超大超深基坑工程降水及回灌施工技術(shù)

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

0 引言

近年來我國城市化建設(shè)發(fā)展迅猛，基坑工程面積越來越大，開挖深度越來越深，施工環(huán)境越來越復(fù)雜，尤其是在軟土地基地區(qū)基坑降水成為施工中的不安全因素及一大難題，如天津市基坑由前些年的5～12 m淺基坑發(fā)展到如今多數(shù)22～34 m的深大基坑[1]，經(jīng)常出現(xiàn)深厚的強(qiáng)透水地層[2]；再有2003年上海軌道交通4號線工程施工時，發(fā)生了大規(guī)模流砂事故，地面發(fā)生了較大的沉陷，事故場區(qū)的建筑物和防汛墻發(fā)生傾斜破壞[3]，南京、杭州等沿江沿海城市也發(fā)生過多次類似事件[4]。另一方面，地下水處理中減壓降水會引起周邊地面的沉降，對周邊建筑物產(chǎn)生影響，造成沉降甚至開裂[5]，必須采取有效措施消除或降低這些影響。其中，最直接最有效的辦法是控制地下水水位[6]，而回灌則是實現(xiàn)這一目的的重要手段。

1 背景工程概況

上海浦東金融廣場位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴梅園社區(qū)SN1地塊，東至南泉北路、南至商城路、西至浦東南路、北至世紀(jì)大道和世界廣場。地塊北側(cè)為軌交2號線東昌路站，南側(cè)為軌交9號線商城路站。

基坑總占地面積約41 500 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，沿基坑外側(cè)地下連續(xù)墻深度為48 m，坑內(nèi)部分隔墻深度為38 m。臨近軌交9號線區(qū)域地下3 層，面積約3 000 m2，開挖深度16.2 m，設(shè)有4 道水平支撐，其中首道為混凝土支撐，其余3 道為鋼支撐，基坑內(nèi)開挖深度范圍內(nèi)采用攪拌樁和旋噴樁加固；其他區(qū)域地下4 層，面積約38 500 m2，開挖深度19.5 m，設(shè)有4 道混凝土支撐。

基坑共分8 個小坑，如圖1所示，分階段進(jìn)行施工，施工工況如下：第一階段施工1-a區(qū)和1-b區(qū)，開挖深度約20 m；第二階段施工2-a區(qū)和2-b區(qū)；第三階段施工3-a區(qū)和3-b區(qū)；第四階段施工5區(qū)；最后施工4區(qū)。

圖1 基坑分區(qū)平面示意

2 深基坑內(nèi)降水和坑外回灌施工方案

為制定切實有效的降水方案，在降水施工前打設(shè)了7 口試驗井，分別進(jìn)行了單井抽水試驗和群井抽水試驗。

2.1 降壓井方案

2.1.1 基坑底板穩(wěn)定性驗算[7]

根據(jù)抽水試驗的結(jié)果，工程所處地區(qū)承壓水頭埋深約10.1 m。通過上海市地方規(guī)范中抗承壓水穩(wěn)定性驗算公式，算得本工程土方開挖至地面以下17.65 m處時，基坑處于臨界狀態(tài)，此時應(yīng)陸續(xù)開啟降壓井，以保證基坑開挖的安全。

2.1.2 降壓井配置

降壓井的布置是建立在抽水試驗的基礎(chǔ)上，結(jié)合各分區(qū)基坑面積的不同，按照常規(guī)挖深和局部深坑的不同設(shè)置41 m和43 m兩種深度的管井，見圖2和圖3。同時為加強(qiáng)坑內(nèi)外承壓水水位觀測和環(huán)境保護(hù)，在坑內(nèi)布設(shè)6 口觀測備用井，在坑外布設(shè)10 口觀測井。

圖2 降水井平面布置

圖3 降水管井結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 降水井運行

降壓井開啟運行根據(jù)土方開挖進(jìn)度分兩個階段進(jìn)行。第一階段為基坑土方開挖至17.65 m，即開挖第5層土前，開啟降壓井（41 m）；第二階段為基坑土方開挖塔樓區(qū)及局部深坑時開啟剩余降壓井。

在各分區(qū)基坑土方開挖過程中，利用鄰區(qū)觀測井作為坑外觀測井對水位動態(tài)進(jìn)行觀測。

2.2 回灌井方案

2.2.1 回灌井工作原理

將水注入回灌井，井周圍的地下水位就會不斷地上升，利用回灌井周圍與地下水位的水頭差將水向含水層內(nèi)灌入，以提升回灌井工作范圍內(nèi)的地下水位高度。當(dāng)回灌量與滲流量保持平衡時，回灌水位就不再繼續(xù)上升而穩(wěn)定下來，此時在回灌井周圍形成一個水位的上升錐，其形狀與抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反[8]，如圖4所示。回灌井的回灌量與含水層的滲透性有密切關(guān)系，滲透性好的含水層中，回灌井中所需的回灌水位較低；反之，回灌井中所需的回灌水位就較高。

圖4 回灌原理

2.2.2 回灌井配置

根據(jù)本基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求不同，同時兼顧到各挖土階段各分區(qū)基坑開挖時環(huán)境保護(hù)的需要，在基坑外布設(shè)了一定數(shù)量的回灌井。根據(jù)本工程的抽水試驗所得水文參數(shù)，沿基坑外側(cè)布設(shè)71 口深度為45 m的回灌井，來減小對周邊環(huán)境的影響。同時，為加強(qiáng)坑外承壓水水頭觀測，在坑外布設(shè)13 口觀測井。回灌井平面布置見圖5。回灌深井孔徑為650 mm，井管過濾器內(nèi)濾管為纏絲過濾器，外濾管為橋式過濾器，外包40 目濾網(wǎng)，管外回填中粗砂濾料。回灌井結(jié)構(gòu)示意見圖6。

圖5 回灌井平面

圖6 回灌井結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 回灌井運行

根據(jù)施工要求，當(dāng)1-a區(qū)及1-b區(qū)坑外承壓水水頭累計下降2 m時，坑外HG7～HG71就要采取回灌措施（或當(dāng)2-a區(qū)及2-b區(qū)坑外承壓水水頭累計下降2 m時，坑外HG1～HG64采取回灌措施）。待基坑地下3 層頂板結(jié)構(gòu)施工完畢停止基坑內(nèi)降承壓水，同步回灌井也停止回灌。

在現(xiàn)場布設(shè)大水箱，通過安裝的加壓泵，對水體自然壓力進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加回灌壓力。本工程回灌壓力優(yōu)先選擇0.1 MPa。回灌水源采用自來水和基坑內(nèi)降壓井抽出的地下水，自來水和地下水通過大水箱給回灌井提供回灌水源。

3 基坑降水和回灌施工數(shù)值模擬

根據(jù)上述降水方案和邊界條件建立模型，對基坑降水施工期間的地下水位變化及周邊地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬計算，核驗降水方案的實際效果。

3.1 降水施工數(shù)值模擬計算

通過對基坑開挖底板穩(wěn)定性的計算可知，當(dāng)1-a、1-b區(qū)，2-a、2-b區(qū)，3-a區(qū)進(jìn)行第5層土方開挖時需開啟降壓井降低承壓水水頭。根據(jù)土方開挖工況，上述區(qū)域分3 個階段進(jìn)行，因此分別對該3 個工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，計算分析坑內(nèi)水頭降深和坑外地表沉降情況。

基坑降水?dāng)?shù)值模擬以30 d為計算期，經(jīng)計算，降水30 d后各分區(qū)基坑內(nèi)的承壓水位埋深依次為23.56 m、21.6 m、20.66 m、21.66 m、19.76 m，承壓水水頭下降到安全水位高度，滿足各基坑開挖施工安全條件。

同時，以基坑各階段施工中安全水位降深最大的工況為計算模型，對減壓降水引起的周邊地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)計算，第1階段和第2階段降水最終引起坑外地表沉降約6 mm，第3階段降水最終引起坑外地表沉降為2 mm以內(nèi)。

3.2 回灌施工數(shù)值模擬

3.2.1 回灌施工數(shù)值模擬計算

當(dāng)基坑減壓降水滿足最大開挖深度時，坑外承壓水頭最大降水約為6.5 m，基坑周邊采取回灌措施后，坑外承壓水頭最大降深約為3.5 m。

3.2.2 回灌施工引起地面沉降預(yù)測

根據(jù)沉降計算模型模擬基坑開挖過程中，第一階段和第二階段坑外地表沉降分別為6.7 mm和6.2 mm，如圖7所示。

當(dāng)基坑周邊采取回灌措施后，坑外地表沉降分別為3.8 mm和3.2 mm，如圖8所示。

由上可知，采取回灌井可顯著提升坑外地下水位，進(jìn)而減小坑外地表沉降，既滿足基坑內(nèi)土方開挖要求，也減小了對周邊環(huán)境的影響程度。

圖7 減壓降水坑外地表沉降分布

圖8 采取回灌措施后坑外地表沉降分布

4 結(jié)語

在軟土地基條件下，超大面積深基坑工程降水施工，即意味著要配備比一般基坑工程更多的降水設(shè)備，在滿足坑內(nèi)土方開挖條件的同時，對坑外周邊環(huán)境的影響亦相應(yīng)增加，因此，對于超大超深且周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑工程，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制。

在上海浦東金融廣場基坑工程降水實施過程中，采取了沿基坑周邊設(shè)置回灌井的措施以控制坑外地下水位和地表沉降，取得較好的效果，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如下：第一階段坑外承壓水頭最大降深為3.7 m，地表沉降最大值為16 mm；第二階段坑外承壓水頭最大降深為5 m，坑外地表沉降最大值為19 mm。說明了本文中的施工技術(shù)安全、可靠，確保了工程的推進(jìn)。