城市核心區(qū)深大基坑的降水及回灌

徐一博

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

隨著我國城市化進程的加快及國家經濟的快速發(fā)展，在城市核心區(qū)的超高層建筑、商辦住宅等工程日漸增多。這類工程由于地處城市核心地帶，普遍采用深基坑，并且可能緊鄰地鐵、保護建筑等在基坑開挖過程中對沉降變形較為敏感的建筑物。因此對降水工程的要求極高，必須做好降水工作，從而確保基坑開挖過程中的安全，同時，也需要在基坑降水過程中針對保護建筑做好回灌工作，減小基坑降水帶來的影響，控制保護建筑側的變形[1-8]。本文以上海靜安區(qū)大中里綜合發(fā)展項目為例，研究城市核心區(qū)深大基坑的降水及回灌技術，以期為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

本項目位于上海市靜安區(qū)，東鄰石門一路、南靠南京西路、西鄰青海路、北靠威海路。項目北側是上海軌交2號線區(qū)間隧道，待建的上海軌交13號線南京西路站位于項目西側（圖1）。本項目規(guī)模較大，共包括5幢高層，其中T1（32層）高度170 m、T2（51層）高度250 m，均為辦公塔樓，2棟塔樓的結構體系均為框筒結構；T3（24層）、T5（15層）、T6（18層）為酒店塔樓，高度分別約為100、70、73 m，結構體系采用框剪結構。另外還涉及2～4層商業(yè)裙樓，框架結構。本項目除跨越軌交2號線隧道段（三期工程）無地下室外，整個場地下設4層地下車庫，總開挖深度約為19.3 m。

圖1 項目及周邊環(huán)境示意

本項目根據(jù)地下連續(xù)墻及施工先后順序分為10個區(qū)，基坑分塊如圖2所示。

圖2 基坑分區(qū)示意

本項目基坑面積較為龐大，同時基坑深度較深，因此，降水工程對于本項目來說至關重要。同時本項目又位于城市核心區(qū)，周邊緊鄰地鐵、保護建筑，對降水施工提出了很高的要求。本文以本項目的1-a區(qū)基坑降水工程為例，總結城市核心區(qū)深大基坑降水及回灌技術。

2 抽水試驗

本項目作為一個典型的開挖深度較深的基坑工程，在開挖過程中，坑底土體的承壓水穩(wěn)定性必須在設計、施工階段進行充分考慮。經底板穩(wěn)定性分析，基坑開挖到一定深度后需采取減壓降水措施。為了確保基坑安全施工，項目施工前，必須全面掌握本項目降承壓水對周圍地下水位的影響，進而為基坑降水的設計計算、現(xiàn)場施工提供有效的依據(jù)。因此必須要進行群井抽水試驗。

大中里項目的1-a區(qū)基坑施工過程中共布設降壓井13口（含觀測井），其中10口坑內降壓井（YA1—YA7和YG2—YG4），3口坑外觀測井（YG8—YG10）。詳細布置如圖3所示。

圖3 項目降壓井布置示意

抽水試驗11：00啟動YA2、YA3、YA4、YA5、YA6和YA7共6口抽水井，以YA1作為坑內觀測井，以YG8、YG9、YG10作為坑外觀測井（群井抽水試驗時YG2—YG4施工棧橋下無法抽水）。于22：00停止抽水，水位開始恢復。抽水試驗過程中，降壓井的單井平均出水量約為18.6 m3/h，群孔抽水試驗抽水時間11 h左右。抽水過程中前期出水量相對較大，后期出水量較穩(wěn)定，井的出水能力并無衰減。

在抽水試驗過程中，水位特征在群井降深最大區(qū)域出現(xiàn)最有效體現(xiàn)的點位是坑內觀測井YA1；坑外觀測井YG8、YG9、YG10基本上能反映坑外承壓水水頭變化。實測抽水不同時期的水位變化情況。

本次群井抽水試驗結果為：降壓井水位下降了10.7 m，滿足基坑塔樓區(qū)域開挖大底板抗承壓水的要求。同時考慮到本基坑內YA1和YG2—YG4降壓井沒有啟動，說明現(xiàn)有降水井已經能滿足基坑塔樓深坑開挖的要求，可以保證基坑開挖的安全。

由上述試驗可以總結，在施工過程中，可以通過僅先開啟基坑中心區(qū)域以及塔樓內的降壓井對承壓水進行降水，即可滿足基坑開挖的要求，并結合施工過程中觀測井的數(shù)據(jù)，合理地開啟基坑中心以及塔樓外的降壓井，從而貫徹按需降水的理念，有效減少基坑降水對周圍環(huán)境的影響。

通過群井試驗成果，坑內觀測井的水頭下降較坑外的觀測井水頭下降深，從抽水試驗觀測井的水位變化曲線可以看出，水位變化的速率較快，說明該地區(qū)的第⑦層承壓含水層滲透系數(shù)比較大，補給條件較強，補給速率較快，因此建議提前1 d開啟降壓井進行抽水，以保證基坑內承壓水水位能按時降至計算安全水位以下，開啟時間應視具體工況而定。同時基坑開挖期間需加強坑內外水位觀測，根據(jù)水位情況指導降水運行和開挖施工，減小對周邊環(huán)境的影響。

3 地下水回灌數(shù)值模擬

本工程1-a區(qū)基坑開挖深度較大，坑內開挖過程中降承壓水必然會造成坑外承壓水水位下降。特別是靠近云海苑、岳陽醫(yī)院門診部、東方眾鑫大廈及軌交13號線隧道和車站接口區(qū)域一側的水位會隨著坑內降水而降低。由此可見，大中里項目周圍苛刻的環(huán)境保護要求，必然對基坑外水位控制提出了嚴格的要求，在施工過程中，必須根據(jù)現(xiàn)場情況，及時進行場外回灌，減少基坑降水的影響。

3.1 回灌數(shù)值模型建立

本基坑所設回灌井主要是減小由抽水引起的對近云海苑、岳陽醫(yī)院門診部、東方眾鑫大廈及軌交13號線隧道及車站接口區(qū)域的影響。根據(jù)本工程的抽水試驗求得水文地質參數(shù)及相關經驗，應用Visual MODFLOW軟件進行數(shù)值模擬計算。

根據(jù)水文地質參數(shù)，初始承壓水水頭埋深6.68 m作為前提條件，根據(jù)群井抽水時的水位觀測數(shù)值并結合地下圍護對承壓水的阻隔來模擬群井抽水的滲流場。群井抽水及回灌時，取抽水井單井出水量約446.4 t/d（群井抽水試驗的實測平均值），取回灌井單井回灌量96 t/d（經驗值），模型計算中第⑦層的水平滲透系數(shù)平均值為5.03×10－3cm/s，垂直滲透系數(shù)平均值為5.03×10－4cm/s，初始水位為－6.68 m。

此次對本數(shù)值模型的模擬時間為15個日歷天，并且本次模擬將分為3個計算周期，每個計算周期內，取1 d作為各個計算周期的計算時間步長。在數(shù)值模擬過程中，所有的外部參數(shù)保持不變，將數(shù)值模擬的區(qū)域劃分活動網格共225 000個，在基坑附近采用1 m×1 m的剖分格式，并向邊界區(qū)域發(fā)散狀分布。

3.2 回灌數(shù)值模擬結果

經過數(shù)值模擬計算，當1-a區(qū)域基坑減壓降水滿足最大開挖深度時，基坑內的承壓水位埋深控制在地面下20.20 m左右。基坑外側靠云海苑一側承壓水位埋深約為11.50 m，即水頭最大降深為4.82 m；靠云岳陽醫(yī)院一側承壓水水位埋深約10.80 m，即水頭最大降深為4.12 m；靠近軌交13號線隧道和車站接口區(qū)域一側的承壓水水位埋深為9.00 m，即水頭最大降深為2.32 m。

當采取41口回灌井（含云海苑一側18口）回灌時，基坑內的承壓水位埋深控制在地面下20.20 m左右。基坑外側靠云海苑一側、岳陽醫(yī)院門診部一側承壓水水位基本沒有下降；東方眾鑫大廈一側承壓水水位埋深約8.20 m，即水頭最大降深為1.52 m；靠近軌交13號線隧道和車站接口區(qū)域一側的承壓水水位埋深為8.30 m，即水頭最大降深為1.62 m。

4 降水引起周邊沉降預測

本項目基坑開挖的計劃時間為90個日歷天，因此根據(jù)本數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行抽水試驗階段的數(shù)值模擬計算。基坑承壓水降水運行后基坑周邊環(huán)境沉降預測等值線如圖4所示。

圖4 降壓井降水90個日歷天后地面沉降預測分布

開啟降壓井進行減壓降水，達到降低基坑內承壓水位的目的。因降水深度比較大，對基坑外沉降影響比較大，緊鄰基坑外側靠云海苑一側的地面沉降值達到5.5 mm；緊鄰岳陽醫(yī)院門診部一側的地面沉降值達到5.6 mm；緊鄰東方眾鑫大廈一側的地面沉降值達到6.2 mm；緊鄰軌交13號線隧道和車站接口區(qū)域地面沉降達到3.5 mm。

當基坑減壓降水時，基坑周邊沉降較大，采取回灌時，緊鄰基坑外側靠云海苑一側、岳陽醫(yī)院門診部一側地面基本上沒有沉降；東方眾鑫大廈一側地面沉降約2.5 mm；軌交13號線隧道和車站接口區(qū)地面沉降約2.0 mm。基坑承壓水降水運行后基坑周邊環(huán)境沉降預測等值線如圖5所示。

5 結語

大中里項目在基坑降水工程中，通過在前期對深大基坑進行的抽水試驗，確定了本項目基坑的水文地質參數(shù)及地下室類型，為降水工程設計和施工提供了重要的設計參數(shù)和參考依據(jù)。同時，本項目進行了深基坑降水過程中回灌試驗及數(shù)值模擬，在施工前，針對城市核心區(qū)深基坑開挖過程中降水對周圍重要建筑物的影響進行了試驗及預測，從而制定了合理的回灌方案，結合實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，有效控制了基坑開挖過程中周圍建筑物的沉降。本項目在基坑降水過程中，在確保了降水工程順利實施的前提下，兼顧周邊環(huán)境保護要求，確保了基坑開挖安全，給項目帶來一定的社會和經濟效益，所總結的降水工程經驗可以為同類型的工程提供借鑒。