鄰近高速鐵路 30 m 深基坑承壓水控制關鍵技術

陳 鶴（上海東華地方鐵路開發有限公司 ，上海 200071）

隨著基坑越挖越深，風險越來越大，承壓水已逐漸成為基坑開挖階段最大的風險源，既危害基坑的安全，又危害周邊環境的安全。尤其是在高速鐵路附近，承壓水的控制更為重要。對于鄰近高速鐵路深基坑施工來說，坑外水位降深幅度應盡可能小，以確保基坑開挖和坑內降水期間不造成高速鐵路沉降；坑內基坑開挖期間又要按需降水，以控制基坑底的穩定。為了控制降承壓水的施工風險和對高速鐵路的影響，必須從設計、施工、監測等多環節來控制風險。

1 工程背景

上海軌道交通市域機場聯絡線 JCXSG-2 標 2 號風井，為盾構接收井兼中間風井，基坑深 30.22 m，位于滬昆高鐵與李莘聯絡線夾角地帶，圍護結構距離滬昆高鐵線路中線最小凈距離為 27 m。鄰近高速鐵路建造如此深的基坑，國內外尚屬首次。

1.1 工程概況

基坑長 30.4 m，寬 25.4 m，圍護結構采用地下連續墻，墻深 64 m，靠近高鐵側地下連續墻為 1.5 m 厚，其他三側為 1.2 m 厚。沿基坑深度方向共設置 8 道支撐，包括 3道混凝土支撐和 5 道鋼支撐，底板厚度 1.5 m。

1.2 工程地質條件

本工程屬于濱海平原地貌類型，土層分布情況見表 1。

表1 土層分布

1.3 工程水文條件

地下水有潛水-微承壓水和承壓水兩種類型。潛水-微承壓水主要賦存于 ①1填土層（潛水）、④1 粉砂夾粉質黏土層（微承壓水），穩定水位埋深為地表下 0.3～1.5 m。承壓水位于 ⑦1 粉砂夾粉質黏土層、⑦2 粉砂層，兩者相互貫通，視為同一承壓含水層，穩定水位埋深 6.04～6.62 m。

2 隔水、降水設計

2.1 隔水設計

采用嵌入式止水帷幕，基坑圍護結構穿過承壓水層，進入隔水層一定深度，可以有效隔斷承壓水。在這種情況下，只需確保圍護結構止水效果，將降承壓水簡化為基坑內疏干，基本可以解決降承壓水對周邊環境的影響。機場線 2 號風井處 ⑦1、⑦2 層存在承壓水，⑦2 層底埋深 78 m，⑨1中細砂層同樣屬于透水層，無法施作嵌入式止水帷幕隔斷承壓水。為了達到隔水的效果，采用在圍護結構底部墻趾處施作人工隔水層的方式，即在地下連續墻底部采用 φ3 500@2 200 的 N-JET 工法樁進行滿堂加固處理。隔水層加固厚度 6 m，隔水層底位于地下連續墻底以上 1 m 處。隔水層施工完成后，通過地下連續墻預留的壓漿管道對地下連續墻與隔水層的接縫處進行壓漿處理，保證隔水層與圍護結構接縫處無滲流通道。

圍護結構墻縫止水也是有效隔絕承壓水的關鍵。接縫處地連墻外側上部利用槽壁加固時的三軸攪拌樁、下部采用RJP 工法樁，將墻縫進行完全封閉。直徑 2 400 mm 的 RJP工法樁加固深度為地下連續墻槽壁加固樁底至地下連續墻墻底,上部穿越三軸攪拌樁時引孔實施,豎向與攪拌樁有不小于1 m 的搭接。

2.2 基坑底隔水層穩定性分析

基坑開挖后，由于承壓含水層覆土層厚度變薄，覆土的壓力降低。當覆土壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時，承壓水將可能使基坑底面產生隆起，嚴重時使土體被頂裂產生滲水通道，從而發生基坑突涌。圖 1 為基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理示意圖，采用式（1）判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌穩定的狀態。

圖1 基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理示意圖

式中：Ps—承壓含水層頂面至基坑底面之間的覆土壓力，kPa；

Pw—初始狀態下（未減壓降水時）承壓水的頂托力，kPa；

hi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的厚度，其和等于圖 4 中的 h，m；

圖4 坑外潛水水位變化曲線圖

γsi—承壓含水層頂面至基坑底面間各分層土層的重度，kN/m3；

H—承壓含水層頂面的承壓水頭高度，m；

γw—水的重度，取 10 kN/m3；

Fs—安全系數，本工程取 1.05。

本工程采用地下連續墻、墻縫設三軸攪拌樁＋RJP 工法樁的方式阻斷側向水的滲流路徑，墻趾處設置 6 m 厚 N-jet封底隔水層阻斷底部承壓水?；幼畲箝_挖深度 30.22m，對于底部承壓水，需驗算封底隔水層以下⑦2層的抗突涌穩定性，驗算結果見表 2。根據水文地質勘察報告，承壓水位埋深 6.04～6.62 m，初始水位按地下 6.00 m 計算。計算結果表明，基坑開挖至基底時抗突涌安全系數大于上海市工程建設規范 DG/TJ08—61—2018《基坑工程技術標準》要求的1.05，滿足要求。

表2 隔水層抗承壓水突涌穩定性驗算結果

2.3 降水設計

本工程雖有 N-jet 封底隔水層隔斷承壓水，但考慮到坑內降水幅度較大，同時對 N-jet 封底效果缺乏有效的檢測手段，故在坑內設置降水井對 ⑦1、⑦2 層進行封閉式降水，井底設置在 N-jet 封底隔水層以上。開挖第一～四道支撐時，坑內僅需疏干上層的潛水，將水位降至開挖面以下 1 m。開挖第五～八道支撐時，對坑內 ⑦1、⑦2 層按需降承壓水。開挖至基底時，已經挖至⑦1層，需將水位降至坑底以下 1 m。對基坑各開挖工況進行抗承壓水突涌穩定性進行驗算，計算結果見表 3。

表3 各開挖工況抗承壓水突涌穩定性驗算結果

2.3.1 疏干井布設

基坑開挖施工時，需疏干開挖范圍內土層中的水，保證基坑開挖的順利進行?；邮韪擅娣e 772 m2，單井有效抽水面積 200 m2，設置疏干井數量 4 口。為減少對承壓水層的影響，疏干井濾管不可以進入 ⑦1 層，同時考慮到 ⑥1 粉質黏土層為硬土層，故將疏干井的濾管底設在 ⑥1 層頂，疏干井深度為 25 m。

2.3.2 降壓井布設

本工程承壓水位于 ⑦1、⑦2 層，在坑內布設降壓井進行封閉式降水。開挖至基底時，已挖至 ⑦1 層，需將水位降至坑底以下 1 m，水位降深達到 25.22 m，根據工程經驗，需布設 2 口降壓井，濾管長度 15 m，濾料層頂設置在 ⑥1層底，井深為 48 m。

2.3.3 坑內觀測兼備用井布設

基坑中布置 5 口觀測兼備用井?；拥乃倪吳铱拷蔚牡胤骄鶆虿荚O 1 口井，中心處布設 1 口井。觀測井底部不深入 N-jet 封底層，井深為 45 m、56 m 的兩種觀測井，分別觀測 ⑦1、⑦2 層水位情況。

2.3.4 坑外觀測井布設

在基坑外，布設深、淺不同類型的觀測井分別觀測地下連續墻及封底隔水層周圍情況。其中 41 m 井 2 口，64 m 井及 71 m 井各 1 口。

2.3.5 坑外應急回灌井布設

坑外布設 10 口應急回灌井，布設在靠近高鐵一側，井間距 15 m，井深 53 m。布設 2 口坑外觀測兼備用回灌井，井深 53 m。

3 抽水試驗

止水帷幕及 N-jet 封底層施工完成后，在基坑開挖之前，進行抽水試驗，檢驗降水效果、分析坑內抽水時引起坑內外水位變化情況、以及評價地下連續墻及封底層對承壓水的封閉效果。

3.1 初始水位觀測

試驗前對試驗井點進行水位觀測，初始水位情況見表4?？油?⑦層初始水位埋深為 5.42～6.66 m；坑內 ⑦ 層水位因洗井影響未恢復至初始水位，降深計算時坑內井點初始水位埋深統一按場我范圍內平均值 5.66 m 計。

表4 試驗觀測井初始水位埋深一覽表

3.2 抽水試驗

Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h，坑內 ⑦1 層、⑦2 層水位埋深為 32.00～32.10 m，安全水位控制埋深 31.20 m，滿足基坑開挖至坑底時水位控制要求。此時，坑外觀測井下降幅度為0.04～0.18m。試驗觀測井水位降深情況見表 5。

表5 試驗觀測井水位降深情況一覽表

Y 1、Y 2 兩井抽水 35.1 h，Y 1 出水量約為 219 m3，平均流量約為 6.24 m3·h-1，Y 2 出水量約為 309 m3，平均流量約為 8.80 m3·h-1。抽水試驗開始后，流量隨抽水時間整體呈逐步減小的趨勢。開始第一小時流量為 15.7～18.9 m3·h-1，往后逐漸減小至 4.5～5.5 m3·h-1左右。圖 2 為試驗抽水井流量變化圖。

圖2 試驗抽水井流量變化圖

3.3 回水試驗

停抽后，恢復試驗歷時 34.5 h，經過 30 min 坑內井水位恢復了 0.4%～1.3%，經過 1 h 恢復了 0.9%～2.5%，經過 5.0 h 恢復了 6.3%～10.3%，經過 12 h 恢復了14.4%～19.6%，經過 18 h 恢復了 19.3%～23.4%，經過 24.5 h 恢復了 25.4%～26.9%，經過 34.5 h 恢復了36.1%～38.6%。恢復速率較慢，恢復程度較低。

4 降水運行控制

4.1 疏干運行控制

基坑開挖前，提前 15 d 開啟疏干井，加載真空負壓疏干開挖土體，開挖過程中保持持續抽水，疏干開挖范圍內土體并降低其水位在開挖面以下 1 m。采用真空泵抽氣和潛水泵抽水的方法降低潛水位，4 口井配備 1 臺真空泵，每口井單用一臺潛水泵，潛水泵和真空泵同時開啟，抽水期間真空管路的真空度 ＞-0.065 MPa。

4.2 減壓降水運行控制

為減少降水對周圍環境的影響，隨開挖深度的逐漸加大，坑內逐步降低承壓水頭?；娱_挖至臨界深度前一周，加強對承壓含水層初始水位的觀測，根據實測的初始水位調整降壓運行工況。通過智能化水位觀測系統，密切關注坑內外水位變化情況。承壓水降深控制見表 6。

表6 基坑開挖階段承壓水降深一覽表

4.3 回灌井運行控制

坑外承壓水位降幅報警值為 0.5 m，當降幅接近報警值或有明顯下降趨勢時，應及時啟動應急回灌井，回灌后水位控制在初始水位附近。回灌水源優先采用自來水，水源不充足時可考慮基坑內抽出的承壓水。本基坑開挖至第七道支撐深度，坑外承壓水位有明顯下降趨勢，開啟回灌井回灌，水位穩定在初始水位 ±20 cm，直至底板澆筑完成。圖 3 為坑外承壓水水位變化曲線圖。

圖3 坑外承壓水水位變化曲線圖

5 降水對高速鐵路及周圍環境影響的分析及控制

5.1 坑外潛水位監測

坑外設置 8 個潛水位觀測孔，從基坑開挖初期進行跟蹤觀測，直至基坑底板澆筑完成。由觀測數據可知，潛水位變化很小，變化范圍 ≤30 cm，說明受坑內降水影響較小，圍護結構止水良好。圖 4 為坑外潛水水位變化曲線圖。

5.2 墻頂豎向位移

地連墻頂部設置 10 個觀測點，觀測墻頂豎向位移。從基坑開挖以來，隨著坑內土體減少，地下連續墻整體呈上浮趨勢，底板施工完成后,上升速率減小，趨于穩定，最大上浮量 7.5 mm。支撐拆除、主體側墻施工過程中，出現回彈趨勢,回彈量 2 mm 左右，隨著水位的穩定，變化速率越來越小，并逐漸穩定。圖 5 為圍護體頂部豎向位移變化曲線圖。

圖5 圍護體頂部豎向位移變化曲線圖

5.3 高速鐵路橋墩豎向位移

滬昆高鐵 141#、142# 橋墩各設置 3 個觀測點，觀測橋墩豎向位移?；邮┕て陂g，141#、142# 橋墩豎向變化量均 ＜2 mm，說明封底隔水、圍護結構止水良好，坑內降水對高鐵橋墩影響較小。圖 6 為高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖。

圖6 高鐵橋墩豎向位移變化曲線圖

6 結 語

本工程采用隔水和抽灌一體化的綜合設計，采用地下連續墻、墻縫三軸攪拌樁＋RJP 工法樁的方式阻斷側向水的滲流路徑，墻趾處設置 6 m 厚 N-jet 封底隔水層阻斷底部承壓水，坑內設置降水井進行封閉式降水，坑外設置回灌井確保水位穩定?；娱_挖之前，進行抽水試驗，初步評估降水對坑內外的影響?；邮┕て陂g，坑內封閉式降水，坑外及時進行回灌，全過程對水位、基坑支護結構、高鐵橋墩進行觀測。從設計、施工、監測多方位綜合控制承壓水對基坑開挖的影響，進而減小對鄰近高鐵的干擾，基坑圍護結構和高鐵變形均在控制標準要求范圍內，確保了基坑施工和高鐵運營安全，為今后類似工程提供借鑒。