组合式承压水控制技术在闸北广场工程中的应用

2020-03-01章超徐磊

建筑施工 2020年9期

章超徐磊

上海建工一建集团有限公司上海 200120

随着城市建设进程的不断加快，现有的基坑正向超大、超深的趋势发展。随着基坑工程的规模越来越大，其面临的承压水控制成为决定基坑成败的一个重要因素，承压水对基坑工程的影响不容忽视[1]。

承压水介于上下2个隔水层之间，具有较大的水压力。随着基坑开挖深度的不断增加，当承压水层上部所承受的覆土质量小于承压水压力时，将造成坑底水浮力和土压力的失衡，在承压水压力作用下导致基坑底部土体突涌，使基坑结构体系失效，继而引发重大安全事故[2]。因此，需采取承压水的降压措施，但承压水降水时又会引起深基坑周围环境的变形[3-6]。深基坑施工中，对安全、环境等危害最大的因素是基坑支护体系的失效，大量的基坑安全事故都和地下水的控制有关[7]。

目前对于基坑工程中的承压水问题，通常采用截水帷幕对承压水进行隔断。但上海地区地下存在多层承压含水层，且各承压含水层之间存在水力联系，无法隔断，因此需采取增加地下连续墙深度、增加绕流路径等方式来保证承压水的稳定性。目前城市中存在大量的地下室改建工程，在拔桩施工时需采取相应的有效措施以降低基坑降水的风险[8-9]。

上海市静安区闸北广场项目采用了降水井、高压旋喷桩隔断以及灌注大密度泥浆相结合的组合式承压水控制技术，取得了良好的地下水处理效果。

1 工程概况

上海市静安区闸北广场项目位于上海市静安区天目西路，西侧建筑与本项目仅一墙之隔，北侧地下煤气管线距离项目围墙仅2 m，西侧有高压电缆在红线范围以内穿过。本项目基坑面积约为8 204 m2，大面积开挖深度为15.7～17.5 m，局部深坑开挖深度为20.5 m。基坑一期范围内存在既有地下结构需要拆除，其中既有地下室底板厚度为1.9～2.3 m，局部达到4 m。

本项目拟建场地135 m深度范围内地层均为第四系松散沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成。

拟建场地浅部地下水属于潜水类型，主要补给来源为大气降水和地表水。浅部土层潜水水位埋深为0.6～1.5 m，平均水位埋深1.06 m，相应水位标高为1.66～2.42 m，平均水位标高为2.04 m，潜水水位受降雨、地表水和蒸发的影响而发生变化。

拟建场地分布有⑦1层粉性土，是上海地区第一承压水层，承压水位埋深一般为3～12 m。

2 组合式承压水控制施工技术

2.1 潜水含水层降水井布设

因原地下室地板埋深10 m左右，已揭穿第②3-2砂质粉土含水层，所以在大底板凿除及工程桩施工前需将水头降到大底板1.0 m以下。

根据地质水文情况及实际工况，对整个基坑按每200 m2布1口辅助降水井，则整个基坑共布置真空疏干井39口。降水井采用多级滤水管加真空的措施，以确保每口井的出水量。真空深井孔径为650 mm，井管过滤器为圆孔过滤器，外包滤网，管外回填滤料。

2.2 承压含水层降水管井分析

2.2.1 基坑底板稳定性验算

根据上海市DG/T J08-61—2010《基坑工程技术规范》，基坑底板的稳定条件为基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于承压水的顶托力。

本项目工程桩在原地下室底板上施工，且工程桩深度已揭穿第⑦层承压含水层，即需将第⑦层承压水降到原地下室底板以下1 m左右或直接疏干。本项目工程桩深度（自然地面以下64.96 m）没有揭穿第⑨层承压含水层，同时工程桩成孔施工过程有泥浆护壁，泥浆相对密度取1.125（上海地区泥浆相对密度一般为1.05～1.20），土体重度取18.4 kN/m3，承压水水头埋深3.0～11.0 m，取最不利3.0 m，安全系数取1.05。

经计算，土压力为688.54 kPa，水浮力为683.4 kPa。根据上述计算，本项目工程桩成孔施工时的土压力大于水浮力，不会造成第⑨层承压含水层突涌。

2.2.2 降水井布设

根据水文参数，在整个基坑中布设7口降压辅助降水井（含2口观测备用井）。根据模拟结果，布设的辅助降水井能够满足需降水头要求。

同时，为加强坑外水位观测，检验围护封闭效果，在坑外布设21口观测应急回灌井，必要时采取回灌措施。降水井孔径为650 mm，井管过滤器为圆孔过滤器，外包滤网，管外回填滤料。

2.3 地下连续墙隔断

地下连续墙是软土深基坑工程中常用的支护结构，具有较强的刚度和较高的承载力，并具有连续分布的特征，在隔水抗渗方面具有无可比拟的优势。经综合比选，本工程支护结构选择采用地下连续墙的方案。

工程原为2层地下室，改造后具有3层地下室，需要在原位进行向下空间的加层拓展，由此带来了原有地下连续墙不满足围护设计要求的问题，必须进行加固处理。此时有2个方案可供选择：

1）增加原有地下连续墙的深度、配筋，以满足设计要求，但在实际实施过程中会带来极高的难度以及巨大的经济投入。

2）根据新的建筑平面布局设计，在新的地下室外围施工新的地下连续墙，但这样会带来地下连续墙施工穿越原有基础底板、地下室外墙的难题。

比较上述2个方案，认为方案二的可行性更高，因此在实际实施中选用方案二。新增地下连续墙的深度根据结构计算、地下承压水控制计算的结果综合确定。

3 基坑降水数值模拟

依据地层分布及各土层参数情况，考虑到承压水降水期间对周边环境的影响程度，确定了尽可能减小降水影响半径的方案。以此为基础，建立用于承压水降水分析的三维降水数值模拟模型，主要考虑以下几方面的因素：

1）含水层的结构特征。本项目地下存在大量既有围护结构、隔水体系，实际地质条件复杂，因此在三维降水数值模拟模型中对各地层的水文地质参数进行简化。经过简化，将地下土层的基坑降水三维模型分为上部弱透水层和下部承压含水层。

2）地下水水力特征。基于质能守恒定律和达西定律进行力学分析，且在分析方程中需要考虑地下水的流量交换规律、承压水垂直层间的渗流、地下土层系统的非均质性。经过综合考虑，将该基坑降水三维立体模型中的水文参数简化成水平方向各向同性。在实际分析模拟中，采用的基坑降水三维模型具有各土层竖向分层的非均质性、水平各向物理参数均匀的特性。

3）模拟分析时长。根据施工工况布置，主要考虑地下灌注桩清除、新灌注桩施工、基础底板凿除、基坑工程开挖以及地下结构施工等关键环节。本工程三维降水数值模型的模拟时长取270 d，单位最小计算步长取1 d。在承压水数值模拟全过程中，为保持计算结果的一致，采取承压水渗流的外部流入、流出参数不变。

4）网格划分。建立整体有限单元法模型后，需对实体进行精细化划分，形成满足工程要求的计算精度控制标准。在闸北广场项目地下改造工程中，考虑第⑦承压含水层的上述土层实体结构、地下水水力特征、地质边界条件等因素，对基坑降水三维模型进行精细化网格划分，按基坑土体单元的最大长边长度不大于1 m进行单元加密，形成的分析模型单元总数为90 000个。

5）水头高度处理。承压水降水期间水头高度将随时间变化。为进行承压水降压的长周期计算分析，需要动态调整坑外承压水水头高度及坑内承压水水位，这是模拟分析的一个难点。为便于计算分析的顺利进行，对主要的水力参数进行简化处理：其一，在全过程中不考虑由于水文地质变化、季节性变化造成的承压水水头的高度变化，将坑外承压水水头确定为固定高度；其二，采用上述的各土层竖向分层的非均质性、水平各向物理参数均匀的假定，每个开挖工况的降压井平均抽水量不变；其三，在不同开挖工况下，坑内水位保持在开挖面以下1 m。隔水边界三维模型如图1所示。