中心城區超大深基坑承壓水綜合分析與治理

閆雁軍 李 俠 陸建生 白天明

1. 上海建工七建集團有限公司 上海 200050；2. 上海廣聯環境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

隨著城市建設的飛速發展，基坑工程規模越來越大，開挖深度越來越深，基坑周邊的環境敏感點也越來越多，其環境變得日趨復雜。影響基坑周邊地面沉降的主要因素為：基坑開挖深度、基坑支護結構的水平位移量及因基坑降水導致的基坑周圍地下水位降低。其中地下水位降低占重要地位，據唐業清[1]及蔣紅星等[2]對深基坑事故的調查資料分析，有20%～70%的基坑事故與地下水有關。

上海董家渡金融城工程項目地處上海市黃浦江傳統外灘南延伸段。小東門是外灘金融集聚帶南外灘開發的點睛之筆，其功能定位為高端金融辦公、商業服務和高端住宅，并形成多種功能互補共生的生態體系。本工程基坑面積巨大，基坑總面積達到143 000 m2，北地塊基坑總面積約79 000 m2，開挖深度深；周邊環境復雜，需要保護的對象眾多，主要包括場地內文物保護建筑、中山南路通道、民宅、大直徑市政管線等。

為有效防止大面積基坑群開挖過程中因地下水控制不當導致的基坑安全及環境問題，先通過開展專項水文地質試驗，進行了環境水文地質評價，據此提出了不同開挖深度的基坑差異化地下水控制措施，并充分考慮基坑群在同步與交錯施工狀態下的群坑抽水耦合效應，縮短抽水時間，從而有效控制降水對周邊環境的影響。

2 工程概況

上海董家渡金融城工程項目（北地塊）包括董家渡路以北的A、F、L、J、G這5個地塊（圖1）。圖中M、N地塊為歷史保護建筑保留地塊，D地塊為待建濱江雕塑公園地塊。具體基坑開挖深度如表1所示。

3 水文地質概況

場地下伏的第⑦層承壓含水層，含⑦1砂質粉土、⑦2粉砂，含水層分布穩定、連續，層頂埋深29 m左右（局部由于古河道下切，⑦層層頂埋深31～38 m），層底埋深約67 m，其下為第⑨層粉砂層，⑦層與⑨層的復合含水層厚度超過50 m，含水層巨厚，處于連通狀態。影響本基坑開挖的主要包括潛水含水層和⑦層承壓含水層。止水帷幕已將潛水含水層隔斷，但對⑦層承壓含水層未能隔斷，屬懸掛式帷幕降水，因此本次地下水控制的主要含水層為該承壓含水層。根據場地前期抽水試驗，建議本工程第⑦層靜止水位取地面以下6.10 m，承壓水水文參數見表2。

圖1 基坑環境平面

表1 各分區基坑開挖深度匯總

表2 參數取值

4 承壓水綜合治理風險分析

1）本區域第Ⅰ、Ⅱ承壓含水層相連通，含水層巨厚，止水帷幕未將其完全隔斷，屬懸掛式降水，土體滲透性強，基坑降壓幅度大，最大達到了24 m，直接進入⑦層含水層，基坑涌水量達到7 200 m3/d，對坑外水位降幅的控制難度極大；水位恢復迅速，必須具備雙路電源或備用發電機，才能確保減壓降水持續運行；因基坑本體及周邊環境要求，對降壓井設計及成井質量要求高。

2）本基坑地塊之間的中隔墻，在后期切除過程中存在局部冒水風險；此外，基坑內存在的后澆帶使在底板澆筑完成并達到強度后，仍需按照基坑開挖面降壓設計要求降水，從而導致基坑內降壓井運行時間加長、運行負荷加重，進而對基坑本體減壓風險及環境影響更大。

3）基坑區域內重點保護建筑物距離基坑較近，僅通過地下水回灌措施進行保護的難度大。

4）本項目分基坑較多，在施工期間必將相互影響，同時周邊環境復雜，需各方做好協調工作。

鑒于上述風險，本工程應嚴格按照“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，充分利用“墻井作用機理” 進行承壓水綜合治理，從現場降水試驗、沉降預測、實時監測、動態施工管理4個環節來保證基坑與環境的雙安全。

5 承壓水減壓降水設計

5.1 基坑底板抗突涌驗算

為使基坑底板保持穩定，必須保證基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力大于安全系數下承壓水的頂托力，即：Σh·γs≥Fs·γw·H。其中，h為基坑底至承壓含水層頂板間距離；γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的重度；H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離；γw為水的重度，取10 kN/m3；Fs是抗突涌安全系數。

考慮周邊環境問題，降壓運行按照安全系數1.05進行控制，當基坑開挖深度等于或大于15.0 m時需考慮對⑦層進行降壓處理。各基坑底板抗突涌驗算結果見表3。

表3 各基坑⑦層降深需求統計

5.2 承壓水減壓井平剖面設計

本工程基坑內降壓抽水井86口，18口備用兼觀測井，坑外42口水位觀測兼應急回灌井（其中8口位于天主教堂三邊），如圖2、圖3所示。

考慮到圍護深度及降壓幅度要求，A、F、J降水井按井深41～43 m考慮，濾管10～12 m，濾管底位于埋深40～42 m處，GL、T降水井按井深45～47 m考慮，濾管6～16 m，濾管底位于埋深44～46 m處，G2降水井按井深37 m考慮，濾管6 m，濾管底位于埋深36 m處。

圖2 基坑降壓井平面

圖3 基坑內降壓井剖面

5.3 承壓水試抽水試驗

1）根據抽水試驗結果，試驗期間場地實測⑦層初始水位埋深為5.26～6.06 m（以地面標高計，對應標高為－6.46～－5.66 m），即在安全系數1.05下，當開挖深度超過15.0 m，需要開啟⑦層降壓井進行抽水。

2）單井出水量大，為15～50 m3/h，實際運行期間降水井安裝回流閥以控制單井出水量，嚴格做到按需降水，使降水最小化。

3）結合基坑開挖工況，確定了不同開挖階段降壓井的開啟數量及控制安全水位。

4）群井停抽后，坑內⑦層水位恢復速率較快，5 min恢復比率為12.4%～23.1%，10 min恢復比率為21.5%～28.2%，20 min恢復比率為43.2%～48.6%，30 min恢復比率為52.6%～59.1%，60 min恢復比率為71%～75.5%，120 min恢復比率為78%。基坑實際開挖階段配置的一臺自啟動發電機應不間斷進行演練，確保發電機的正常使用。

5.4 降水影響預測及應急回灌措施

通過地下水三維滲流模型的建立及試驗參數校核，預測坑內降深滿足設計要求時，坑外建筑物處最大水位降深達到了0.99～5.60 m，水位降深幅度大（表4），為減小坑內降水對坑外的影響，應在基坑周邊有針對性地布設應急回灌井。

6 承壓水運行控制

在承壓水試抽水試驗結束后，為控制施工風險，配置了ICDR系統，其具備水位無線遠程數字化監測、工程降水智能預警、備用電源智能應急以及水位-減壓井開啟智能控制等4大功能。依據“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，制訂了后期土方開挖各階段的降壓井運行計劃表并按計劃執行，以T基坑為例，詳見表5。底板完成后，為進一步減小坑內降深幅度，制訂回筑階段降壓井運行計劃，并根據群坑抽水耦合效應，以基坑內安全水位為控制依據，減小基坑內水位降深對坑外各建（構）筑物的影響。

表4 降水后坑外相應環境處的最大水位降深預測值

表5 基坑開挖階段降壓運行計劃

7 結語

針對上海市黃浦區小東門街道616、735街坊地塊項目（北地塊）基坑特點，分析了基坑所面臨的承壓水綜合治理風險，通過建立地下水三維非穩定流數值模型，模擬預測減壓降水對周邊環境的影響，并通過前期專項水文地質試驗及現場承壓水試抽水試驗，提出了合理的降水設計及運行方案，制訂了相應的配套措施并實施，達到了預期控制目標。通過本工程實踐，得到以下幾點結論：

1）本工程應嚴格按照“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，充分利用“墻井作用機理” 進行承壓水綜合治理，從現場降水試驗、沉降預測、實時監測、動態施工管理這4個環節保證周邊建（構）筑物的安全。

2）充分考慮基坑群在同步與交錯施工狀態下的群坑抽水耦合效應，盡量縮短抽水時間，有效控制降水對周邊環境的影響。