深 6.04～6.62 m。

2 隔水、降水設(shè)計(jì)

2.1 隔水設(shè)計(jì)

采用嵌入式止水帷幕，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)穿過承壓水層，進(jìn)入隔水層一定深度，可以有效隔斷承壓水。在這種情況下，只需確保圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果，將降承壓水簡(jiǎn)化為基坑內(nèi)疏干，基本可以解決降承壓水對(duì)周邊環(huán)境的影響。機(jī)場(chǎng)線 2 號(hào)風(fēng)井處 ⑦1、⑦2 層存在承壓水，⑦2 層底埋深 78 m，⑨1中細(xì)砂層同樣屬于透水層，無法施作嵌入式止水帷幕隔斷承壓水。為了達(dá)到隔水的效果，采用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)底部墻趾處施作人工隔水層的方式，即在地下連續(xù)墻底部采用 φ3 500@2 200 的 N-JET 工法樁進(jìn)行滿堂加固處理。隔水層加固厚度 6 m，隔水層底位于地下連續(xù)墻底以上 1 m 處。隔水層施工完成后，通過地下連續(xù)墻預(yù)留的壓漿管道對(duì)地下連續(xù)墻與隔水層的接縫處進(jìn)行壓漿處理，保證隔水層與圍護(hù)結(jié)構(gòu)接縫處無滲流通道。

圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻縫止水也是有效隔絕承壓水的關(guān)鍵。接縫處地連墻外側(cè)上部利用槽壁加固時(shí)的三軸攪拌樁、下部采用RJP 工法樁，將墻縫進(jìn)行完全封閉。直徑 2 400 mm 的 RJP工法樁加固深度為地下連續(xù)墻槽壁加固樁底至地下連續(xù)墻墻底,上部穿越三軸攪拌樁時(shí)引孔實(shí)施,豎向與攪拌樁有不小于1 m 的搭接。

2.2 基坑底隔水層穩(wěn)定性分析

基坑開挖后，由于承壓含水層覆土層厚度變薄，覆土的壓力降低。當(dāng)覆土壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時(shí)，承壓水將可能使基坑底面產(chǎn)生隆起，嚴(yán)重時(shí)使土體被頂裂產(chǎn)生滲水通道，從而發(fā)生基坑突涌。圖 1 為基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖，采用式（1）判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖1 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖

式中：Ps—承壓含水層頂面至基坑底面之間的覆土壓力，kPa；

Pw—初始狀態(tài)下（未減壓降水時(shí)）承壓水的頂托力，kPa；

hi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的厚度，其和等于圖 4 中的 h，m；

圖4 坑外潛水水位變化曲線圖

γsi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的重度，kN/m3；

H—承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；

γw—水的重度，取 10 kN/m3；

Fs—安全系數(shù)，本工程取 1.05。

本工程采用地下連續(xù)墻、墻縫設(shè)三軸攪拌樁＋RJP 工法樁的方式阻斷側(cè)向水的滲流路徑，墻趾處設(shè)置 6 m 厚 N-jet封底隔水層阻斷底部承壓水。基坑最大開挖深度 30.22m，對(duì)于底部承壓水，需驗(yàn)算封底隔水層以下⑦2層的抗突涌穩(wěn)定性，驗(yàn)算結(jié)果見表 2。根據(jù)水文地質(zhì)勘察報(bào)告，承壓水位埋深 6.04～6.62 m，初始水位按地下 6.00 m 計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，基坑開挖至基底時(shí)抗突涌安全系數(shù)大于上海市工程建設(shè)規(guī)范 DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求的1.05，滿足要求。

表2 隔水層抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

2.3 降水設(shè)計(jì)

本工程雖有 N-jet 封底隔水層隔斷承壓水，但考慮到坑內(nèi)降水幅度較大，同時(shí)對(duì) N-jet 封底效果缺乏有效的檢測(cè)手段，故在坑內(nèi)設(shè)置降水井對(duì) ⑦1、⑦2 層進(jìn)行封閉式降水，井底設(shè)置在 N-jet 封底隔水層以上。開挖第一～四道支撐時(shí)，坑內(nèi)僅需疏干上層的潛水，將水位降至開挖面以下 1 m。開挖第五～八道支撐時(shí)，對(duì)坑內(nèi) ⑦1、⑦2 層按需降承壓水。開挖至基底時(shí)，已經(jīng)挖至⑦1層，需將水位降至坑底以下 1 m。對(duì)基坑各開挖工況進(jìn)行抗承壓水突涌穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見表 3。

表3 各開挖工況抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果

2.3.1 疏干井布設(shè)

基坑開挖施工時(shí)，需疏干開挖范圍內(nèi)土層中的水，保證基坑開挖的順利進(jìn)行。基坑疏干面積 772 m2，單井有效抽水面積 200 m2，設(shè)置疏干井?dāng)?shù)量 4 口。為減少對(duì)承壓水層的影響，疏干井濾管不可以進(jìn)入 ⑦1 層，同時(shí)考慮到 ⑥1 粉質(zhì)黏土層為硬土層，故將疏干井的濾管底設(shè)在 ⑥1 層頂，疏干井深度為 25 m。

2.3.2 降壓井布設(shè)

本工程承壓水位于 ⑦1、⑦2 層，在坑內(nèi)布設(shè)降壓井進(jìn)行封閉式降水。開挖至基底時(shí)，已挖至 ⑦1 層，需將水位降至坑底以下 1 m，水位降深達(dá)到 25.22 m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，需布設(shè) 2 口降壓井，濾管長(zhǎng)度 15 m，濾料層頂設(shè)置在 ⑥1層底，井深為 48 m。

2.3.3 坑內(nèi)觀測(cè)兼?zhèn)溆镁荚O(shè)

基坑中布置 5 口觀測(cè)兼?zhèn)溆镁；拥乃倪吳铱拷蔚牡胤骄鶆虿荚O(shè) 1 口井，中心處布設(shè) 1 口井。觀測(cè)井底部不深入 N-jet 封底層，井深為 45 m、56 m 的兩種觀測(cè)井，分別觀測(cè) ⑦1、⑦2 層水位情況。

2.3.4 坑外觀測(cè)井布設(shè)

在基坑外，布設(shè)深、淺不同類型的觀測(cè)井分別觀測(cè)地下連續(xù)墻及封底隔水層周圍情況。其中 41 m 井 2 口，64 m 井及 71 m 井各 1 口。

2.3.5 坑外應(yīng)急回灌井布設(shè)

坑外布設(shè) 10 口應(yīng)急回灌井，布設(shè)在靠近高鐵一側(cè)，井間距 15 m，井深 53 m。布設(shè) 2 口坑外觀測(cè)兼?zhèn)溆没毓嗑?53 m。

3 抽水試驗(yàn)

止水帷幕及 N-jet 封底層施工完成后，在基坑開挖之前，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，檢驗(yàn)降水效果、分析坑內(nèi)抽水時(shí)引起坑內(nèi)外水位變化情況、以及評(píng)價(jià)地下連續(xù)墻及封底層對(duì)承壓水的封閉效果。

3.1 初始水位觀測(cè)

試驗(yàn)前對(duì)試驗(yàn)井點(diǎn)進(jìn)行水位觀測(cè)，初始水位情況見表4。坑外 ⑦層初始水位埋深為 5.42～6.66 m；坑內(nèi) ⑦ 層水位因洗井影響未恢復(fù)至初始水位，降深計(jì)算時(shí)坑內(nèi)井點(diǎn)初始水位埋深統(tǒng)一按場(chǎng)我范圍內(nèi)平均值 5.66 m 計(jì)。

表4 試驗(yàn)觀測(cè)井初始水位埋深一覽表

3.2 抽水試驗(yàn)

Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h，坑內(nèi) ⑦1 層、⑦2 層水位埋深為 32.00～32.10 m，安全水位控制埋深 31.20 m，滿足基坑開挖至坑底時(shí)水位控制要求。此時(shí)，坑外觀測(cè)井下降幅度為0.04～0.18m。試驗(yàn)觀測(cè)井水位降深情況見表 5。

表5 試驗(yàn)觀測(cè)井水位降深情況一覽表

Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h，Y 1 出水量約為 219 m3，平均流量約為 6.24 m3·h-1，Y 2 出水量約為 309 m3，平均流量約為 8.80 m3·h-1。抽水試驗(yàn)開始后，流量隨抽水時(shí)間整體呈逐步減小的趨勢(shì)。開始第一小時(shí)流量為 15.7～18.9 m3·h-1，往后逐漸減小至 4.5～5.5 m3·h-1左右。圖 2 為試驗(yàn)抽水井流量變化圖。

圖2 試驗(yàn)抽水井流量變化圖

3.3 回水試驗(yàn)

停抽后，恢復(fù)試驗(yàn)歷時(shí) 34.5 h，經(jīng)過 30 min 坑內(nèi)井水位恢復(fù)了 0.4%～1.3%，經(jīng)過 1 h 恢復(fù)了 0.9%～2.5%，經(jīng)過 5.0 h 恢復(fù)了 6.3%～10.3%，經(jīng)過 12 h 恢復(fù)了14.4%～19.6%，經(jīng)過 18 h 恢復(fù)了 19.3%～23.4%，經(jīng)過 24.5 h 恢復(fù)了 25.4%～26.9%，經(jīng)過 34.5 h 恢復(fù)了36.1%～38.6%。恢復(fù)速率較慢，恢復(fù)程度較低。

4 降水運(yùn)行控制

4.1 疏干運(yùn)行控制

基坑開挖前，提前 15 d 開啟疏干井，加載真空負(fù)壓疏干開挖土體，開挖過程中保持持續(xù)抽水，疏干開挖范圍內(nèi)土體并降低其水位在開挖面以下 1 m。采用真空泵抽氣和潛水泵抽水的方法降低潛水位，4 口井配備 1 臺(tái)真空泵，每口井單用一臺(tái)潛水泵，潛水泵和真空泵同時(shí)開啟，抽水期間真空管路的真空度 ＞-0.065 MPa。

4.2 減壓降水運(yùn)行控制

為減少降水對(duì)周圍環(huán)境的影響，隨開挖深度的逐漸加大，坑內(nèi)逐步降低承壓水頭。基坑開挖至臨界深度前一周，加強(qiáng)對(duì)承壓含水層初始水位的觀測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)的初始水位調(diào)整降壓運(yùn)行工況。通過智能化水位觀測(cè)系統(tǒng)，密切關(guān)注坑內(nèi)外水位變化情況。承壓水降深控制見表 6。

表6 基坑開挖階段承壓水降深一覽表

4.3 回灌井運(yùn)行控制

坑外承壓水位降幅報(bào)警值為 0.5 m，當(dāng)降幅接近報(bào)警值或有明顯下降趨勢(shì)時(shí)，應(yīng)及時(shí)啟動(dòng)應(yīng)急回灌井，回灌后水位控制在初始水位附近。回灌水源優(yōu)先采用自來水，水源不充足時(shí)可考慮基坑內(nèi)抽出的承壓水。本基坑開挖至第七道支撐深度，坑外承壓水位有明顯下降趨勢(shì)，開啟回灌井回灌，水位穩(wěn)定在初始水位 ±20 cm，直至底板澆筑完成。圖 3 為坑外承壓水水位變化曲線圖。

圖3 坑外承壓水水位變化曲線圖

5 降水對(duì)高速鐵路及周圍環(huán)境影響的分析及控制

5.1 坑外潛水位監(jiān)測(cè)

坑外設(shè)置 8 個(gè)潛水位觀測(cè)孔，從基坑開挖初期進(jìn)行跟蹤觀測(cè)，直至基坑底板澆筑完成。由觀測(cè)數(shù)據(jù)可知，潛水位變化很小，變化范圍 ≤30 cm，說明受坑內(nèi)降水影響較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水良好。圖 4 為坑外潛水水位變化曲線圖。

5.2 墻頂豎向位移

地連墻頂部設(shè)置 10 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)墻頂豎向位移。從基坑開挖以來，隨著坑內(nèi)土體減少，地下連續(xù)墻整體呈上浮趨勢(shì)，底板施工完成后,上升速率減小，趨于穩(wěn)定，最大上浮量 7.5 mm。支撐拆除、主體側(cè)墻施工過程中，出現(xiàn)回彈趨勢(shì),回彈量 2 mm 左右，隨著水位的穩(wěn)定，變化速率越來越小，并逐漸穩(wěn)定。圖 5 為圍護(hù)體頂部豎向位移變化曲線圖。

圖5 圍護(hù)體頂部豎向位移變化曲線圖

5.3 高速鐵路橋墩豎向位移

滬昆高鐵 141#、142# 橋墩各設(shè)置 3 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)橋墩豎向位移。基坑施工期間，141#、142# 橋墩豎向變化量均 ＜2 mm，說明封底隔水、圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水良好，坑內(nèi)降水對(duì)高鐵橋墩影響較小。圖 6 為高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖。

圖6 高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖

6 結(jié) 語

本工程采用隔水和抽灌一體化的綜合設(shè)計(jì)，采用地下連續(xù)墻、墻縫三軸攪拌樁＋RJP 工法樁的方式阻斷側(cè)向水的滲流路徑，墻趾處設(shè)置 6 m 厚 N-jet 封底隔水層阻斷底部承壓水，坑內(nèi)設(shè)置降水井進(jìn)行封閉式降水，坑外設(shè)置回灌井確保水位穩(wěn)定。基坑開挖之前，進(jìn)行抽水試驗(yàn)，初步評(píng)估降水對(duì)坑內(nèi)外的影響。基坑施工期間，坑內(nèi)封閉式降水，坑外及時(shí)進(jìn)行回灌，全過程對(duì)水位、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、高鐵橋墩進(jìn)行觀測(cè)。從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)多方位綜合控制承壓水對(duì)基坑開挖的影響，進(jìn)而減小對(duì)鄰近高鐵的干擾，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和高鐵變形均在控制標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，確保了基坑施工和高鐵運(yùn)營(yíng)安全，為今后類似工程提供借鑒。