復(fù)雜施工條件下軟土地質(zhì)超大深基坑綜合降水技術(shù)的應(yīng)用

陳 雷

［上海城建市政工程（集團）有限公司，上海市200065］

0 引 言

現(xiàn)階段隨著城市化發(fā)展，地面建（構(gòu)）筑物已經(jīng)趨于飽和，開發(fā)和利用地下空間為大勢所趨，全地下污水處理設(shè)施由于二次環(huán)境污染小、土地節(jié)約、上部空間可利用等優(yōu)點[1-2]，近年來在大城市中開始興建。如何在強透水地層順利、有效地開挖基坑，并兼顧工程成本，成為建設(shè)工程項目實施階段攻堅的關(guān)鍵所在。

1 工程概況

1.1 工程背景介紹

白龍港污水處理提標(biāo)改造工程（三期）西北地塊土建部分共計分為三個標(biāo)段，為白龍港污水處理提標(biāo)改造工程BLG-C1 標(biāo)、BLG-C2 標(biāo)、BLG-C3 標(biāo)（下文簡稱C1 標(biāo)、C2 標(biāo)、C3 標(biāo)）。目前仍然是全亞洲最大的基坑工程，建成后將是全亞洲最大的污水處理基地，將承擔(dān)全上海1/3 的雨、污水處理重責(zé)。

本文主要所述標(biāo)段為C1 標(biāo)，承建標(biāo)高-8.100 m以上范圍內(nèi)的圍護結(jié)構(gòu)及土方開挖，標(biāo)高-8.100 m以下由C2、C3 標(biāo)段各承擔(dān)一半污水處理的池體結(jié)構(gòu)施工。具體分標(biāo)示意如圖1 所示。

圖1 污水廠西北地塊分標(biāo)示意圖

1.2 基坑基本情況

1.2.1 工程基坑平面尺寸

長586.70 m，寬355.70 m，面積約19.78 萬m2。基坑總開挖深度為14 m，采用二級放坡（坡度均為1∶1.5）、三級降水（一、二級采用輕型井點，三級采用真空管井）形式。C1 標(biāo)段開挖深度為7 m，且總計外運土方量約160 萬m3，屬于深基坑工程（見圖2）。

圖2 基坑圍護平面布置圖

1.2.2 圍護體系結(jié)構(gòu)形式

圍護體系結(jié)構(gòu)形式如圖3 所示。

1.3 工程地質(zhì)條件

工程地質(zhì)條件見表1。

1.4 水文地質(zhì)條件

1.4.1 潛水

圖3 基坑圍護結(jié)構(gòu)形式

表1 工程土體參數(shù)

勘察期間測得鉆孔中地下水潛水水位埋深在0.50～4.60 m，相應(yīng)標(biāo)高在2.52～6.48 m，按場地地形、地貌及上海地區(qū)年平均地下水位，以不利因素考慮，高水位埋深取0.50 m，低水位埋深取1.50 m。

1.4.2 承壓水

工程場地有第⑧2層承壓水分布，層頂埋深為53.3～59.5 m。

1.5 基坑周邊環(huán)境

該標(biāo)段基坑開挖深度的3 倍水平范圍內(nèi)存有停產(chǎn)待拆單層廠房（川航通用零件廠，具體如圖4所示），在基坑降水時由于止水帷幕無法封閉，該標(biāo)段采用三軸攪拌樁繞打（見圖5）廠房，形成臨時封閉止水，廠房拆除后完成施工設(shè)計止水帷幕的貫通。

圖4 原土方開挖行進(jìn)路線及分塊示意圖

圖5 繞廠房新增止水帷幕布置圖

在土方開挖時廠房已經(jīng)完成拆除工作。

綜合上述因素判定，該標(biāo)段在基坑降水及土方階段開挖對周邊環(huán)境并不產(chǎn)生影響。

2 基坑降水控制

西北地塊開挖無任何支撐棧橋體系，三期工程總計出土量約為250 萬m3。土方開挖嚴(yán)格遵循“分層分區(qū)”開挖的方式。該基坑為長方形，經(jīng)過測算，該標(biāo)段把整個基坑劃分為6 個大區(qū)域、72 個小塊。同時充分運用“時空效應(yīng)”，保證土方開挖進(jìn)度及安全（見圖4）。為了保證土方開挖的安全及進(jìn)度，根據(jù)土方開挖方案，該標(biāo)段采取了相應(yīng)的降水控制技術(shù)。

2.1 原地下水控制技術(shù)

西北地塊基坑面積大，工期緊張，又緊鄰長江入海口，水系發(fā)達(dá)，水資源補充豐富，開挖7～11 m 深度范圍內(nèi)分布有②3-1黏質(zhì)粉土及②3-2砂質(zhì)粉土，其滲透系數(shù)相當(dāng)大。且根據(jù)上海市長期觀測資料，（微）承壓水水頭高度一般均低于潛水位，承壓水水頭埋深一般為3.0～12.0 m，隨季節(jié)呈周期性變化。根據(jù)安全系數(shù)計算基坑底板抗突涌驗算：Pcz/Pwy=（53.0-7.0）×19.4/（53.0-3.0）×10.0 =1.784 8＞Fs=1.10，故該工程基坑無突涌風(fēng)險，不需考慮降壓。

2.1.1 基坑出水量計算

地下水容積儲存量計算：

式中：W 為容積儲存量，m3；V 為含水層體積，m3，V=基坑面積A×降水深度h（即潛水靜止水位至基坑底面以下1.0 m）；μ 為含水層的給水度（此次根據(jù)上部土層的性質(zhì)取μ=0.12）。

該基坑地下水容積儲存量見表2。

表2 基坑地下水容積儲存量

2.1.2 基坑內(nèi)井點出水量計算

按照設(shè)計要求及土方開挖工況，對開挖影響范圍內(nèi)的地下水采用以下控制技術(shù)：坡頂、一級平臺輕型井點、坡腳疏干井（真空管井）、基坑內(nèi)隨開挖進(jìn)度提前滿布輕型井點。施工方向由A1、A2 區(qū)→B1、B2區(qū)→C1、C2 區(qū)整體推進(jìn)（見圖4），其中坑內(nèi)輕型井點循環(huán)利用。

基坑的出水量主要包括地下水的儲存量與降雨量，由于對降雨量難以估測，因此此次對基坑的抽水量確定井點組數(shù)設(shè)計與抽水泵的選擇只考慮地下水的儲存量，對于降雨或明水采用明排水措施來解決。經(jīng)驗算，在基坑開挖階段，降水方案可滿足基坑土方開挖要求（見表3）。

2.1.3 基坑內(nèi)降水設(shè)計

綜合經(jīng)濟、施工效率、對周圍環(huán)境的影響等因素后，決定在基坑上部二級坡的坡頂及一級平臺處采用輕型井點降水方式，在二級坡坡底采用井管降水方式，滿足上部二級放坡土方開挖的降水需求[3-5]。

一級平臺（-8.10 m）及二級平臺（-11.50 m）輕型井點，每一套輕型井點長度為37.5 m，井點管直徑為48 mm，每根井點管之間的間距為1.5 m，成孔直徑大于300 mm。坑內(nèi)輕型井點每套之間的間距為10 m。

表3 基坑井點預(yù)計出水量

二級坡坡底疏干井分為SJ1（-20.40 m）、SJ2（-22.10 m），管井采用φ273 鋼管，成孔直徑φ650，每根疏干井間距15 m。

坑內(nèi)輕型井點降水效果，通過觀測井對水位進(jìn)行不間斷讀數(shù)，滿足要求后，在開挖前拔出相應(yīng)部位的輕型井點，通過不斷的循環(huán)推進(jìn)，完成整個基坑的降水及土方開挖工作。

井點構(gòu)造示意如圖6 所示。

圖6 井點構(gòu)造示意圖

2.2 場地移交重大調(diào)整

原西北地塊整個基坑專家論證后的基坑開挖、降水方案是三個標(biāo)段全部在地面（-1.10 m）施工圍護樁、工程樁、井點降水。后C2 標(biāo)段施工方案在內(nèi)部籌劃時發(fā)生變化，建設(shè)單位多次協(xié)調(diào)后通知該標(biāo)段，場地移交順序需進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。C2 標(biāo)段下基坑（-8.10 m）施工工程樁、井點降水，這就要求該標(biāo)段按照C2 區(qū)→B2 區(qū)→A2 區(qū)施工順序完成場地交付工作。C3 標(biāo)段施工方案未發(fā)生調(diào)整，仍然按照A1區(qū)→B1 區(qū)→C1 區(qū)于-1.10 m 標(biāo)高施工工程樁，其完成后交付該標(biāo)段進(jìn)行土方開挖、結(jié)構(gòu)施工。

這種施工方案的調(diào)整給該標(biāo)段帶來的影響無疑是巨大的，該標(biāo)段原計劃坑內(nèi)降水控制措施、土方開挖、結(jié)構(gòu)施工需要全部進(jìn)行調(diào)整。按照該標(biāo)段原降水控制計劃坑內(nèi)井點降水應(yīng)在C1、C2 區(qū)完成最后的收尾工作。但是調(diào)整后，按照分標(biāo)段（見圖7）兩側(cè)區(qū)域該標(biāo)段的施工順序全部變化。

圖7 降水方案調(diào)整后布置圖

受建設(shè)單位要求，C2-6 區(qū)塊（見圖8）內(nèi)所有工作必須全部完成后首先完成交付，C2 標(biāo)段需要在此處施工下坡通道。當(dāng)時在基坑坡頂止水帷幕并沒有完全封閉的情況下，且加急施工的降水井點抽水周期并未完全滿足開挖需要。迫于壓力，該標(biāo)段對該區(qū)域強行收底，降水措施由原來的輕型井點為主調(diào)整為由管井為主，輕型井點輔助收底。過程中針對施工場內(nèi)②3-2灰色砂質(zhì)粉土砂性強、含水量大、容易造成輕型井點施工塌孔的特點，該標(biāo)段改進(jìn)了輕型井點的施工工藝，研發(fā)了一種實用新型國家專利——一種易塌孔地層輕型井點降水結(jié)構(gòu)，取得了顯著效果，最終按照節(jié)點要求完成場地交付任務(wù)。

圖8 調(diào)整后土方分區(qū)及開挖示意圖

后續(xù)降水控制經(jīng)過詳細(xì)驗算，該標(biāo)段對降水方案做出重大調(diào)整，C2 標(biāo)段區(qū)域調(diào)整為由疏干井為主（188 口，深11 m，觀測井20 口），輕型井點輔助收底，保證降水工作不間斷。

C3 標(biāo)段基坑降水疏干井共計布設(shè)286 口（按照不大于200 m2梅花形布設(shè)至少一口深22 m，觀測井23 口），根據(jù)開挖進(jìn)度直至降至底板標(biāo)高-15.6 m以下0.5 m。

分標(biāo)線左側(cè)采用管井降水，分標(biāo)線右側(cè)采用輕型井點輔助管井降水，具體地下水位控制調(diào)整如圖7、圖9 所示。

圖9 調(diào)整后新增管井構(gòu)造示意圖

經(jīng)驗算，在基坑開挖階段，調(diào)整后的地下水控制措施可滿足基坑穩(wěn)定性要求（見表4）。降水完成后的結(jié)構(gòu)施工與場地交付現(xiàn)場圖如圖10、圖11 所示。

表4 調(diào)整后基坑井點預(yù)計出水量

圖10 降水完成結(jié)構(gòu)施工圖

2.3 現(xiàn)有建筑物未拆除采取的臨時封閉措施

圖11 結(jié)構(gòu)施工完成場地交付圖

現(xiàn)有廠房拆除工作未完成，該標(biāo)段止水帷幕、圍護體系無法建立，對整個基坑降水工作帶來極大影響。后與設(shè)計單位、監(jiān)理單位溝通，經(jīng)建設(shè)單位同意后確定繞開廠房，且在不侵界的情況下新增一部分止水帷幕（與坡頂止水帷幕相同構(gòu)造），先保證隔離外界地下水的施工方案，效果顯著，最終順利完成了A1、A2 區(qū)域的收底工作。

3 結(jié) 語

就該工程來說，若分標(biāo)線處、土方分區(qū)（A 區(qū)、B區(qū)、C 區(qū)）處采用三軸攪拌樁止水帷幕工藝，采取區(qū)域降水，封閉一塊降一塊，工期至少提前一個月，但是其成本經(jīng)過測算為疏干井的16 倍。若綜合考慮白龍港污水處理廠提標(biāo)改造西北地塊整體工期，以及延誤一個月帶來的整體經(jīng)濟損失，如何取舍還是值得商榷的。

輕型井點的造價約為管井的一半，但若采用輕型井點，降水效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上工程進(jìn)度，通過測算降水效率僅為管井的30%。且輕型井點埋深較淺，對成井質(zhì)量、填砂量、氣密性要求較高，幾百套的輕型井點需要很多人員連續(xù)不斷地檢查管井是否漏氣、真空泵是否損壞等，人力資源消耗較大。但管井的施工深度是輕型井點無法比擬的，若加上真空，出水量完全可以滿足土方開挖的要求。在復(fù)雜條件下的超大深基坑內(nèi)，“化整為零”“圍追堵截”的降水思路是正確的。在工程利潤為上的大環(huán)境下，如何合理選擇技術(shù)經(jīng)濟效果最佳且安全快捷的止水、降水、土方開挖組合控制技術(shù)，仍然是相關(guān)人員不斷學(xué)習(xí)、研究的方向。