复杂工况条件下超大规模深基坑群地下水控制技术

张英英

上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444

1 工程概述

1.1 工程概况及周边环境特征

上海世博会B片区由南北向的规划一路和东西向博城路、规划二路，将B片区的主体基坑分为6个大区（B02-A、B02-B、B03-A、B03-B、B03-C、B03-D）。单区基坑面积17 000～22 000 m2。28栋单体建筑中，其中4栋为28层高层（最高120 m），其余为6～16层，整体设2～4层地下室。博成路以北为地下2、3层，博成路以南为地下3、4层，地下2层区域开挖深度11.2 m，地下3层区域开挖深度15.4 m，地下4层区域开挖深度19.7 m。

本工程周边分布有世博场馆等重要建（构）筑物与众多地下管线，特别是西侧长清北路地下有已建成的轨道交通13号线世博大道站与区间隧道，距离本工程基坑边线最近11 m，属于地铁保护区范围之内，保护要求高。B02基坑南侧博成路及B03基坑南侧国展路地下各有1条共同沟，截面尺寸为6.0 m×3.5 m（外径），底板、侧墙及顶板厚300 mm，埋深约2.25 m，距离地下连续墙3 m，共同沟内有世博地区的水管及电缆，施工中需重点做好保护（图1）。

1.2 工程地质及水文地质条件

拟建场地位于古河道地层沉积区，缺失上海市统编第⑥、⑧层，勘察揭露地层自上而下依次为：①1层杂填土、②层粉质黏土、③层淤泥质粉质黏土、④1层淤泥质黏土、⑤2-1层粉砂夹粉质黏土、⑤2-2层黏质粉土夹粉质黏土、⑤2-3层粉砂夹粉质黏土（局部分布有⑤2-3t层粉质黏土夹黏质粉土）、⑤3层粉质黏土、⑤4层粉质黏土、⑦2层粉细砂、⑨1层粉砂、⑨2层细砂。

图1 基坑环境平面示意

根据地下水赋存条件，场地地下水类型主要为潜水、（微）承压水及深部的承压水。勘察期间所测得的潜水静止水位埋深一般在0.60～2.30 m之间。⑤2-1层、⑤2-2层及⑤2-3层3层相连，属（微）承压水含水层，水位埋深为3.50～3.70 m（相应标高为0.65～0.92 m），各基坑均需针对⑤2层采取减压措施。场地内规划一路以东⑤3层缺失，仅在B02-A、B03-A、B03-C大部分场地内含⑤3层或⑤4层。场地东部及南部第⑤2层中（微）承压水与第⑦层第Ⅰ承压含水层和第⑨层第Ⅱ承压含水层直接连通，约占基坑总面积的40%，形成复合型巨厚含水层组，为超深基坑群复杂施工工况下的地下水控制带来极大难度。

2 环境水文地质评价

2.1 初始水位的确定

为保证安全，控制环境影响，按照基坑群的开挖统筹安排，先在前期施工的B03-A地块开展专项水文地质试验[1]。试验开始前现场实测场地第⑤2层（微）承压水水位埋深为3.25～3.70 m（相应标高为1.15～0.92 m），与详勘期间水位基本保持一致。考虑到场区位于古河道沉积区，水位观测结果受观测时间的差异、场地地面情况的变化以及相邻基坑开挖的影响，在基坑施工阶段应密切关注（微）承压水水位变化，以便及时细化群坑同步和交错施工条件下的降压运行工况。

2.2 水文地质参数的计算

水文地质参数可通过解析法或数值法确定，解析法可明确含水层组的水平渗透性，但不能获取其垂向渗透系数，对于含水层组厚度大、止水帷幕深度难以隔断含水层的基坑，其垂向渗透系数的大小决定了基坑外的水位降深及基坑周边环境的变形[2]。因此，本次试验通过建立三维地下水渗流数学模型，采用有限差分数值法，结合试验数据反演水文地质参数（表1），并对所反演的水文地质参数进行验证，发现拟合值与试验值吻合性较好，说明对应参数取值可靠，该模型可作为后期进行模拟分析预测的依据。

表1 抽水试验反演参数

根据计算结果可知，⑤2（微）承压含水层组各亚层间渗透性存在较大差异，⑤2-1层与⑤2-3层渗透性较好，但其间分隔的⑤2-2层渗透性相对较差，后者与前者相比差1个数量级。后期不同深度的基坑群在减压降水时需充分利用⑤2（微）承压含水层组中各亚层间的渗透性差异。抽水试验期间尤其是群井抽水试验过程中，因围护已施工完毕且抽水时间较短，总沉降量绝对值变化不大，但沉降趋势明显，水位下降造成环境变形的影响比较明显。群井试验结束后，地表回弹现象明显。各层之间渗透性存在差异，应结合止水帷幕深度及周边环境特性，提供科学、合理、经济、有效的差异化地下水控制方案。

2.3 断电/停泵施工风险分析

群井停抽后，观测井水位恢复较为平缓。1 d内观测井水位恢复约15%，此现象再次验证了⑤2-2层渗透性相对较弱的结果，也为后期群坑分区、分时降水，缩短大面积抽水时间提供了依据。

2.4 基坑底板抗突涌稳定性分析

要保持稳定，基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力[3]。即：

式中：h——基坑底至承压含水层顶板间距离，m；

γs——基坑底至承压含水层顶板间土的重度，kN/m3；

H——承压水头高度至承压含水层顶板的距离，m；

γw——水的重度，取10 kN/m3；

Fs——抗突涌安全系数。

根据抽水试验实测⑤2层（微）承压水位埋深最深为3.25 m，考虑周边环境问题，降压运行按照安全系数1.05进行控制，当基坑开挖深度等于或大于8.50 m时需考虑对⑤2层进行降压处理。另外充分利用⑤2层各亚层间渗透性显著差异的特性，按照分层降压的理念，细化不同亚层的降压需求，便于进行差异化降水设计（表2）。

表2 不同开挖深度下各基坑⑤2层降深需求统计

2.5 环境变形分析

抽水试验期间尤其是群井抽水试验过程中，因围护已施工完毕且抽水时间较短，总沉降量绝对值变化不大，但沉降趋势明显，水位下降造成环境变形的影响比较明显。群井试验结束后，地表回弹现象明显。因本场区位于古河道沉积区，场地内普遍缺失上海的标准硬塑⑥层，抽水目的层上直接覆盖高压缩性、高含水量的淤泥质软土，场区内若减压降水控制不当将对周边环境产生严重影响，因此必须采取科学的降水设计与施工管控措施。

3 超大深基坑群地下水控制分析

3.1 超大深基坑群地下水控制的难点

3.1.1 施工工况复杂，降水设计难度大

该区域6大地块地下空间，分布了14个相对独立又紧密联系的大小基坑，这种坑连坑、坑中坑等组合式基坑群同步与交错施工，彼此制约、交叉影响，工况复杂，加之复杂的周边环境和相邻基坑之间、顺逆作基坑之间以及邻近地铁设施分坑实施的基坑之间均有着严格的设计工况要求，使得各基坑边界条件极为复杂，为复杂边界（工况）条件的降水设计带来极大难度。

3.1.2 典型软土地区，地处滨江，水文地质条件差

建设场地靠近黄浦江，为上海典型软土地区，地下水位高，（微）承压水丰富，属于古河道沉积区，（微）承压含水层厚度大，大面积区域受古河道切割影响，造成⑤2～⑨层组成复合型巨厚（微）承压水含水层组，止水帷幕深度难以隔断整个含水层组，水文地质条件极差。

3.1.3 周边环境复杂，降水引发的沉降影响大

场地周边分布有世博场馆等重要建（构）筑物，已建成的轨道交通13号线世博大道站与区间隧道、共同沟等保护对象，环境保护要求高。因此，该区域集合了深基坑工程面临的各类复杂与不利的周边环境。但场区内普遍缺失上海统编的⑥、⑧层，经前期专项水文地质试验结果可知，减压降水引发的地面沉降反应灵敏。

3.2 超大深基坑群地下水控制总体设计

3.2.1 复杂工况（边界）条件下的群坑耦合降水设计

针对深基坑群的施工，相邻多个深基坑同步与交错施工相比单个深基坑开挖，对周边环境产生更为复杂的影响，即群坑施工耦合效应。需充分考虑群坑抽水间（微）承压含水层间的水力联系，借助三维数值模拟软件，预分析群坑间分阶段抽水时地下水渗流场的变化情况，优化减压井数量，并通过开挖前的试抽水试验，验证降水效果，细化降压运行工况。确保在满足各基坑安全水位控制埋深要求的前提下，降压井开启数量最少化。

为直观地反映相邻深基坑在同步或交错施工状态下降（微）承压水造成的地下水渗流场变化，以B03-C1、B03-D、B03-B为例，对比分析不同降水设计形式下的地下水渗流场变化及降水井数量。其中B03-C1为地下3层基坑，开挖深度约为15.4 m，主要针对⑤2-1层进行降压；B03-B、B03-D为地下4层基坑，普遍开挖深度约为19.7 m，需分别考虑对⑤2-1、⑤2-3层进行降压设计。B03-C1、B03-D两相邻基坑属于同步施工状态，当B03-C1、B03-D两地块开挖至第2道支撑时，B03-B地块开始施工，与前期B03-C1、B03-D两地块形成交错施工状态（图2）。

图2 B03-C1、B03-D、B03-B基坑平面位置示意

根据模拟预测，对B03-C1、B03-D、B03-B进行群坑耦合降水设计相比分别针对这3个基坑独立进行降水设计后再线性叠加其综合影响，前者所反映的坑内降水引发的坑外水位降深及地面沉降相比后者减少20%，其主要原因为群坑间在同步与交错施工状态下，地下水渗流场相互影响，每个基坑内抽水井数得到一定程度优化（表3）。

表3 2种不同降水设计形式下坑内降压井数量对比

经工程实践证明，系统性考虑群坑抽水间的相互影响，可充分考虑到相邻基坑间地下水渗流场的变化，主要优势体现在：最大程度优化井点数量，节约工程造价；相比独立进行各基坑的降水设计，考虑群坑抽水间的相互作用，系统性进行降水设计，可提高（微）承压水前期风险评估的准确性，为事前主动控制（微）承压水风险提供重要参考依据；相邻基坑间因空间位置毗邻，某些先行施工的基坑坑外观测井在后续相邻基坑开挖时直接转化为坑内抽水井，更能提高井点的综合利用率；缩短抽水时间，最大化降低减压降水对坑外环境的影响。

3.2.2 不同开挖深度的基坑差异化降水设计

为缩短降（微）承压水的时间，不同开挖深度的基坑降水普遍遵循疏干井与降压井分开设计的原则，但由于不同深度基坑的开挖底面、止水帷幕与（微）承压水层顶的关系存在一定的差异性，故采用围护-降水设计一体化设计思路，针对不同类型的基坑特点进行差异化降水设计。

1）地下2层基坑，开挖深度约为11.2 m。止水帷幕深度深入至⑤2-2层中。疏干井深度至基坑开挖底面以下5 m左右，设计深度为15 m，加载真空负压；降压井深入至（微）承压含水层⑤2-1层中，尽量缩短降压井井深，与止水帷幕底保持较大高差（图3）。

图3 地下2层区域降水井设计结构示意

2）地下3层基坑，开挖深度约为15.4 m。止水帷幕深度深入至⑤2-2层底。疏干井深度至与基坑开挖底面基本持平，设计深度为15 m，不宜贯穿（微）承压含水层；降压井深入至微承压含水层⑤2-1层中，合理控制降压井井深，最大化发挥止水帷幕的侧向隔水效果（图4）。

图4 地下3层区域降水井设计结构示意

3）地下4层基坑，开挖深度约为19.7 m。止水帷幕深度深入至⑤2-3层中，充分利用⑤2（微）承压含水层组各亚层间渗透性的差异，尤其是⑤2-2层渗透性相对较差的有利条件，有针对性地对⑤2-1层、⑤2-3层采取分层降水，将潜水含水层与⑤2-1层合并进行疏干降水，减少坑内井数，便于土方开挖，并设置一定数量的备用井。降压井主要针对⑤2-3层单独设置，并尽量缩短其降压井深度，控制在止水帷幕深度范围内（图5）。

图5 地下4层区域降水井设计结构示意

4 结语

为有效控制世博会B片区超大规模地下空间开发所涉及的超大深基坑群在同步与交错施工工况下的地下水危害，通过专项水文地质试验进行环境水文地质评价。依据评价成果充分利用巨厚型（微）承压含水层组各亚层间的水文地质差异性，按照“围护-降水一体化”设计思路，合理利用止水帷幕的侧向隔水性，针对不同开挖深度的基坑进行差异化降水设计。同时充分考虑群坑抽水间（微）承压含水层间的相互影响，借助三维数值模拟软件，预分析群坑耦合效应下的地下水渗流场变化[5]，并通过开挖前的试抽水试验，验证降水效果，细化降压运行工况，确保在满足各基坑安全水位控制埋深要求的前提下，实现降水最小化。基于复杂工况（边界）条件下的群坑耦合差异化降水设计相比单一基坑独立设计后再线性叠加其综合影响，可最大程度优化井点数量，一井多用，合理节约工程造价，提高地下水风险前期评估的准确性，减少降水对周边环境的不利影响，确保基坑本体和周边环境的双重安全。