中心城區(qū)超大深基坑承壓水綜合分析與治理

閆雁軍 李 俠 陸建生 白天明

1. 上海建工七建集團(tuán)有限公司 上海 200050；2. 上海廣聯(lián)環(huán)境巖土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

隨著城市建設(shè)的飛速發(fā)展，基坑工程規(guī)模越來(lái)越大，開(kāi)挖深度越來(lái)越深，基坑周邊的環(huán)境敏感點(diǎn)也越來(lái)越多，其環(huán)境變得日趨復(fù)雜。影響基坑周邊地面沉降的主要因素為：基坑開(kāi)挖深度、基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移量及因基坑降水導(dǎo)致的基坑周?chē)叵滤唤档汀Ｆ渲械叵滤唤档驼贾匾匚?，?jù)唐業(yè)清[1]及蔣紅星等[2]對(duì)深基坑事故的調(diào)查資料分析，有20%～70%的基坑事故與地下水有關(guān)。

上海董家渡金融城工程項(xiàng)目地處上海市黃浦江傳統(tǒng)外灘南延伸段。小東門(mén)是外灘金融集聚帶南外灘開(kāi)發(fā)的點(diǎn)睛之筆，其功能定位為高端金融辦公、商業(yè)服務(wù)和高端住宅，并形成多種功能互補(bǔ)共生的生態(tài)體系。本工程基坑面積巨大，基坑總面積達(dá)到143 000 m2，北地塊基坑總面積約79 000 m2，開(kāi)挖深度深；周邊環(huán)境復(fù)雜，需要保護(hù)的對(duì)象眾多，主要包括場(chǎng)地內(nèi)文物保護(hù)建筑、中山南路通道、民宅、大直徑市政管線等。

為有效防止大面積基坑群開(kāi)挖過(guò)程中因地下水控制不當(dāng)導(dǎo)致的基坑安全及環(huán)境問(wèn)題，先通過(guò)開(kāi)展專(zhuān)項(xiàng)水文地質(zhì)試驗(yàn)，進(jìn)行了環(huán)境水文地質(zhì)評(píng)價(jià)，據(jù)此提出了不同開(kāi)挖深度的基坑差異化地下水控制措施，并充分考慮基坑群在同步與交錯(cuò)施工狀態(tài)下的群坑抽水耦合效應(yīng)，縮短抽水時(shí)間，從而有效控制降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。

2 工程概況

上海董家渡金融城工程項(xiàng)目（北地塊）包括董家渡路以北的A、F、L、J、G這5個(gè)地塊（圖1）。圖中M、N地塊為歷史保護(hù)建筑保留地塊，D地塊為待建濱江雕塑公園地塊。具體基坑開(kāi)挖深度如表1所示。

3 水文地質(zhì)概況

場(chǎng)地下伏的第⑦層承壓含水層，含⑦1砂質(zhì)粉土、⑦2粉砂，含水層分布穩(wěn)定、連續(xù)，層頂埋深29 m左右（局部由于古河道下切，⑦層層頂埋深31～38 m），層底埋深約67 m，其下為第⑨層粉砂層，⑦層與⑨層的復(fù)合含水層厚度超過(guò)50 m，含水層巨厚，處于連通狀態(tài)。影響本基坑開(kāi)挖的主要包括潛水含水層和⑦層承壓含水層。止水帷幕已將潛水含水層隔斷，但對(duì)⑦層承壓含水層未能隔斷，屬懸掛式帷幕降水，因此本次地下水控制的主要含水層為該承壓含水層。根據(jù)場(chǎng)地前期抽水試驗(yàn)，建議本工程第⑦層靜止水位取地面以下6.10 m，承壓水水文參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 基坑環(huán)境平面

表1 各分區(qū)基坑開(kāi)挖深度匯總

表2 參數(shù)取值

4 承壓水綜合治理風(fēng)險(xiǎn)分析

1）本區(qū)域第Ⅰ、Ⅱ承壓含水層相連通，含水層巨厚，止水帷幕未將其完全隔斷，屬懸掛式降水，土體滲透性強(qiáng)，基坑降壓幅度大，最大達(dá)到了24 m，直接進(jìn)入⑦層含水層，基坑涌水量達(dá)到7 200 m3/d，對(duì)坑外水位降幅的控制難度極大；水位恢復(fù)迅速，必須具備雙路電源或備用發(fā)電機(jī)，才能確保減壓降水持續(xù)運(yùn)行；因基坑本體及周邊環(huán)境要求，對(duì)降壓井設(shè)計(jì)及成井質(zhì)量要求高。

2）本基坑地塊之間的中隔墻，在后期切除過(guò)程中存在局部冒水風(fēng)險(xiǎn)；此外，基坑內(nèi)存在的后澆帶使在底板澆筑完成并達(dá)到強(qiáng)度后，仍需按照基坑開(kāi)挖面降壓設(shè)計(jì)要求降水，從而導(dǎo)致基坑內(nèi)降壓井運(yùn)行時(shí)間加長(zhǎng)、運(yùn)行負(fù)荷加重，進(jìn)而對(duì)基坑本體減壓風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境影響更大。

3）基坑區(qū)域內(nèi)重點(diǎn)保護(hù)建筑物距離基坑較近，僅通過(guò)地下水回灌措施進(jìn)行保護(hù)的難度大。

4）本項(xiàng)目分基坑較多，在施工期間必將相互影響，同時(shí)周邊環(huán)境復(fù)雜，需各方做好協(xié)調(diào)工作。

鑒于上述風(fēng)險(xiǎn)，本工程應(yīng)嚴(yán)格按照“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，充分利用“墻井作用機(jī)理” 進(jìn)行承壓水綜合治理，從現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)、沉降預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)施工管理4個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)保證基坑與環(huán)境的雙安全。

5 承壓水減壓降水設(shè)計(jì)

5.1 基坑底板抗突涌驗(yàn)算

為使基坑底板保持穩(wěn)定，必須保證基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力大于安全系數(shù)下承壓水的頂托力，即：Σh·γs≥Fs·γw·H。其中，h為基坑底至承壓含水層頂板間距離；γs為基坑底至承壓含水層頂板間土的重度；H為承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離；γw為水的重度，取10 kN/m3；Fs是抗突涌安全系數(shù)。

考慮周邊環(huán)境問(wèn)題，降壓運(yùn)行按照安全系數(shù)1.05進(jìn)行控制，當(dāng)基坑開(kāi)挖深度等于或大于15.0 m時(shí)需考慮對(duì)⑦層進(jìn)行降壓處理。各基坑底板抗突涌驗(yàn)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各基坑⑦層降深需求統(tǒng)計(jì)

5.2 承壓水減壓井平剖面設(shè)計(jì)

本工程基坑內(nèi)降壓抽水井86口，18口備用兼觀測(cè)井，坑外42口水位觀測(cè)兼應(yīng)急回灌井（其中8口位于天主教堂三邊），如圖2、圖3所示。

考慮到圍護(hù)深度及降壓幅度要求，A、F、J降水井按井深41～43 m考慮，濾管10～12 m，濾管底位于埋深40～42 m處，GL、T降水井按井深45～47 m考慮，濾管6～16 m，濾管底位于埋深44～46 m處，G2降水井按井深37 m考慮，濾管6 m，濾管底位于埋深36 m處。

圖2 基坑降壓井平面

圖3 基坑內(nèi)降壓井剖面

5.3 承壓水試抽水試驗(yàn)

1）根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，試驗(yàn)期間場(chǎng)地實(shí)測(cè)⑦層初始水位埋深為5.26～6.06 m（以地面標(biāo)高計(jì)，對(duì)應(yīng)標(biāo)高為－6.46～－5.66 m），即在安全系數(shù)1.05下，當(dāng)開(kāi)挖深度超過(guò)15.0 m，需要開(kāi)啟⑦層降壓井進(jìn)行抽水。

2）單井出水量大，為15～50 m3/h，實(shí)際運(yùn)行期間降水井安裝回流閥以控制單井出水量，嚴(yán)格做到按需降水，使降水最小化。

3）結(jié)合基坑開(kāi)挖工況，確定了不同開(kāi)挖階段降壓井的開(kāi)啟數(shù)量及控制安全水位。

4）群井停抽后，坑內(nèi)⑦層水位恢復(fù)速率較快，5 min恢復(fù)比率為12.4%～23.1%，10 min恢復(fù)比率為21.5%～28.2%，20 min恢復(fù)比率為43.2%～48.6%，30 min恢復(fù)比率為52.6%～59.1%，60 min恢復(fù)比率為71%～75.5%，120 min恢復(fù)比率為78%?；訉?shí)際開(kāi)挖階段配置的一臺(tái)自啟動(dòng)發(fā)電機(jī)應(yīng)不間斷進(jìn)行演練，確保發(fā)電機(jī)的正常使用。

5.4 降水影響預(yù)測(cè)及應(yīng)急回灌措施

通過(guò)地下水三維滲流模型的建立及試驗(yàn)參數(shù)校核，預(yù)測(cè)坑內(nèi)降深滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，坑外建筑物處最大水位降深達(dá)到了0.99～5.60 m，水位降深幅度大（表4），為減小坑內(nèi)降水對(duì)坑外的影響，應(yīng)在基坑周邊有針對(duì)性地布設(shè)應(yīng)急回灌井。

6 承壓水運(yùn)行控制

在承壓水試抽水試驗(yàn)結(jié)束后，為控制施工風(fēng)險(xiǎn)，配置了ICDR系統(tǒng)，其具備水位無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)字化監(jiān)測(cè)、工程降水智能預(yù)警、備用電源智能應(yīng)急以及水位-減壓井開(kāi)啟智能控制等4大功能。依據(jù)“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，制訂了后期土方開(kāi)挖各階段的降壓井運(yùn)行計(jì)劃表并按計(jì)劃執(zhí)行，以T基坑為例，詳見(jiàn)表5。底板完成后，為進(jìn)一步減小坑內(nèi)降深幅度，制訂回筑階段降壓井運(yùn)行計(jì)劃，并根據(jù)群坑抽水耦合效應(yīng)，以基坑內(nèi)安全水位為控制依據(jù)，減小基坑內(nèi)水位降深對(duì)坑外各建（構(gòu)）筑物的影響。

表4 降水后坑外相應(yīng)環(huán)境處的最大水位降深預(yù)測(cè)值

表5 基坑開(kāi)挖階段降壓運(yùn)行計(jì)劃

7 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)上海市黃浦區(qū)小東門(mén)街道616、735街坊地塊項(xiàng)目（北地塊）基坑特點(diǎn)，分析了基坑所面臨的承壓水綜合治理風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)建立地下水三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，模擬預(yù)測(cè)減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，并通過(guò)前期專(zhuān)項(xiàng)水文地質(zhì)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)承壓水試抽水試驗(yàn)，提出了合理的降水設(shè)計(jì)及運(yùn)行方案，制訂了相應(yīng)的配套措施并實(shí)施，達(dá)到了預(yù)期控制目標(biāo)。通過(guò)本工程實(shí)踐，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）本工程應(yīng)嚴(yán)格按照“分層降水、按需降水、降水最小化”原則，充分利用“墻井作用機(jī)理” 進(jìn)行承壓水綜合治理，從現(xiàn)場(chǎng)降水試驗(yàn)、沉降預(yù)測(cè)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)施工管理這4個(gè)環(huán)節(jié)保證周邊建（構(gòu)）筑物的安全。

2）充分考慮基坑群在同步與交錯(cuò)施工狀態(tài)下的群坑抽水耦合效應(yīng)，盡量縮短抽水時(shí)間，有效控制降水對(duì)周邊環(huán)境的影響。