組合式承壓水控制技術在閘北廣場工程中的應用

章 超 徐 磊

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

隨著城市建設進程的不斷加快，現有的基坑正向超大、超深的趨勢發展。隨著基坑工程的規模越來越大，其面臨的承壓水控制成為決定基坑成敗的一個重要因素，承壓水對基坑工程的影響不容忽視[1]。

承壓水介于上下2個隔水層之間，具有較大的水壓力。隨著基坑開挖深度的不斷增加，當承壓水層上部所承受的覆土質量小于承壓水壓力時，將造成坑底水浮力和土壓力的失衡，在承壓水壓力作用下導致基坑底部土體突涌，使基坑結構體系失效，繼而引發重大安全事故[2]。因此，需采取承壓水的降壓措施，但承壓水降水時又會引起深基坑周圍環境的變形[3-6]。深基坑施工中，對安全、環境等危害最大的因素是基坑支護體系的失效，大量的基坑安全事故都和地下水的控制有關[7]。

目前對于基坑工程中的承壓水問題，通常采用截水帷幕對承壓水進行隔斷。但上海地區地下存在多層承壓含水層，且各承壓含水層之間存在水力聯系，無法隔斷，因此需采取增加地下連續墻深度、增加繞流路徑等方式來保證承壓水的穩定性。目前城市中存在大量的地下室改建工程，在拔樁施工時需采取相應的有效措施以降低基坑降水的風險[8-9]。

上海市靜安區閘北廣場項目采用了降水井、高壓旋噴樁隔斷以及灌注大密度泥漿相結合的組合式承壓水控制技術，取得了良好的地下水處理效果。

1 工程概況

上海市靜安區閘北廣場項目位于上海市靜安區天目西路，西側建筑與本項目僅一墻之隔，北側地下煤氣管線距離項目圍墻僅2 m，西側有高壓電纜在紅線范圍以內穿過。本項目基坑面積約為8 204 m2，大面積開挖深度為15.7～17.5 m，局部深坑開挖深度為20.5 m。基坑一期范圍內存在既有地下結構需要拆除，其中既有地下室底板厚度為1.9～2.3 m，局部達到4 m。

本項目擬建場地135 m深度范圍內地層均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成。

擬建場地淺部地下水屬于潛水類型，主要補給來源為大氣降水和地表水。淺部土層潛水水位埋深為0.6～1.5 m，平均水位埋深1.06 m，相應水位標高為1.66～2.42 m，平均水位標高為2.04 m，潛水水位受降雨、地表水和蒸發的影響而發生變化。

擬建場地分布有⑦1層粉性土，是上海地區第一承壓水層，承壓水位埋深一般為3～12 m。

2 組合式承壓水控制施工技術

2.1 潛水含水層降水井布設

因原地下室地板埋深10 m左右，已揭穿第②3-2砂質粉土含水層，所以在大底板鑿除及工程樁施工前需將水頭降到大底板1.0 m以下。

根據地質水文情況及實際工況，對整個基坑按每200 m2布1口輔助降水井，則整個基坑共布置真空疏干井39口。降水井采用多級濾水管加真空的措施，以確保每口井的出水量。真空深井孔徑為650 mm，井管過濾器為圓孔過濾器，外包濾網，管外回填濾料。

2.2 承壓含水層降水管井分析

2.2.1 基坑底板穩定性驗算

根據上海市DG/T J08-61—2010《基坑工程技術規范》，基坑底板的穩定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于承壓水的頂托力。

本項目工程樁在原地下室底板上施工，且工程樁深度已揭穿第⑦層承壓含水層，即需將第⑦層承壓水降到原地下室底板以下1 m左右或直接疏干。本項目工程樁深度（自然地面以下64.96 m）沒有揭穿第⑨層承壓含水層，同時工程樁成孔施工過程有泥漿護壁，泥漿相對密度取1.125（上海地區泥漿相對密度一般為1.05～1.20），土體重度取18.4 kN/m3，承壓水水頭埋深3.0～11.0 m，取最不利3.0 m，安全系數取1.05。

經計算，土壓力為688.54 kPa，水浮力為683.4 kPa。根據上述計算，本項目工程樁成孔施工時的土壓力大于水浮力，不會造成第⑨層承壓含水層突涌。

2.2.2 降水井布設

根據水文參數，在整個基坑中布設7口降壓輔助降水井（含2口觀測備用井）。根據模擬結果，布設的輔助降水井能夠滿足需降水頭要求。

同時，為加強坑外水位觀測，檢驗圍護封閉效果，在坑外布設21口觀測應急回灌井，必要時采取回灌措施。降水井孔徑為650 mm，井管過濾器為圓孔過濾器，外包濾網，管外回填濾料。

2.3 地下連續墻隔斷

地下連續墻是軟土深基坑工程中常用的支護結構，具有較強的剛度和較高的承載力，并具有連續分布的特征，在隔水抗滲方面具有無可比擬的優勢。經綜合比選，本工程支護結構選擇采用地下連續墻的方案。

工程原為2層地下室，改造后具有3層地下室，需要在原位進行向下空間的加層拓展，由此帶來了原有地下連續墻不滿足圍護設計要求的問題，必須進行加固處理。此時有2個方案可供選擇：

1）增加原有地下連續墻的深度、配筋，以滿足設計要求，但在實際實施過程中會帶來極高的難度以及巨大的經濟投入。

2）根據新的建筑平面布局設計，在新的地下室外圍施工新的地下連續墻，但這樣會帶來地下連續墻施工穿越原有基礎底板、地下室外墻的難題。

比較上述2個方案，認為方案二的可行性更高，因此在實際實施中選用方案二。新增地下連續墻的深度根據結構計算、地下承壓水控制計算的結果綜合確定。

3 基坑降水數值模擬

依據地層分布及各土層參數情況，考慮到承壓水降水期間對周邊環境的影響程度，確定了盡可能減小降水影響半徑的方案。以此為基礎，建立用于承壓水降水分析的三維降水數值模擬模型，主要考慮以下幾方面的因素：

1）含水層的結構特征。本項目地下存在大量既有圍護結構、隔水體系，實際地質條件復雜，因此在三維降水數值模擬模型中對各地層的水文地質參數進行簡化。經過簡化，將地下土層的基坑降水三維模型分為上部弱透水層和下部承壓含水層。

2）地下水水力特征。基于質能守恒定律和達西定律進行力學分析，且在分析方程中需要考慮地下水的流量交換規律、承壓水垂直層間的滲流、地下土層系統的非均質性。經過綜合考慮，將該基坑降水三維立體模型中的水文參數簡化成水平方向各向同性。在實際分析模擬中，采用的基坑降水三維模型具有各土層豎向分層的非均質性、水平各向物理參數均勻的特性。

3）模擬分析時長。根據施工工況布置，主要考慮地下灌注樁清除、新灌注樁施工、基礎底板鑿除、基坑工程開挖以及地下結構施工等關鍵環節。本工程三維降水數值模型的模擬時長取270 d，單位最小計算步長取1 d。在承壓水數值模擬全過程中，為保持計算結果的一致，采取承壓水滲流的外部流入、流出參數不變。

4）網格劃分。建立整體有限單元法模型后，需對實體進行精細化劃分，形成滿足工程要求的計算精度控制標準。在閘北廣場項目地下改造工程中，考慮第⑦承壓含水層的上述土層實體結構、地下水水力特征、地質邊界條件等因素，對基坑降水三維模型進行精細化網格劃分，按基坑土體單元的最大長邊長度不大于1 m進行單元加密，形成的分析模型單元總數為90 000個。

5）水頭高度處理。承壓水降水期間水頭高度將隨時間變化。為進行承壓水降壓的長周期計算分析，需要動態調整坑外承壓水水頭高度及坑內承壓水水位，這是模擬分析的一個難點。為便于計算分析的順利進行，對主要的水力參數進行簡化處理：其一，在全過程中不考慮由于水文地質變化、季節性變化造成的承壓水水頭的高度變化，將坑外承壓水水頭確定為固定高度；其二，采用上述的各土層豎向分層的非均質性、水平各向物理參數均勻的假定，每個開挖工況的降壓井平均抽水量不變；其三，在不同開挖工況下，坑內水位保持在開挖面以下1 m。隔水邊界三維模型如圖1所示。

圖1 隔水邊界三維模型

6）基坑降水數值模擬預測。在基坑減壓降水期間，通過模擬計算的基坑內外承壓水水位降深分布情況如圖2所示。通過該三維降水數值模型預測，確定在閘北廣場項目基坑內共布設7口輔助降壓井，其中2口為觀測備用井。降水2周后水位基本趨于穩定，基坑下部承壓水水頭降至安全水位。

圖2 承壓水頭最終埋深預測等值線

4 地面沉降預測及群井抽水試驗

4.1 減壓降水引起的地面沉降預測

本文基于有限差分法，采用軟件對減壓降水引起的地面沉降進行預測。

菌核病菌以菌核在病殘體、土壤、種子中越冬，12℃～22℃，60%～80%相對濕度，能夠產生子囊孢子，開始侵染幼苗，以菌絲接觸或新生子囊孢子借氣流或流水傳播，進行再次侵染。18℃～26℃，100%的相對濕度，4h即可完成再侵染，雨水多，灌水大，特別利于發病。

4.2 群井抽水試驗

基坑減壓輔助降水井成井施工完成后，還要開展群井試驗，以驗證以下內容：檢驗現場抽水效率，確保降壓井的抽水能力滿足要求；檢驗止水帷幕的整體隔水效果，如出現滲水點需要進行加固處理。最終將根據試驗結果，為承壓水降壓運行方案提供依據。

在基坑輔助降水井施工結束后，開啟坑內減壓降水井進行抽水試驗。同時通過對坑內外水位的監測，判斷圍護的隔水效果。試驗計劃3 d。

1）降水井平面布置。基坑內布設減壓降水井5口、觀測井2口，坑外布設觀測應急回灌井21口。

2）抽水井出水量。在減壓井中安裝若干水表，并于抽水試驗期間記錄水表每小時的讀數。水表讀數精確到0.1 m3，抽水開始后要求每60 min觀測流量一次。

3）觀測井水位監測。在抽水試驗前，測量觀測井初始水位。抽水試驗期間，采用自動化監測與人工測量相結合的方式，對坑內外觀測井進行水位測量；自動化監測為每5 min一次，人工測量為每天早晚各一次，直到試驗結束。如試驗前發現基坑圍護有滲漏現象，則加密監測頻率。

4）試驗排水安排。根據現場場地條件合理安排試驗排水，對于靠近排水溝的抽水井，可直接將抽出的水排到排水溝。

5 結語

1）為了保證基坑施工過程中的安全性，防止承壓水對基坑造成破壞，采用組合式承壓水控制技術處理地下水，即降水井降壓與大密度泥漿相結合，并通過高壓旋噴樁墻隔斷。

2）在基坑內布設39口真空疏干井、7口降壓輔助降水井（含2口觀測備用井）以及21口觀測應急回灌井，并在工程樁孔內采用了相對密度為1.125的泥漿。采用兩者相結合的方式降低了承壓水的降深，取得了良好的效果。

3）通過基坑降水數值模擬預測、地面沉降預測和群井抽水試驗，表明可成功降低承壓水水頭至安全水位，控制地面沉降在合理區間，圍護隔水效果良好。

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