上海中心大廈基坑降水設(shè)計(jì)及實(shí)踐

瞿成松，張國強(qiáng)，羅建軍，繆國建

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875;2.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海長凱巖土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大廈基坑降水設(shè)計(jì)及實(shí)踐

瞿成松1，2，3，張國強(qiáng)3，羅建軍3，繆國建3

(1.北京師范大學(xué)水科學(xué)研究院，北京 100875;2.地下水污染控制與修復(fù)教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海長凱巖土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大廈位于上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)中心和上海市地下第一、二、三承壓含水層連通區(qū)，基坑深達(dá)31 m，周邊環(huán)境復(fù)雜，含水層層頂埋深28 m，降水周期長達(dá)140 d以上?；咏邓?jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，精心施工，科學(xué)運(yùn)行，達(dá)到了既降低開挖區(qū)域水位又保護(hù)周邊環(huán)境險(xiǎn)情防治的目的。

基坑降水;承壓水;地面沉降

0 引言

上海中心大廈位于上海浦東陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)核心地段，與金茂大廈、環(huán)球金融中心成“品”字型分布。場地位于東泰路、陸家嘴環(huán)路、銀城中路、花園石橋路所圍范圍，整個(gè)基地面積30 368 m2，總建筑面積約為520 000 m2，其中地上建筑面積約380 000 m2。本工程由1幢122層塔樓(結(jié)構(gòu)高度565.60 m、建筑頂高度632.00 m)和1個(gè)5層商業(yè)裙房(高度35 m)組成，整個(gè)場地下設(shè)5層地下室，基礎(chǔ)埋深26.30～31.10 m。本基坑工程采用“分區(qū)施工，順逆結(jié)合”方法施工，塔樓先順作，裙樓后逆作，以保證塔樓工期、施工場地回轉(zhuǎn)以及周邊環(huán)境安全?；庸こ虒?duì)降水提出了較高的要求［1］。

1 地質(zhì)條件及降水評(píng)價(jià)

上海中心城區(qū)地表下100 m深度范圍內(nèi)的土層主要分為9個(gè)工程地質(zhì)層，地質(zhì)時(shí)代為晚更新世—全新世［2］。全新統(tǒng)(Qh)共分五個(gè)大層，土層序號(hào)為①～⑤層，一般厚度為20～30 m，在古河道切割區(qū)，厚度達(dá)40～60 m左右。晚更新統(tǒng)(Qp3)共分四大層，土層序號(hào)為⑥～⑨層，陸家嘴區(qū)域100 m深度內(nèi)涉及第⑩層，第⑩層屬Q(mào)p2地層。上海中心城區(qū)地表下100 m深度范圍內(nèi)，地層的沉積年代、地層層序、土層名稱及分布狀況詳見表1。

根據(jù)《巖土工程勘察報(bào)告》，本場區(qū)內(nèi)層自上而下地層見表2。本工程基坑開挖深達(dá)31.10 m，裙房區(qū)開挖深度為26.30 m，承壓含水層最淺埋深為28 m，塔樓區(qū)開挖面已接近第⑦2層承壓含水層，裙房區(qū)開挖面已近第⑦1層承壓水面，基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)極大。該區(qū)域?yàn)榈谝怀袎汉畬?、第二承壓含水層和第三承壓含水層連通區(qū)域，承壓含水層組厚117 m。基坑圍護(hù)體系為地下連續(xù)墻，裙房地墻深48 m，塔樓地墻深50 m，無法切斷基坑內(nèi)外承壓水水力聯(lián)系。基坑周邊臨近馬路下分布大量地下管線，環(huán)境要求極高，降水必須做到按需降水。

2 基坑降水設(shè)計(jì)

2.1 降水布井原則

由于地下連續(xù)墻進(jìn)入到承壓含水層中的長度達(dá)20～22 m，塔樓區(qū)施工時(shí)，部分井布置在塔樓基坑內(nèi)，部分井布置在塔樓基坑外，裙樓區(qū)施工時(shí)，所有降壓井布置在基坑內(nèi)。在基坑內(nèi)、外布置水位觀測井，對(duì)坑內(nèi)開挖深度以下的承壓水進(jìn)行“按需減壓”降水，保證基坑安全及施工順利進(jìn)行。

2.2 基坑底板穩(wěn)定性分析

基坑底面設(shè)計(jì)標(biāo)高以下承壓含水層組頂面埋深為地面下28.00 m，厚度117.00 m。開挖過程中，必須有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發(fā)生突涌事故，先進(jìn)行基坑突涌穩(wěn)定性分析?；拥装蹇雇挥糠€(wěn)定條件：

在基坑底板至承壓含水層頂板之間，土的自重壓力應(yīng)大于承壓含水層頂板處承壓水頂托力。對(duì)于開挖深度31.10 m的基坑降水，承壓水位控制原則是：當(dāng)開挖深度＞27.00 m時(shí)，承壓水位必須控制在開挖面以下1.00 m;當(dāng)開挖深度＜27.00 m時(shí)，按下式進(jìn)行承壓水位控制：

表1 上海中心城區(qū)100 m深度內(nèi)土層層序表Table 1 Sequence of soil horizon in 100 m depth

表2 上海中心地層簡表Table 2 Simple table of Shanghai center strata

式中：F為安全系數(shù)(取1.1)，hs為基坑開挖深度(m)，D為安全承壓水頭埋深值(m)，γs為基坑底板至承壓含水層頂板間的土層重度的層厚加權(quán)平均值(kN/m3)，γw為地下水重度(kN/m3)，根據(jù)上式計(jì)算出開挖深度hs對(duì)應(yīng)的安全水位埋深D參見表3。

表3 塔樓區(qū)各階段降壓井運(yùn)行計(jì)劃表Table 3 Operational schedule of dewatening well in tower building

2.3 降水設(shè)計(jì)計(jì)算

2.3.1 基坑降水水文地質(zhì)概念模型

本次承壓水減壓降水目的層為上更新統(tǒng)的第I承壓含水層。上覆潛水含水層、弱透水層以及下伏深層承壓含水層一起納入模型，將其概化為三維空間上的非均質(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型［3］。為了克服由于邊界不確定性給結(jié)果帶來隨意性，定水頭邊界應(yīng)遠(yuǎn)離源、匯項(xiàng)。通過試算本次計(jì)算以整個(gè)基坑的東西南北最遠(yuǎn)邊界點(diǎn)為起點(diǎn)，各向外擴(kuò)展500 m，即計(jì)算尺寸1 000 m×1 000 m，四周按定水頭邊界處理。

2.3.2 基坑降水?dāng)?shù)值模擬

根據(jù)上述水文地質(zhì)概念模型，建立下列與之相適應(yīng)的三維地下水運(yùn)動(dòng)非穩(wěn)定流數(shù)學(xué)模型［4］：

根據(jù)研究區(qū)的含水層結(jié)構(gòu)、邊界條件和地下水流場特征，將模擬區(qū)進(jìn)行三維剖分，每層剖分為61行、49列，垂向?qū)⑵淦史譃?層，剖分網(wǎng)格共20 923個(gè)。網(wǎng)格立體剖分圖見圖1。

圖1 研究區(qū)立體剖分圖Fig.1 Three － dimensional subdivision chart

承壓水水頭初始埋深10.00 m，根據(jù)開挖工況計(jì)算，塔樓區(qū)基坑開挖至25.30 m前(第五道圓環(huán)支撐)，以基坑內(nèi)降壓井運(yùn)行為主時(shí)，在塔樓區(qū)基坑內(nèi)布置12口深55.0 m降壓井，12口井運(yùn)行將承壓水控制在24.0 m左右，確保第五道圓環(huán)處挖土施工(見圖2)。

圖2 塔樓基坑內(nèi)減壓降水水位埋深等值線Fig.2 Dewatering contour in tower building

塔樓區(qū)基坑開挖至31.10 m以及大底板砼施工及砼養(yǎng)護(hù)時(shí)，以基坑內(nèi)降壓井和塔樓基坑降壓井為主。塔樓基坑外側(cè)布置26口降壓井，井深65 m和55 m各一半，開啟21口井與坑內(nèi)12口井一起運(yùn)行，共計(jì)33口降壓井抽水運(yùn)行確保了水位控制在地面以下31.0 m(見圖3)。

塔樓區(qū)基坑6 m厚砼底板完成后，坑內(nèi)井需要進(jìn)行封井，為了確保封井成功，以塔樓外側(cè)降壓井工作為主，確保塔樓基坑砼施工安全，開啟塔樓區(qū)外側(cè)26口降壓井，可以將塔樓基坑內(nèi)四周(12口坑內(nèi)井區(qū)域)承壓水控制在地面以下26.60 m，可以保證塔樓基坑內(nèi)12口降壓井順利進(jìn)行封井(見圖4)。

圖3 塔樓內(nèi)外減壓降水水位埋深等值線圖Fig.3 Dewatering contour in and out of tower building

圖4 塔樓基坑外減壓降水水位埋深等值線圖Fig.4 Dewatering contour out of tower building

裙房區(qū)基坑開挖，以塔樓區(qū)外側(cè)和裙樓區(qū)內(nèi)降壓井工作為主。在裙樓區(qū)基坑內(nèi)布置20口降壓井，井深不超過地下連續(xù)墻，考慮45.0 m為宜，14口井與原塔樓區(qū)外側(cè)的9口降壓井一起運(yùn)行，能夠?qū)⑷箻菂^(qū)域承壓水降至地面以下26.0 m，保證裙房區(qū)基坑開挖安全。塔樓區(qū)坑外井部分作為備用、應(yīng)急井及觀測井使用(見圖5)。

圖5 裙樓區(qū)減壓降水水位埋深等值線圖Fig.5 Dewatering contour in podium building

3 基坑減壓降水工作量

基坑內(nèi)外布置10口水位觀測井，觀測井深度45.00 m。塔樓區(qū)坑外28口降壓井，坑內(nèi)12口降壓井，坑內(nèi)2口觀測井，裙樓區(qū)坑內(nèi)17口降水井，4口觀測井，基坑外圍4口觀測井。合計(jì)67口井(見圖6、圖7)。

圖6 降水井平面圖Fig.6 Planar graph of dewatering well

圖7 降水井剖面圖Fig.7 Profile of dewatering well

4 基坑降水疏干和減壓

4.1 潛水疏干降水

上海中心主樓基坑面積11 500 m2，疏干井40口，另加10套輕型井點(diǎn);裙房基坑面積23 460 m2，疏干井65口。采用真空深井泵降水措施降低基坑內(nèi)淺層潛水?；娱_挖前20 d預(yù)降水，開挖過程中水位低于開挖面1.0 m以下。開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)一旦出現(xiàn)滲漏水，立即采用快硬水泥或聚胺脂等措施止水堵漏。做好坑內(nèi)明排水措施。

4.2 承壓水減壓降水

基坑開挖過程中持續(xù)穩(wěn)定按需分級(jí)降低承壓水頭壓力滿足基坑開挖要求［5］。挖土施工前現(xiàn)場預(yù)備2臺(tái)250 kW備用發(fā)電機(jī)，確保施工現(xiàn)場因突發(fā)事件停電時(shí)在10 min內(nèi)切換供電，確保承壓水抽水不間斷順利進(jìn)行，防止承壓水突涌危及基坑安全。為防止地墻出現(xiàn)滲漏水影響基坑安全及施工進(jìn)度，塔樓圓形基坑外15 m范圍內(nèi)設(shè)置降壓井，必要時(shí)短期開啟降水作為止水堵漏和坑內(nèi)封井等所需臨時(shí)措施，裙房基坑開挖時(shí)上述塔樓圓形基坑外降水井作裙房基坑降水井用。布設(shè)坑內(nèi)外潛水和承壓水位觀測，同時(shí)布設(shè)周邊管線、道路、建筑物等設(shè)施沉降監(jiān)測，信息化降水施工，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整降水方案，必要時(shí)采取回灌措施以保護(hù)周邊環(huán)境安全。

5 地面沉降預(yù)測

5.1 減壓降水引起的地面沉降理論

1925年太沙基建立單項(xiàng)固結(jié)基本微分方程［6］，并獲得了單層土的一定初始條件和邊界條件下的解析解?？紤]多層土體，厚度H，含土層n層，土層i的厚度，豎向滲透系數(shù)，壓縮模量均已知，包含單面排水和雙面排水兩種情況。從理論上說，給定初始條件和邊界條件就可以運(yùn)用數(shù)學(xué)方法即可解出定解。Schiffman在1970年曾就恒載作用下多層土體的一維固結(jié)問題進(jìn)行了分析(見圖8)。

圖8 分層土體的太沙基求解沉降圖Fig.8 Terzaghi solving subsidence chart

考慮變荷載作用下分層土體固結(jié)微分方程為：

方程的求解條件：

同時(shí)，與均質(zhì)地基的求解不同，多層地基的求解條件要考慮各個(gè)土層層與層交界面的連續(xù)性條件：

即在分界面上的一點(diǎn)的孔壓相對(duì)于分界面上下兩層土是相同的，流量也是相同的。

滿足方程一切求解條件的解為：

進(jìn)而，通過求解超越方程等形式將式中有關(guān)參數(shù)求解，可得變荷載作用下分層土體的固結(jié)微分方程的理論解。

求得各個(gè)點(diǎn)的孔壓值后，便可以繼續(xù)求得各層土的平均固結(jié)度：

相對(duì)于整個(gè)分層土體而言，按孔壓定義的平均固結(jié)度：

5.2 塔樓區(qū)減壓降水引起的地面沉降預(yù)測

模擬實(shí)際施工工況，本地塊長期抽水，減壓降水對(duì)坑外地面沉降有一定影響，根據(jù)開挖工況，分期模擬計(jì)算、預(yù)測降水引起的相鄰地面沉降。

圖9 塔樓基坑降水引起地面沉降等值線圖Fig.9 Subsidence contour caused by dewatering

因塔樓區(qū)施工時(shí)預(yù)估塔樓區(qū)基坑開挖所需承壓水降水時(shí)間為140 d，根據(jù)抽水試驗(yàn)階段建立的沉降模型進(jìn)行計(jì)算，塔樓區(qū)承壓水降水運(yùn)行后基坑周邊環(huán)境沉降預(yù)測等值線如圖9所示，緊鄰基坑外側(cè)的地面沉降值為12～24 mm。

6 實(shí)際降水效果

如圖10，塔樓基坑降水工程自2009年11月1日～2010年4月8日，歷時(shí)160 d，每天流量1 280～16 560 m3，共抽水 1 125 579 m3。其中2009年11月22日～2010年3月24日坑內(nèi)3～12口55 m深降水井抽水，抽水量236 308 m3，2010年1月7日～2010年4月4日坑內(nèi)8～23口55 m和65 m深降水井抽水，抽水量889 271 m3?？觾?nèi)水位埋深8.55～30.79 m，坑外水位埋深8.28 ～22.07 m，臨近基坑地面沉降最大為33～40 mm。圓滿完成塔樓基坑降水任務(wù)。

圖10 上海中心塔樓基坑降水綜合信息圖Fig.10 Dewatering information map at the tower building

7 封井安排

本次主要是對(duì)塔樓基坑內(nèi)的12口抽水井和3口觀測井進(jìn)行封井，坑外的28口抽水井則等到裙房基坑底板澆筑完畢后與裙房內(nèi)另外15口井按下面方法封井。

7.1 降水井的運(yùn)行安排

基坑大底板澆筑前，保持坑內(nèi)12口井抽水，坑外21口抽水，水位控制在31.0 m左右?；哟蟮装鍧仓戤?，混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%以上時(shí)，開始逐個(gè)關(guān)閉坑內(nèi)的12口抽水井，對(duì)坑內(nèi)降水井進(jìn)行封井工作，坑外26口井繼續(xù)抽水，將坑內(nèi)水位控制在25.0 m以下?？觾?nèi)12口降水井封閉完成10 d后，坑外降水井適當(dāng)減少，將水位控制在16.0 m左右，能夠保證底板安全。

7.2 封井過程安排

坑內(nèi)3口觀測井井管在底板第一層鋼筋頂面處割除，待底板澆筑混凝土?xí)r一同澆筑在混凝土下?？觾?nèi)12口抽水井首先確保大底板澆筑完畢，在混凝土強(qiáng)度達(dá)到要求后才能進(jìn)行坑內(nèi)12井封井，坑內(nèi)封井管內(nèi)采用注漿封井，管外焊接鋼板止水片，注漿封閉后井管要低于大底板頂面1 000 mm，管口焊接雙層6 mm厚的鋼板，管口至底板頂面孔洞要用混凝土澆筑抹平。大底板扎鋼筋時(shí)就要考慮封井準(zhǔn)備工作，井管外壁事先焊接好3道止水鋼板。預(yù)留第二次澆混凝土孔洞，尺寸為1.2 m×1.2 m×1.0 m。井內(nèi)注漿前先用粘土填實(shí)降水井濾管部分，然后下注漿管到底部，再添2～3 m高度瓜子片，然后開始注漿，邊注漿邊提注漿管并填瓜子片，保持管子片頂端到注漿管底部1 m。重復(fù)注漿到井管割除面以上2 m左右可終止注漿。注漿效果達(dá)到要求后，割除井管，并將管內(nèi)混凝土鑿除100～200 mm，井內(nèi)焊接第一道鋼板，再用混凝土將空隙填滿，并內(nèi)焊第二道鋼板。最后用與大底板相同標(biāo)號(hào)或高一級(jí)標(biāo)號(hào)混凝土將預(yù)留的孔洞填滿并抹平。

7.3 封井工藝

工藝參數(shù)：水泥：Po42.5，水灰比：0.5，注漿壓力：0.5 MPa，注漿量：＞220 L/m。注漿封井操作過程：封井前，先預(yù)攪拌好水泥漿，水灰比控制在0.5;先填瓜子片，然后在井管內(nèi)下入1寸注漿管，注漿管的底端到井底;井管內(nèi)填入瓜子片，瓜子片的回填高度在濾水管的頂端以上2～3 m左右;然后開始注漿，注漿時(shí)要求將水泥漿通過瓜子片的空隙滲入底部濾水管的周圍將濾水管的縫隙堵死;注漿完畢，水泥漿達(dá)到初凝的時(shí)間后，抽出井管內(nèi)壓板以上的殘留水，并及時(shí)觀測井管內(nèi)的水位深度或標(biāo)高的變化情況。一般觀測2～4 h后，井管內(nèi)的水位無明顯的升高，說明注漿的效果較好。

［1］龔士良.上海城市建設(shè)對(duì)地面沉降的影響［J］.巖土工程技術(shù)，1998，(3)：43 －45.

［2］葉淑君，等.上海區(qū)域地面沉降模型中土層變形特征研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(2)：140 －147.

［3］駱祖江，等.松散承壓含水層地區(qū)深基坑降水三維滲流與地面沉降耦合模型［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28(11)：1947 －1951.

［4］姚天強(qiáng)，石振華，曹惠賓.基坑降水手冊［S］.第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［5］劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊［S］.第二版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［6］Terzaghi K.Peck R.B.and Mesri G..Theoretical soil mechanics［S］.John Wiley ＆ Sons Inc，1943.

Dewatering Design and Practice at Shanghai Center Building

QU Chengsong1，2，3，ZHANG Guoqiang3，LUO Jianjun3，MIAO Guojian3
(1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing100875;2.Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation，Ministry of Education of China，Beijing100875;3.Shanghai Changkai Geotechnical Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Shanghai center building is located at Shanghai Lujiazui finance and trade zone where the first，second and third underground confined aquifers are connected directly.Its pit depth is 31 meters，and the surrounding environment is complex.The top layers of aquifers is 28 meters deep，dewatering time is up to 140 days.Due to optimized design and careful construction，the dewatering achieve the objective of reducing the excavation of the danger and protect the surrounding environment.

dewatering for the foundation pits;confined aquifer;subsidence

TU753

A

1671－1211(2011)03－0209－06

2010－11－26;改回日期：2011－05－25

上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目 (09dz1207900);上海市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)資助項(xiàng)目 (10dz1202300)。

瞿成松 (1964－)，男，高級(jí)工程師，水文地質(zhì)工程地質(zhì)專業(yè)，從事巖土工程設(shè)計(jì)、施工、科研及管理工作。E－mail：qcs724@126.com

李 雯)