超深基坑降承壓水施工技術

摘要 上海軌道交通15號線天山路站與2號線婁山關路站通道換乘，為地下三層島式站臺車站，該工程水文地質條件及周邊環境復雜，場地承壓水復雜。為確保基坑及周邊建筑物安全，文章針對該工程復雜承壓含水層，采用了合理的深基坑降承壓水技術，滿足了基坑開挖及施工過程中抗突涌的安全要求，同時減少了降承壓水對周邊環境的影響，最終為基坑和周圍建、構筑物的安全提供了保障，為上海市類似地層工程降水施工提供了參考意見。

關鍵詞 水文地質；環境復雜；承壓水復雜；降承壓水技術

中圖分類號 TU753文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0051-05

0 引言

近幾年，隨著我國基礎建設快速推進，城市人口密度越來越大，軌道交通的需求及建設規模日益增大，基坑開挖的深度也越來越深。而深基坑開挖過程中，出現了承壓水處理不善引起的安全事故，事故造成了巨大經濟損失，同時還引發較壞的社會影響。這些事故表明，深基坑工程施工過程中，若不能有效控制承壓水，將會對周邊環境及基坑本身產生嚴重影響，故施工過程中需高度重視對承壓水的控制，需采用合理、最優的降承壓水施工技術。該文以上海軌道交通15號線某工程為例，分析承壓水處理過程中收集的數據，總結得出了一些針對超深基坑降承壓水施工技術的經驗。

1 項目概況

1.1 工程概況

天山路站與2號線婁山關路站通道換乘，為地下三層島式站臺車站，主體規模160 m×21.7 m（內凈），南端頭井平均開挖深度約29.41 m，開挖面位于第⑤₂層土層中，標準段平均開挖深度約27.77 m，開挖面位于第⑤_1-2層土層中，北端頭井平均開挖深度約29.73 m，采用明挖順作法施工。

1.2 周邊環境

車站南端頭井南側為軌道交通2號線盾構區間，距離車站南端頭井基坑最近距離約19.8 m，南端頭井東側為長建公寓，最近距離約12.8 m；車站標準段西側為新古北泵站及改遷變電房，新古北泵站最近距離約7 m，距3號出入口及2號風亭約17.3 m，改遷變電房距標準段距離約24.3 m，距2號出入口及1號風亭距離約9.5 m，標準段東側為新風小區混5及混6建筑，最近距離約14.8 m；車站北端頭井南側為新風小區混6建筑，最近距離約為11.6 m，天山路第一幼兒園距離基坑標準段59.3 m，距3號出入口及2號風亭約41.3 m。

1.3 工程地質與水文地質

擬建場地由上至下土層分別為：①₁雜填土，①₂層浜填土，②_3-1層灰黃～灰色黏質粉土，③₁層灰色淤泥質粉質黏土，④₁層灰色淤泥質黏土，⑤_1-1層灰色黏土，⑤_1-2層灰色粉質黏土，⑤₂層灰色黏質粉土夾粉質黏土，⑤_3-1層灰色粉質黏土，⑤₄層灰綠色粉質黏土，⑦₂層灰色粉砂，⑧₁層灰色粉質黏土，⑧_2-2層灰色粉砂夾粉質黏土，⑧₃層灰綠色粉質黏土，⑨₁層灰色粉砂^[1]。

擬建場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，該工程勘探深度范圍內地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水和第⑤₂、⑦₂、⑧_2-2、⑨₁層粉性土及砂土中的（微）承壓水^[2]。

據勘探報告，該站點局部存在第⑤₂層黏質粉土夾粉質黏土分布，根據相關經驗及臨近工點的觀測情況，該層微承壓水埋深3～5 m范圍呈周期性變化。

經勘查，第⑦₂層承壓水的水位埋深為6.76 m，第⑨₁層的承壓水的水位埋深為10.17 m。第⑧_2-2層與第⑦₂層間雖有⑧₁層粉質黏土分布，但該層厚度較薄，僅0.9～3.3 m，且為夾薄層粉性土，第⑧_2-2層與第⑦₂層相互間有一定水力聯系，故第⑧_2-2層承壓水水位可參考第⑦₂層。

2 降壓井設計方案

2.1 基坑底板抗突涌穩定性驗算

基坑開挖后，含水層覆土厚度減少，坑底可能會產生隆起，嚴重時墊層下可能形成流水通道，形成管涌等。

通常采用式（1）判別基坑開挖后是否處于坑底部承壓含水層突涌穩定的狀態。基坑抗承壓水突涌穩定性驗算原理示意圖，如圖1所示。

式中，p_s——承壓水層基底面以上的覆土壓力；h_i——承壓含水層基底上每層土層的厚度；γ_si——承壓含水層基底上每層土層的重度；γ_w——水的重度（kN/m）；F_s——安全系數，該工程取1.05、1.0。

根據勘查報告，該項目存在第⑤₂層黏質粉土夾粉質黏土局部分布，第⑤₂層承壓水分布于第⑦₂、⑧_2-2、⑨₁層砂土層中。

針對⑤₂層，抗突涌驗算時層頂標高取?20.67 m，水位取標高0.21 m；針對⑦₂層，抗突涌驗算時層頂標高取?41.2 m，水位取標高?3.36 m。針對⑧_2-2層，抗突涌驗算時層頂標高取?48.49 m，水位取標高?3.36 m。針對⑨₁層，抗突涌驗算時層頂標高取?62.88 m，水位取標高?6.77 m。具體計算結果如表1、表2所示。

根據表1、表2計算結果，主體基坑需要降⑦₂層水位以及⑧_2-2層水位。主體基坑淺部⑤₂層微承壓含水層開挖期間已揭露，水位需降至坑底下1 m左右，以疏干為主。

2.2 降承壓水設計思路

2.2.1 主要工程降水風險

（1）基坑底板存在突涌風險。根據驗算，該工程主體基坑開挖深度較大，⑦₂層、⑧_2-2層承壓含水層對基坑開挖造成較大影響，基坑底板存在突涌風險，需對該兩層進行降壓處理。

（2）減壓降水將對周邊環境造成不利影響。主體基坑圍護體系墻址插入⑧_2-2層層頂，未隔斷⑧_2-2層承壓含水層，針對⑧_2-2層減壓降水屬于敞開式、懸掛式相結合降水方式，抽取承壓水對周邊環境將產生一定影響，該工程周邊建筑密集，地下管線眾多，周邊環境極其復雜，因此抽取承壓水問題務必慎重。

2.2.2 應對上述風險采取的措施

根據該工程實際情況，結合該區域地下水處理經驗，為解決該降水工程中難點最終采取了下列措施：

（1）按照“分層降壓”原則，根據具體需要對⑦₂層、⑧_2-2層承壓水采用深井方式進行降水^[3]。

（2）根據⑦₂層承壓含水層實際情況，在基坑內外單獨布置水位觀測井為降水運行提供依據。由于圍護深度未深入至⑧_2-2層中，針對⑧_2-2層減壓降水屬于敞開式降水，對周邊環境將產生一定的影響；根據抽水試驗數據，⑦₂層、⑧_2-2層之間存在一定的水力連續，針對以上兩層，計劃以上部的⑦₂層為主抽水層，必要時再開啟下部⑧_2-2層降壓井以進一步降低⑧_2-2層水位。

（3）由監測單位在坑外針對不同的含水層設置水位觀測井，及時掌握坑內抽水坑外水位變化情況。

（4）施工現場需配備兩路工業用電或自啟動備用電源，避免后期減壓降水時斷電風險，正式減壓降水運行前需進行備用電源切換演練。

2.3 降壓井設計

根據抗突涌穩定性驗算，結合開挖深度及基坑圍護深度，該工程主體基坑需布置⑦₂層、⑧_2-2層降壓井。

主體基坑需考慮對⑦₂層進行降壓處理，主體基坑圍護深度已將⑦₂層完全隔斷，理論上坑內降⑦₂層水位對坑外環境影響可忽略不計。在被圍護結構隔斷處基坑內每50 m間隔布置一口井點。考慮在坑內軸4～軸20區段布設5口⑦₂層降壓井、2口⑦₂層備用兼觀測井，井號Y7-1～Y7-5，YG7-1～YG7-2，井深51 m。

根據已有的專項抽水試驗成果可知，坑內⑦₂層、⑧_2-2層之間存在水力聯系，在⑧_2-2層布置5口觀測井，井號分別為YG8-1～YG8-5，井深60 m。

天山路站主體基坑計算，需考慮降低⑦₂、⑧_2-2層水位，針對該兩層建立降水的物理模型和數值分析模型。在此基礎上，進行滲流分析和設計計算，進而判斷井結構設計的合理性，同時預判降水對周邊的影響，最終制定有效、合理的基坑降水方案。

根據以下三維非穩定地下水滲流的數學模型建立工程場區的水文地質概念模型。

經計算，基坑內⑦₂層水位降深滿足設計要求時，具體水位降深等值線圖如圖2、圖3所示。

基坑西側新古北泵站下部⑦₂層水位降深1.8 m，基坑東側建筑群下部⑦₂層水位降深1.3 m，基坑南側地鐵2號線區間段下部⑦₂層水位降深1 m，基坑西側古北路第一幼兒園下部⑦₂層水位降深1.3 m，基坑西北側天山路39號（釘子戶）下部⑦₂層水位降深1.3 m。

基坑西側新古北泵站下部⑧_2-2層水位下降2.8 m，基坑東側建筑群下部⑧_2-2層水位最大降深1.7 m，基坑南側地鐵2號線區間段下部⑧_2-2層水位降深1.1 m，基坑西側古北路第一幼兒園下部⑧_2-2層水位下降1.5 m，基坑西北側天山路39號下部⑧_2-2層水位下降1.5 m。

2.4 坑外觀測井設計

該工程針對⑤₂層、⑦₂層的降壓處于隔斷狀態下進行，坑內降水對周邊環境的影響取決于止水帷幕的止水效果，如止水帷幕存在滲漏，坑內降水可能引起基坑水位差，造成基坑外側沉降^[4]。

針對⑤²層，在東側小區一邊設置1口水位觀測井，井號為G5-1，井深36 m；

針對⑦₂層，在基坑周邊共計布置6口水位觀測兼回灌井，井號為G7-1～G7-6，井深51 m；

針對⑧_2-2層，于坑外布置4口坑外觀測兼回灌井，井號為G8-1～G8-4，井深60 m。具體工作量如表3所示。

3 減壓降水引起的地面沉降預測與控制

3.1 降水后地面沉降預測

3.1.1 降水導致沉降的計算原理

該計算主要考慮主固結沉降，按照分層總和法進行^[5]。

因地下水下降引起的土層附加荷載：

?P=γ_w（h₁?h₂） （6）

式中，h₁——降水前土層的水頭高度（m）；h₂——水位下降后的水頭高度（m）；γ_w——水的重度（kN/m³）。

降水引起的地面附加沉降量：

式中，φ_s——修正系數；U——土的固結度；S_i——第i層的附加沉降量（m）；?P_i——第i層降水引起的附加荷載（kPa）；E_i——第i層的壓縮模量（kPa）；H_i——第i土層厚度（m）。

以上公式中的E_i，對于砂土，應為壓縮模量；對于黏土和粉土，按下式計算：

式中，e₀——土層的原始孔隙比；a_v——土層的體積壓縮系數（MPa^?1）。

3.1.2 降壓誘發沉降預測結果

通過模型計算，基坑西側新古北泵站地面沉降約11 mm，基坑東側建筑群地面沉降約8 mm，基坑南側地鐵2號線區間段地面沉降約6 mm，基坑西側古北路第一幼兒園地面沉降約8 mm，基坑西北側天山路39號（釘子戶）地面沉降約8 mm，沉降預測等值線圖如圖4所示。

圖4 基坑減壓降水引發沉降等值線圖（mm）

3.2 地面沉降風險控制

（1）適時對地下管道線纜、臨近建構筑物、馬路、地下隧道、地下連續墻等進行監測。根據需要布置沉降觀測點，實施過程中根據規范要求及實際情況確定監測頻次，實時計量沉降速率及累積沉降量。如出現異常，立即暫停抽排水工作，分析判斷出現異常的原因并制定規避措施。

（2）建議在挖土過程中，減少抽水時間，減少降水對周邊環境的影響，臨近建、構筑物和地下管線一側的減壓井盡量縮短^[6]。

（3）在基坑開挖全過程中，為確保基坑穩定性，需嚴密制定降水方案，有效控制承壓水頭，避免承壓水頭過大降低，造成嚴重后果。

（4）降水井施工完成后，需要根據初步方案開展試運行，收集并分析試運行的數據，制定合理的降壓降水運行方案。

（5）驗證圍護體隔水性，降水井完成后及時抽水^[7]。

（6）基坑施工過程中，如上部地下連續墻發生滲漏，及時采取封堵措施，避免基坑外側土體沉降^[8]。

4 方案實施

4.1 施工流程

井位定位→成孔→下井管→回填黃砂→回填濾料、黏土球及封填黏土→洗井→試抽→抽水試驗→隨挖土進程→抽水降壓（同時回灌）→封井→退場。

4.2 基坑開挖與降水運行措施

該工程在成井結束后在⑦₂層降壓井下了流量為6方/h的潛水泵進行了試抽，試抽時流量為4.5方/h，動水位基本在46 m以下。

在基坑開挖過程中為減小對基坑周邊環境的影響，降壓井水位控制按照1.0安全系數進行控制，按照“分層降壓”原則，對⑦₂層、⑧_2-2層承壓水采用深井降水，在承壓水抽水過程中，利用坑外降壓觀測井進行回灌，現場管理人員和工人24 h值班，觀測井內裝有智能化水位監測系統密切關注降壓井水位變化情況，確保承壓水頭在安全警戒水位以下，同時現場配備備用發電機，以防停電造成降壓井停抽，最終保證基坑安全及施工順利進行。

4.3 封井

經過計算并報設計人員復核后對降壓井進行井內注漿封井，封井強度達到后割出井管，最后在管口焊接2道6 mm鐵板，鐵板焊接位置應設置在低于井口5 cm以下。

5 結束語

該工程基坑開挖深度較深，東側的長建公寓、西側的新古北泵站及改遷變電房均為重點保護對象，環境相對復雜。施工過程中通過控制承壓水，適當減小承壓水控制安全系數，有效降低了地下水位，減小了基坑發生突涌的風險，同時確保基坑周邊環境變化變形量均符合規范要求。

該工程針對承壓水的控制技術為上海市類似超深基坑工程降水積累了試驗數據，檢驗了措施的有效性，值得推廣和應用。

參考文獻

[1]建筑地基基礎設計規范： GB50007—2011[S]. 北京：中國建筑工業出版社， 2011.

[2]供水水文地質勘察規范： GB50027—2001[S]. 北京：中國計劃出版社， 2001.

[3]上海申通地鐵集團有限公司. 關于下發《上海軌道交通基坑工程降水技術與管理規程》（試行稿）的通知[EB/OL]. 2015-08-17/2023-11-20.

[4]中華人民共和國建設部. 建筑基坑支護技術規程[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 2012.

[5]建筑與市政工程地下水控制技術規范： JGJ 111—2016[S]. 北京：中國建筑工業出版社，2016.

[6]中華人民共和國建設部. 建筑工程施工質量驗收統一標準： GB 50300—2013[M]. 北京：中國建筑工業出版社， 2013.

[7]市政地下工程施工質量驗收規范： DG/TJ08-236—2013[S]. 上海：同濟大學出版社， 2013.

[8]基坑工程技術規范： DG/TJ08-61—2010[S]. 上海：同濟大學出版社， 2010.

收稿日期：2023-09-21

作者簡介：陳良平（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向：地下巖土工程領域。