彭 真
上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002
上海市地處富水軟土地層,深層地下水存在多區(qū)域相互連通等情況,超深基坑工程施工越來越多地面臨承壓水穩(wěn)定性控制難題,且由于地下水深層降排引起的區(qū)域環(huán)境保護問題日益突出。隨著城市地下空間開發(fā)利用率的日益提升,基坑開挖越來越深,周邊環(huán)境日益復(fù)雜。在富水軟土地區(qū)城市核心敏感區(qū)進行深基坑施工時,面臨越來越嚴重的承壓水管控風(fēng)險,常由于基坑內(nèi)外地下水未能有效隔離導(dǎo)致降水效果不佳或引起周邊地表較大沉降等問題[1-3]。本文以上海市軌道交通14號線陸家嘴站項目為例,以圍護-降水一體化設(shè)計為思路,研究承壓水控制方案的設(shè)計。
上海市軌道交通14號線陸家嘴站位于上海中心城區(qū),主體位于花園石橋路下方。車站北側(cè)為威立雅水廠,南側(cè)為東亞銀行。車站為地下3層島式雙柱三跨車站,內(nèi)凈總長219.43 m,標準段內(nèi)凈寬28.9 m。陸家嘴站采用明挖順作法施工,采用厚1.2 m、深52 m地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。
1.1.1 水文地質(zhì)
本工程勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水、⑦層及⑨層中的承壓水。施工期間地下水靜止水位埋深一般為0.80~1.40 m(相應(yīng)標高3.33~2.58 m)。第⑦層承壓水水位埋深為5.29 m(相應(yīng)標高約-1.11 m)。
1.1.2 工程地質(zhì)
土層由上至下可劃分為9個大層、11個亞層和1個夾層,其中:①1-1層為人工雜填土,厚約3 m,質(zhì)地松散;①3為河漫灘形成的江灘土,約厚6 m,質(zhì)地松散,大部分為黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;④—⑤均為全新世Q4沉積土層,土質(zhì)不均,其中較多為粉質(zhì)黏土,夾少量黏質(zhì)粉土,上部為淤泥質(zhì)黏土,含云母等雜質(zhì);⑥—⑨層為上更新世Q3沉積土層,基本為粉砂,上部為粉質(zhì)黏土,局部夾細沙,含氧化鐵條紋,含云母等雜質(zhì)。
陸家嘴站主體基坑根據(jù)計算需考慮降低⑦層水位,安全的降壓幅度為22.91 m。因圍護深入到⑦層,本工程采用坑內(nèi)布置降壓井的方式降壓。端頭段降壓井深度為47 m,濾管長度7 m;標準段降壓井深度45 m,濾管長度10 m。
基坑開挖時,隨著開挖深度增加,承壓水層上部覆土提供的重力逐漸降低,承壓水提供的頂升力則不會隨著開挖深度的增加而減小。當承壓水提供的頂升力大于承壓水層上部覆土提供的重力時,基坑底板即處于不安全的狀態(tài),易發(fā)生突涌等施工事故。為避免突涌事故的發(fā)生,基坑開挖時可采用式(1)進行底板抗突涌驗算:
根據(jù)驗算的結(jié)果即可得出水位降深的要求,可用于指導(dǎo)施工。
根據(jù)勘察報告,對各部底板抗突涌能力進行驗算,計算結(jié)果顯示:基坑開挖至設(shè)計標高時,承壓水上部覆土的重力將會小于承壓水本身的頂升力,基坑處于不安全的狀態(tài),需要進行降水處理以防止突涌現(xiàn)象的發(fā)生。基坑降水設(shè)計時,按照最大水位降深22.91 m的要求考慮。
本次陸家嘴站抽水試驗的試驗井共包括15口降壓井,Y1井深47 m,Y3—Y7井深47m,YG1井深47 m,YG2—YG4井深45 m,YB2—YB6井深48 m;4口坑外觀測井,G5、G7、G8、G12井深46 m。
整個滲流區(qū)進行離散后,采用有限差分法將實際問題建立數(shù)學(xué)模型,計算、預(yù)測降水引起的地下水位的時空分布。
根據(jù)數(shù)值計算,預(yù)測基坑內(nèi)承壓水抽降到安全水位時,坑外承壓水水位下降2~4 m。周邊地表沉降量隨距離車站距離而減小,且最大沉降量為10 mm。
本工程場地分布有⑦粉(砂)性土,為上海地區(qū)第一承壓含水層。減壓降水前,承壓水水頭約為地面以下5.2 m。
第1次抽水試驗于2018年12月2日11時開始進行,開啟8口井抽水,抽水井采用額定流量為25 m3/h的抽水泵。歷時24 h,穩(wěn)定動坑內(nèi)降深在14.68~16.77 m之間,未能達安全水位降深需求(22.91 m),坑外水位降深約為6 m。說明本工程地下水補給速度快,坑內(nèi)外水力聯(lián)動明顯,常規(guī)的降水方式無法滿足降水需求,需要采取有效措施來提高基坑降水效果。
為提升基坑降水效果,需要有效地對坑內(nèi)外地下水進行隔斷。本工程采用接縫止水配合止水帷幕對基坑內(nèi)外的地下水進行有效隔離,以此達到增加基坑降水效果、減小降水對周邊環(huán)境影響的效果。
1.4.1 地下連續(xù)墻接縫止水
地下連續(xù)墻施作完成之后,因為接頭形式的不同,需要采取不同的接縫止水工藝進行補充。常用的地下連續(xù)墻接頭方式有十字鋼板接頭、套銑接頭、接頭管接頭、預(yù)制樁接頭等。十字鋼板接頭相較于一般的接頭管接頭,在制作難度沒有提升太多的情況下,防滲效果更好,盡管比預(yù)制樁接頭與套銑接頭防滲效果差一些,但是在施工工藝上更為簡便。最終,本工程選擇的是十字鋼板接頭并額外增加接縫止水措施。
接縫止水常用的是全方位高壓噴射(MJS)工法樁與高壓旋噴樁(RJP)等大直徑旋噴樁止水方式。MJS工法屬于高壓噴射注漿法的一種,在傳統(tǒng)高壓旋噴注漿工藝的基礎(chǔ)上,添加了獨特的多孔管以及前端造成裝置,實現(xiàn)孔內(nèi)排漿以及地內(nèi)壓力的監(jiān)測。在使用中由壓力傳感器實時偵測數(shù)據(jù),控制吸漿孔的開啟角度和范圍,通過調(diào)整端頭吸泥漿的數(shù)量達到平衡土體內(nèi)壓力的效果。可避免土體壓力發(fā)生變化,進而減小施工過程中因帶壓噴射水泥漿出現(xiàn)的地表變形、建筑物開裂、構(gòu)筑物位移等隱患,同時地內(nèi)壓力的降低也可保證大直徑樁的成樁半徑。RJP工法是使用三重管或四重管分別輸送水、氣、漿3種介質(zhì),采用上段超高壓水流結(jié)合高壓氣流第一次切削土體,超高壓漿液結(jié)合外側(cè)噴射空氣流二次沖擊切削土體,可形成大直徑且品質(zhì)均一的圓柱形樁體,直徑最大可達3.5 m。其中,MJS工法具有成樁角度自由、成樁效果優(yōu)良、周邊環(huán)境影響較小、作業(yè)深度深、集中排泥施工簡便等優(yōu)點。因此,本工程采用MJS工法樁進行接縫止水作業(yè)。
1.4.2 MJS接縫止水設(shè)置
本工程坑外設(shè)置半圓形MJS工法樁地下連續(xù)墻接縫止水樁,樁深52 m,樁徑φ2 000 mm,噴射方向為平行地下連續(xù)墻邊的半圓;新老地下連續(xù)墻接縫區(qū)域施工樁長為52 m,施工根數(shù)為6根,樁形為全圓。
1.5.1 止水帷幕施工工法選擇
上海地區(qū)土質(zhì)多為軟土,地下水豐富,單純的降水以及封底難以滿足市中心地帶的高環(huán)保要求,往往需要額外采取隔斷措施來控制承壓水對周圍環(huán)境的影響。對于如何施作隔斷層進行隔水,過去各地的施工項目都進行了不同的嘗試,如使用增加地下連續(xù)墻長度的方式,利用增長的地下連續(xù)墻構(gòu)造段作為承壓水隔斷帷幕。該方法將隔水帷幕與地下連續(xù)墻融合為一道工序,在更為簡便的同時,地下連續(xù)墻高昂的造價也使其運用范圍受到相應(yīng)限制,在此基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了很多更為經(jīng)濟的工法用于施作止水帷幕。
上海國際金融中心使用等厚度水泥土地下連續(xù)墻(TRD)作為止水帷幕,在隔水效果達到要求的同時,對周邊環(huán)境影響較小。TRD利用滿足設(shè)計深度的附有切割鏈條以及刀頭的切割箱插入地下,在進行縱向切割橫向推進成槽的同時,向地基內(nèi)部注入水泥漿,與原狀地基充分混合攪拌,在地下形成等厚度連續(xù)墻。其穩(wěn)定性高,成墻質(zhì)量好,設(shè)備高度較低,所需場地凈空低,可施工深度深。
上海前灘33-01地塊項目使用雙輪銑深層攪拌(CSM)工法進行等厚度水泥土攪拌樁施工,并將其作為落地止水帷幕,施工效果較好。CSM工法等厚度水泥土攪拌墻,是結(jié)合運用原有液壓銑槽機設(shè)備與現(xiàn)有深層攪拌技術(shù),形成的一種新型地下攪拌墻施工技術(shù),通過對施工現(xiàn)場原位土體與水泥漿進行攪拌,增強土體強度。相較于TRD,其同樣具備等厚成墻、施工環(huán)保的優(yōu)點,同時具備更高的施工質(zhì)量,并擁有更大的可施工墻厚,且能在堅硬地層中施工。
此外,止水帷幕的施工方法還有超深三軸攪拌樁形成止水帷幕、超深高壓旋噴樁形成止水帷幕等。
本工程由于對周邊環(huán)境保護要求較高,離水廠較近,使用的是施工本身對周邊環(huán)境影響較小的超高壓旋射攪拌成樁止水帷幕(以下簡稱“N-JET工法”)。N-JET工法是一種適用于軟土地基的成樁方式,實質(zhì)上為大直徑高壓旋噴樁,通過鉆管(桿)連接特殊噴漿裝置(鉆頭),采用全方位旋轉(zhuǎn)或角度旋轉(zhuǎn)、向上提升、變換提升等方法,結(jié)合多噴嘴多角度噴射切削土體,將切削的土體與水泥漿液混合攪拌,凝固后形成樁體形狀,從而完成加固。N-JET工法具有成樁速度快,噴射土體攪拌均勻、質(zhì)量好、工效高且節(jié)能環(huán)保,對周邊環(huán)境影響小,施工設(shè)備凈空低等優(yōu)點。其對各種施工條件適應(yīng)性極強,樁體最大直徑可達10 m,目前的最大深度達115 m,適合進行超深地基加固、超深坑內(nèi)止水封底加固、超深地下連續(xù)墻接縫止水補強及側(cè)壁加固等各種地基加固施工。同時,N-JET工法不僅適合于軟土地基施工,在砂土層、砂礫層、卵石層、漂石層等各種復(fù)雜地層中同樣可以完成施工,且對施工產(chǎn)物的利用率也較高,可以根據(jù)需要控制加固樁體形狀,如圓形、半圓形、扇形、條形、網(wǎng)絡(luò)狀以及各形狀的組合。
1.5.2 N-JET隔水帷幕
本工程基坑外圍采用大直徑N-JET工法樁止水,形成1道止水帷幕。加固樁徑2 400~3 200 mm,噴漿深度20~60 m,鉆孔深度60 m。
1.6.1 降水及周邊水位
第2次抽水試驗于2019年10月20日6時開始,開啟12口井抽水,采用額定流量為25、50、80 m3/h抽水泵,歷時7 h。抽水結(jié)束后,現(xiàn)場量測水位并進行整理匯總,得出結(jié)論:平均穩(wěn)定動水位坑內(nèi)29.83 m,水位降深23.29~23.70 m,坑外水位降深約5 m。
可以看出,在本項目目前的圍護結(jié)構(gòu)下,進行坑內(nèi)降水時,不僅所引起的坑外水位降低能夠滿足安全水位需求,且對周邊環(huán)境影響明顯減小,同時降水所用時間相較于第1次抽水試驗時明顯減少。
此外,在2次抽水試驗前,對Y1分別進行了2次單井抽水試驗。抽水結(jié)束后測量坑內(nèi)水位與坑外水位,并進行對比,用于判斷止水加固前后,坑內(nèi)降水對周圍環(huán)境的影響。收集數(shù)據(jù)并對比后發(fā)現(xiàn),當單井水位降深達到12 m時,第1次試驗坑外水位下降4 m;同樣單井水位降深達到12 m時,第2次試驗坑外水位下降2 m。由此可判斷止水加固后,降水對周邊環(huán)境影響明顯減小。
1.6.2 周邊地面沉降
在基坑及降水施工過程中,對周邊的建筑物以及地下管線的沉降進行了監(jiān)測。
降承壓水前周邊建筑物以及地下管線均已出現(xiàn)較大沉降,可以認為該部分沉降是由基坑開挖造成的,開始降承壓水后,周邊管線的絕對沉降有所下降,而建筑物的豎向位移以及差異沉降僅有少量上升,并且保持增長趨勢直至停止降水后??梢钥闯?,周邊環(huán)境沉降主要是基坑開挖引起的,與承壓水抽降關(guān)系較小。
1)通過首次降水試驗數(shù)據(jù)可知,現(xiàn)場降水實際情況與數(shù)值模擬存在較大差異,實際情況相較于數(shù)值模擬結(jié)果偏大,降水設(shè)計時,應(yīng)當比數(shù)值計算情況更為保守。
2)對比得知,經(jīng)設(shè)置MJS接縫止水以及N-JET增長隔水帷幕后,基坑降水情況有明顯提升,坑內(nèi)水位降能夠滿足開挖安全水位要求,且坑外水位下降量也有所減小。
3)N-JET超大直徑工法樁可以運用于深度超過50 m的粉砂層中的隔水帷幕設(shè)置,且隔水效果良好。
4)承壓水降水后引起的絕對沉降量要小于承壓水降水前引起的沉降,說明周邊環(huán)境沉降主要是基坑開挖引起的,與承壓水抽降關(guān)系較小。本工程抽降承壓水對周邊環(huán)境的影響可控。