上海地区 ⑨ 层承压水水勘、降水实验与运行比较

韩泽亮（上海市基础工程集团有限公司， 上海 200002）

随着城市的发展、科技的进步，上海地区的深基坑工程越来越多，相应的开挖深度也越来越大。个别超深基坑在施工过程中碰到了需要降 ⑨ 层承压水的问题。但上海地区 ⑨层承压水具有埋深较深、水量较大、对应土层较厚等特点，随之而来的降水难度大、降水效果难以保证、对周边环境影响难以估计等问题都使超深基坑开挖面临极大安全风险。

近年来，超深基坑降水手段得到较大发展，但目前针对上海地区 ⑨ 层承压水的降水规律、降水效果方面的实践经验还相对较少。本文以硬 X 射线自由电子激光装置项目 1 号工作井成功筑底的案例为依托，结合前期水勘、降水实验及开挖过程中的运行数据，通过数据分析、理论与实际对比，总结出一套相对完整且具有一定参考意义的上海地区 ⑨ 层承压水降水规律。以供后续上海地区涉及 ⑨ 层承压水降水的超深基坑施工参考借鉴。

1 工程概况

1.1 工程概况及周边环境

硬 X 射线自由电子激光装置是我国“十三五”规划重点科技项目，是目前世界上先进的 X 射线光源，将覆盖整个 X 射线波段，可支撑十几条世界一流的光束线和数十个实验终端，为物理、化学、生物、医药、材料、能源、环境等领域提供新一代的大科学实验平台和研究手段。硬 X射线自由电子激光装置亦是我国迄今投资最大的基础科学设施，投资额大约 105 亿左右。硬 X 射线自由电子激光装置项目土建配套工程将建设 5 座埋深超过 40.00 m 的超深工作井、10 条盾构隧道及 18 个地面单体建筑。本文参考的 1 号工作井是整个项目最早开工的工作井，已于 2019 年11 月 17 日成功筑底。

1 号工作井基坑呈类矩形，基坑外包尺寸 24.40 m×74.08 m ～77.94 m，内净尺寸为 20.00 m×70.00 m （局部宽 73.20 m），开挖深度 37.95 m（落深区 40.60 m）。围护结构采用 1.20 m 厚 83.00 m 深套铣接头地下连续墙，地下连续墙外设一圈 850 mm 厚 62.90 m 深止水帷幕。共设 10 道支撑（其中第 2、3 道为钢支撑，其余为混凝土支撑）。基坑底位于第 ⑦1层砂质粉土中，围护墙趾进入 ⑨层粉砂约 6.00 m。基坑剖面图如图 1 所示。

图 1 基坑剖面图

1.2 水文地质条件

对基坑开挖有影响的主要为 ⑦ 层第 I 承压含水层，⑧21 层弱含水层及 ⑨ 层第 II 承压含水层。其中，第 I 承压含水层水平向为基坑围护隔断，下伏 ⑧21层渗透性相对较弱，因此第 I 承压水降压时风险较小，对坑外环境的影响也较小。

2 水 勘

上海地区目前对于第 I 承压含水层的降压作业较多，积累了大量的工程经验，但对于第 II 承压含水层的研究较少，基本无相关经验。因此，在本工程开挖需针对第 II 承压含水层进行减压的情况下，为确保基坑安全及周边环境安全，进行了专项的水文地质勘查。主要目的是查明含水层静止水位、相关的水文地质参数、水位下降与涌水量的关系，为基坑围护和降水设计提供依据。

针对 ⑨ 层共布置 2 口抽水井，井深为 92.00 m、95.00 m。共布置 3 口观测井，井深 86.00 m、89.00 m、89.00 m。试验群井向外以十字形布置 4 组沉降监测点，监测范围为 3 倍基坑开挖深度，同时布置分层沉降观测点。

利用 2 口抽水井进行两组单井试验及一组两井试验，单井试验持续时间 1 d，两井试验持续时间 10 d。

根据试验结果，得出主要结论如下所示。

（1）第 ⑨ 层水位埋深最高为 4.53 m，对应标高分别为 －0.80 m。

（2）第 ⑨ 层含水层富水性强，单井出水量 500 m3/h时动降深为 17.32 m，距离 14.00 m 处降深 3.50 m，距离31.00 m 处降深 2.94 m，距离 64.00 m 处降深 2.10 m。

（3）对于 ⑨ 层，水位恢复迅速，停抽 5 min 后，观测井内水位恢复 62%～41%。

（4）通过解析法及数值法求解，⑨ 层含水层的水文地质参数如表 1 所示。

表 1 ⑨ 层土性质一览表

（5）群井试验 10 d，静水位降深 6.80 m，实测 ⑧21层、⑨ 层、⑾ 层总压缩量 2.5 mm，相应的地面沉降约为 3 mm，说明 ⑨ 层降压主要的压缩层为 ⑨ 层、下伏 ⑾ 层以及上覆 ⑧21层。

通过水勘可知以下结果。

（1）⑨ 层土含水量大、渗透系数大且补给速度快、补给量大。开始降水后，若要维持水位稳定则需 24 h 不停进行抽水作业。

（2）敞开式抽 ⑨ 层水所形成的水力漏斗影响范围大，在近抽水点处坡度陡，越向外扩散越趋于平缓，对周边环境影响。

（3）从围护工程经济性出发，该区域不考虑隔断式降⑨ 层水。可以采用性价比相对较高、对环境影响可控的悬挂式降水，利用地墙的绕流作用来减小降水对周边环境的影响，具体效果有待验证。

3 降水实验

3.1 抗突涌验算

根据水勘报告，集合基坑两种开挖深度进行验算，分别参考不同区域对应的揭示含水层层顶标高最高的勘探孔，进行抗突涌验算，结果表 2 所示（安全系数取 1.05）。

表 2 抗突涌稳定性验算表 m

3.2 降压井布置

本工程具有浅区降深大幅小于深区降深的特点，故围绕落深区进行降压井布置。共布置 4 口降压井，1 口坑内观测井，1 口备用井及 2 口坑外观测井。⑨ 层井布置图如图 2 所示，⑨ 层井结构一览表如表 3 所示。

图 2 ⑨ 层井布置图

表 3 ⑨ 层井结构一览表

3.3 降水试运行

（1）单井抽水实验。正式降压前进行试运行，首先进行单井抽水实验，单抽坑内 1Y9-1，水位稳定后的出水量为246 m³/h，水位稳定后的降深值为 6.84 m，未达到安全水位12.35 m。基坑内 ⑨ 层观测井水位降深值在 2.40 m～2.89 m 之间，坑外 ⑨ 层观测井水位降深值在 1.25 m～1.84 m 之间。

（2）双井抽水实验。加开 1Y9-2，两井抽水试验，水位稳定后的出水量 1Y9-1 为 255 m³/h；1Y9-2 为 246 m³/h，水位稳定后的降深值为 6.84 m，依旧未能达到安全水位 12.35 m，且停抽后迅速恢复初始水位。

（3）三井抽水实验。依次开启坑内 1Y9-3、1Y9-1 和坑外 1YB9-1，三井抽水实验，水位稳定后的出水量 1Y9-3 为268 m³/h；1Y9-1 为 243 m³/h；1YB9-1 为 256 m³/h，水位稳定后的降深值为 11.50 m，依旧未能达到安全水位 12.35 m。

这阶段开始 1～5 号工作井 ⑨ 层水位联测，以观察群井试验降 ⑨ 层水的影响范围，数据如表 4 所示。

表 4 群井实验对周边环境的影响 m

继续进行三井抽水实验，依次开启坑内 1Y9-1、1Y9-3、1Y9-4 三井抽水实验，水位稳定后的出水量 1Y9-3 为 266 m³/h；1Y9-1 为 240 m³/h；1Y9-4 为 160 m³/h，水位稳定后的降深值为 12.45 m，达到安全水位 12.35 m。停抽后迅速恢复至初始水位。

同样进行 1～5 号工作井 ⑨ 层水位联测，以观察群井试验降 ⑨ 层水的影响范围，数据如表 5 所示。

表 5 群井实验对周边环境的影响 m

此时的 1 号井水位降深为 12.45 m，对应的安全系数为1.05。

通过降水实验可知以下结果。

（1）降水实验结果验证了水勘中对 ⑨ 层水量大补给快描述。

（2）坑内降压对坑外有较大影响，坑内水位下降 7.82 m 时，坑外水位下降 4.70 m。同时 ⑨ 层抽水的影响范围较大，试验时 2 号工作井处水位降深 0.53 m，最远的 5 号工作井（3.50 km 外）处水位降深 0.19 m。

（3）1 号工作井开挖第 11 层土时需要同时开启坑内 3口 ⑨ 层降压井才能满足降深要求。因此在正式降 ⑨ 水前必须做好应急措施。必须要有备用井且备用井内须有水泵，保证随时可以开启。试验时模拟启用备用井的工况，坑内 2 口⑨ 层井及坑外 1 口 ⑨ 层井启动时，坑内 ⑨ 层承压水位降至埋深 11.50 m，安全系数可达到 1.03，可起到临时备用抽水的作用。

4 降水运行

根据水勘和降水实验，1 号工作井于 2019 年 10 月 17 日正式开始降 ⑨ 层水作业，前后历时 38 d，于 2019 年 11 月24 日停抽所有 ⑨ 层降水井。

根据流量统计，开启坑内 1 口 ⑨ 层降水井阶段，单井平均出水量在 250 ～300 m³/h，持续抽水，水位保持稳定。开启坑内 3 口 ⑨ 层降水井阶段，单井平均出水量在 200 ～281 m³/h，群井平均出水量维持在 800 m³/h，保持出水量不变，水位降深稳定且有下降趋势，最大降深值达到 14.70 m。

从 1 号井正式开始降 ⑨ 层承压水至停抽，持续进行 1～3号工作井 ⑨ 层水位联测，以监测群井降⑨ 层水对周边环境的影响。正式降 ⑨ 层水附近水位变化情况如表 6 所示。

表 6 正式降 ⑨ 层水附近水位变化情况

同时对距离 1 号井基坑 200.00 m 外的磁悬浮墩台进行监测。整理分析数据后发现，磁悬浮单个支墩单日沉降最大 0.5 mm，累计沉降最大达到了 0.82 mm，但同一承台两侧支墩不均匀沉降单日最大仅 0.11 mm，累计最大仅 0.33 mm。

通过降水运行数据可知以下结果。

（1）坑内 3 口 ⑨ 层井同时开启可满足水位降深要求。

（2）持续长时间大流量抽取 ⑨ 层水，⑨ 层水位会缓慢下降，与预想的维持不变的结果有所出入。

（3）长时间抽取 ⑨ 层水对周边环境的影响范围很广，所形成的水力漏斗在近抽水点处坡度陡，越向外扩散越趋于平缓，抽水造成的整体沉降有，但差异沉降很小，对周边环境的影响并没有想象中的大，这点与水勘试验结论一致。

5 总结分析

（1）上海地区 ⑨ 层水量大、补给快、降水难度大。1 号井地墙插入 ⑨ 层土 6.00 m 左右所形成的绕流作用并不明显，降水情况与敞开式抽水差别不大。

（2）长时间降 ⑨ 层水的影响范围广、在近抽水口处形成的水力漏斗较陡，但一定距离外逐渐趋于平缓，所造成的不均匀沉降很小。

（3）⑨ 层降水井本身也是一个 ⑨ 层水渗漏的路径隐患，因此通过合理设计降水井数量、保证降水井质量、日常的维护保养和备用井的应急准备都很重要。

6 结 语

本文以硬 X 射线自由电子激光装置项目 1 号井降 ⑨ 层水筑底的成功案例，通过对比分析其水勘、降水实验、降水运行及相应的监测数据，对上海地区降 ⑨ 层水的情况进行了讨论与验证。并总结出一套较为完整的上海地区悬挂式抽⑨ 层承压水的降水规律，以期对后续类似的工程提供一定的借鉴依据。另外希望后续工程中能通过有说服力的实验来探寻地墙插入 ⑨ 层土较深、绕流路径较长的悬挂式降 ⑨ 层水甚至隔断式降 ⑨ 层水的规律和效果。希望为上海和其他类似地区的超深基坑施工保驾护航。