上海鬧市區(qū)超深基坑降水技術研究

羅軍濤， 殷立鋒， 晏姝， 王彭宇， 王朝陽

（上海長凱巖土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

隨著上海深基坑工程規(guī)模不斷擴大、深度加深，承壓水對深基坑施工的安全威脅越來越大[1]。但是抽取承壓水會導致含水層或鄰近含水層的可壓縮夾層壓縮，特別是在基坑止水帷幕未隔斷承壓含水層時，引起周邊地面較大沉降，對周邊環(huán)境造成一定的影響[2]。目前懸掛式止水帷幕多應用與周邊環(huán)境相對簡單的區(qū)域，在周邊環(huán)境重要的鬧市區(qū)，懸掛式止水帷幕鮮有應用。但在上海⑦層與⑨層連通區(qū)域，含水層深達百米以上時深基坑圍護形式只能選擇懸掛式止水帷幕。在此基礎上，如何減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響變得尤為重要。

1 工程概況

黃浦區(qū)文化中心新建工程位于黃浦區(qū)迎勛路以東的129街坊北地塊內。基坑面積約5030m2，普遍區(qū)域挖深為24.10m，局部深坑挖深達26.95m。工程基坑工程安全等級為一級，基坑各側環(huán)境保護等級為二級?；娱_挖采用整坑順作法方案，采用“兩墻合一”地下連續(xù)墻作為圍護體，深度55m，并設置五道混凝土支撐進行圍護。

工程位于上海鬧市區(qū)，周邊建筑密集，東側、南側緊鄰高層住宅；西側、北側緊鄰老式住宅。周邊道路地下管線極為復雜，對周邊構建筑物和管線保護為項目的重難點。

圖1 項目基坑分區(qū)及周邊環(huán)境示意圖

2 工程地質情況

工程勘察階段所完成勘察孔的最大深度為70m，對此深度范圍內揭遇的地基土，按其結構特征、地層成因、土性不同和物理力學性質上的差異可劃分為7層，共10個亞層。

表1 土層物理力學參數(shù)成果

擬建場地分布有第⑦2層與第⑨層承壓含水層，第⑦2層承壓含水層與第⑨層承壓含水層相連。第⑦2層層頂埋深36.79～37.81m，勘察測得水位埋深5.54m；第⑨層層頂埋深60.39～61.73m。

工程主要針對開挖范圍內的潛水進行疏干降水及下伏第⑦2層承壓含水層進行減壓降水。

工程地下連續(xù)墻深55m，墻趾已進入第⑦2層約18m，由于第⑦2層與第⑨層承壓含水層直接相連，承壓含水層埋深大、厚度大，地下連續(xù)墻未能將承壓水隔斷，形成懸掛式止水帷幕。

圖2 圍護剖面圖（單位：mm）

3 基坑降水分析

深基坑開挖除考慮疏干開挖范圍內的潛水外，也須充分考慮承壓水安全性，針對下部承壓水含水層的頂托力進行驗算。

基坑下伏第⑦2層及第⑨層承壓含水層最淺埋深分別為36.79、60.39m，水位按照項目水文地質勘察取5.54m，基坑最大開挖深度26.95m，抗突涌安全系數(shù)為0.57，基坑開挖需對第⑦層承壓含水層進行減壓降水。

表2 基坑開挖抗突涌穩(wěn)定性驗算（Fs=1.05）

經(jīng)計算，基坑開挖需針對第⑦2層承壓水進行減壓降水、無需針對第⑨層承壓水進行減壓降水。當開挖至基坑最大開挖深度26.95m時，第⑦2層承壓含水層安全水位埋深為19.76m，減壓幅度較大。

另一方面，地下連續(xù)墻未完全隔斷承壓含水層，坑內降壓時，會引起坑外相當大范圍的承壓水位下降，引起周邊道路、管線、建（構）筑物的沉降，基坑減壓降水在盡量增加降水繞流路徑的基礎上，并采取地下水回灌措施，人為抬高坑外承壓水水位，減緩沉降變形，保證周邊環(huán)境安全。

4 降水設計

4.1 疏干深井設計

基坑開挖范圍內主要為第③層淤泥質粘土夾粘質粉土、第④層淤泥質粘土及第⑤1-1層粘土，土質較為軟弱，具較明顯觸變及流變特性，受擾動土體強度極易降低。

單獨設置真空疏干深井，對潛水疏干處理，控制地下水水位在每層土開挖面以下1.0m，為基坑開挖作業(yè)提供良好的環(huán)境。根據(jù)上海地區(qū)降水施工經(jīng)驗，為有效疏干富存在軟土中的潛水，單井有效疏干面積按照200m2布置，共布置15口真空疏干深井，井深設定為30m。運行采用超級壓吸聯(lián)合抽水系統(tǒng)，有效疏干開挖范圍內的潛水?；油庠O置潛水觀測井，井深30m，觀測坑外潛水水位變化。

4.2 減壓降水深井設計

根據(jù)文中承壓含水層抗突涌驗算結果，基坑開挖需針對第⑦2層承壓水進行減壓降水，將地層概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型，利用Visual ModFlow進行三維滲流數(shù)值法計算。

圖3 圍護與降水井三維立體示意圖

三維滲流計算模型符合假定，潛水的初始水位埋深0.5m、第⑦2層初始水位埋深5.54m；止水帷幕深度55m；降水運行過程中減壓深井的單井涌水量平均為5～10m3/h。

在坑內布置第⑦2層減壓深井，考慮基坑周邊環(huán)境的重要性，加長基坑減壓降水繞流路徑，井深設定為46m，濾管長度為7m，減壓降水繞流路徑10m；降水深井均采用鋼管井，孔徑650mm、井徑273mm。

經(jīng)三維滲流模型計算，在滿足第⑦2層承壓水水位控制在滿足基坑坑底抗突涌穩(wěn)定性驗算條件時，需要基坑內布置減壓降水井10口（含2口觀測備用井），利用備用井進行水位觀測，根據(jù)地下水位監(jiān)測結果指導降水運行[3]。

另外在基坑外側，第⑦2層均勻設置10口觀測兼回灌井，為達到更好觀測及回灌效果，井深設定為49m，濾管長度為10m。

圖4 基坑降水運行后⑦2層埋深預測（單位：m）

圖5 基坑降水運行后⑦2層降深預測（單位：m）

圖6 減壓降水井及回灌井平面布置

5 基坑降水運行及回灌分析

5.1 生產(chǎn)性抽水試驗情況

基坑開挖前實施生產(chǎn)性抽水試驗，以全面掌握場地水文地質情況及基坑內外含水層水力聯(lián)系，避免基坑降水對周邊環(huán)境造成重大影響[4]。

在基坑坑內降水井及坑外觀測井、回灌井成井結束后，進行生產(chǎn)性抽水試驗。

由抽水試驗結果可知，當基坑內第⑦2層水位觀測井BG1、BG2水位降深17.56、18.03m，滿足基坑最大開挖深度要求安全時，基坑外承壓水水位降深在0.15～0.28m之間，止水帷幕繞流起到了良好效果，基坑內減壓降水對周邊環(huán)境影響較小，基坑內須做到按需降水，在基坑內減壓降水的同時開啟坑外回灌井進行回灌補水，緩解坑外第⑦2層水位下降，保證周邊環(huán)境安全。

5.2 降水運行及回灌運行情況

基坑開挖實施過程中，基坑降水嚴格遵循“分層降水”、“按需降水”的原則，根據(jù)減壓井抽水量及減壓觀測井的承壓水位，確定開啟的減壓井數(shù)量，合理控制承壓水水位，將減壓降水對環(huán)境的影響控制到最低程度[5]。

基坑開挖至第5層土時開啟第⑦2層減壓深井，進行減壓降水，隨著基坑的開挖，逐漸將觀測井水位控制在19.80m左右，在基坑內減壓降水的同時開啟坑外回灌井進行回灌補水，緩解坑外第⑦2層水位下降，保護周邊環(huán)境安全[6]。

項目在底板施工階段，基坑內水位滿足基坑開挖要求的前提下，基坑日涌水量穩(wěn)定在約200～220m3/d之間。

基坑外回灌遵循同抽同灌、抽灌一體化的原則，基坑內抽取同層地下水經(jīng)過水質處理后作為回灌用水。根據(jù)承壓水水位變化實現(xiàn)回灌井的自動開啟與關閉。底板施工回灌期間，測定單井最大回灌量可達30m3/d，實現(xiàn)抽灌平衡，在整個減壓降水期間，基坑外第⑦2層承壓水水位基本維持在初始水位，回灌效果明顯。

圖7 回灌原理示意圖

圖8 運行水位曲線

基坑減壓降水期間，在回灌同時開啟的條件下，坑外承壓水水位保持穩(wěn)定，基坑外周邊道路、管線及構建筑物均表現(xiàn)平穩(wěn)，沉降變形量均在20mm以內。未發(fā)生地下管線安全事故，周邊道路無明顯可見的沉降和開裂現(xiàn)象，回灌整體達到了預期效果。保證基坑安全開挖的同時，有效減小了懸掛式減壓降水對周邊環(huán)境產(chǎn)生的不良影響。

減壓降水運行期間配備降水備用發(fā)電機，保證現(xiàn)場用電停電后，發(fā)電機自動啟動并切換，確保在基坑減壓降水運行期間供電的連續(xù)，并為每口減壓降水井布置水位報警系統(tǒng)，在水位異常時報警，便于迅速采取相應措施，保證基坑安全。

6 結語

通過項目基坑降水的設計與施工，并對周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，得出結論如下：

（1） 三維滲流模擬計算為基坑降水設計提供理論依據(jù)，并利用生產(chǎn)性抽水試驗驗證降水設計的合理性。嚴格遵循“分層降水”、“按需降水”的原則。

（2） 鬧市區(qū)復雜環(huán)境下，懸掛式圍護深基坑施工，采取地下水回灌措施可以有效抬升坑外承壓水水位，保證基坑周邊構建筑物及管線安全，減少基坑降水對周邊環(huán)境的影響。

（3） 項目基坑于2021年8月3日完成基礎底板施工，通過對周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，表明坑內減壓降水，坑外回灌的“抽灌一體化”降水方式對周邊環(huán)境保護極為有效、實用經(jīng)濟。