临地铁悬挂式止水帷幕条件下深基坑减压降水技术研究

2022-01-25薛志松上海建工一建集团有限公司上海200129

建筑科技 2021年6期

薛志松（上海建工一建集团有限公司，上海 200129）

随着上海深基坑工程规模不断扩大、深度加深，承压水对深基坑施工的安全威胁越来越大。对此，一般采用围护或止水帷幕隔断承压水含水层，可以有效控制承压水对基坑的影响，但投入的费用也非常高。而采用悬挂式围护，结合坑内按需降压的措施，可以有效降低围护费用，但是抽取承压水会导致含水层或邻近含水层的可压缩夹层压缩，引起地面沉降。

以上海市张江集电港 B 区 3-2 信息技术产业平台项目为背景，分析临地铁深基坑，在悬挂式止水帷幕的条件下，基坑降水对周边环境的影响，并寻求相对应的控制措施。通过精确控制降水水位、降水运行时间，并采取基坑外回灌来确保基坑及周边环境安全，效果良好。

1 工程概况/研究的目的

上海张江集电港 B 区 3-2 信息技术产业平台项目位于浦东新区，祖冲之路张东路交界处。北临祖冲之路，西靠张东路，附近已建建筑有科博达和创企天地。西北角有已建变电站，北侧距轨道交通地铁 2 号线最近距离仅 8.5 m，须重点保护，如图 1 所示。

图1 项目基坑分区及周边环境示意图

项目用地面积 38056.20 m2，总建筑面积约为 233976.00 m2。本工程 ±0.00 m 相当于绝对标高 5.15 m，现场自然地面绝对标高约 4.55 m，相对标高 -0.60 m。

基坑面积约 28473 m2，开挖深度 14.95 m，分 6 个区施工，其中 1 号基坑开挖面积约 15728 m2、 2 号基坑开挖面积约 9988m2、 3 号基坑开挖面积约 1060 m2、 4 号基坑开挖面积约 751 m2、5 号基坑开挖面积约 655 m2、6 号基坑开挖面积约 520 m2。采用 800 mm/1000 mm 厚地下连续墙 47.5 m＋三道混凝土支撑的围护方案。本项目先行开挖 2 号基坑，待 2 号基坑 B l 层梁板施工完成，且换撑安装完毕后，施工 1 号、3 号基坑。按照该顺序及要求依次逐个开挖施工 4 号、5 号及 6 号基坑。

2 工程重难点/研究的方法

本项目基坑开挖需对下伏第 ⑦ 层承压含水层进行减压降水，此含水层厚度大，基坑围护未完全隔断此含水层。通过降水试验和三维渗透建模计算和回灌分析进行研究。

3 施工工艺流程/研究的过程

3.1 工程地质情况

本工程勘察阶段所完成勘察孔的最大深度为 100.0 m，划分为 10 个工程地质层及若干亚层。如图 2 所示。

图2 地质剖面及围护剖面图

其中第 ⑦1 层砂质粉土及第 ⑦2 层粉砂属上海地区第Ⅰ 承压含水层，第 ⑨ 层含砾粉砂属第 Ⅱ 承压含水层，场地内第 Ⅰ 及第 Ⅱ 承压含水层不连通。场地下伏的第 ⑦ 层承压含水层分布稳定、连续，层顶埋深 30 m 左右，层底埋深 60 m 左右，勘察期间测得第⑦层水位埋深 4.98 m，其下为第 ⑧1 层、第 ⑧2 层粉质黏土层。本工程主要针对第 ⑦层承压含水层进行减压降水。

本工程地下连续墙深 47.50 m，墙趾已进入第 ⑦2 层约6.0 m，由于承压含水层埋深大、厚度大，地下连续墙未能将承压水隔断，形成悬挂式止水帷幕。

3.2 基坑降水分析

深基坑开挖必须充分考虑承压水安全性，须对下部承压水含水层的顶托力进行验算。第 ⑦ 层初始水位按照本项目实测最浅水位埋深 4.98 m 计算，下伏第 ⑦ 层承压含水层层顶最浅埋深为 29.60 m（参考钻孔 C 28），基坑最大开挖深度 20.50 m，抗突涌安全系数为 0.69，小于抗突涌安全系数要求值 1.05，基坑开挖需对第 ⑦ 层承压含水层进行减压降水，基坑开挖抗突涌稳定性验算表如表1所示。

表1 基坑开挖抗突涌稳定性验算表

经计算，第⑦层承压含水层临界开挖深度为 15.85 m。即第⑦层承压水初始水位埋深在 4.98 m 的情况下，基坑挖深超过 15.85 m 时，需降低第⑦层承压水水位。当开挖至基坑最大开挖深度 20.50 m 时，第⑦层承压含水层安全水位埋深为 13.31 m。

另一方面，地下连续墙未完全隔断第⑦层承压含水层，坑内降压时，会引起坑外相当大范围的承压水位下降，引起周边道路、管线、建（构）筑物的沉降，特别是基坑北侧紧邻地下轨道交通 2 号线（广兰路～唐镇区间段），基坑减压降水在尽量增加降水绕流路径的基础上，在需重点保护的北侧，采取地下水回灌措施，人为抬高坑外承压水水位，减缓沉降变形，保证周边环境安全。

3.3 三维渗流模拟计算

根据第⑦层基坑抗突涌验算结果，并将地层概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。利用 Visual ModFlow 进行三维渗流数值法计算，如图 3 所示。

图3 围护与降水井三维立体示意

三维渗流计算模型符合以下假定：潜水的初始水位埋深0.5 m、第 ⑦ 层初始水位埋深 4.98 m；止水帷幕深度：整个基坑周边深度为 47.5 m、中隔墙深度为 33.1 m；降水运行过程中减压深井的单井涌水量平均为 10～15 m3/h；根据实际工况，分坑进行独立降水。

在坑内布置第⑦层减压深井，考虑基坑周边环境的重要性，加长基坑减压降水绕流路径，井深设定为 38 m，滤管长度为 5 m，减压降水绕流路径 10.5 m；降水深井均采用钢管井，孔径 650 mm、井径 273 mm。

经三维渗流模型计算：在满足第⑦层承压水水位控制在满足基坑坑底抗突涌稳定性验算条件时，需要在 1 区布置减压降水井 12 口（含 1 口观测备用井），需要在 2 区布置减压降水井 8 口（含 1 口观测备用井）。

另外在基坑外侧，地下轨道交通二号线（广兰路～唐镇区间段）50 m 保护线内均匀设置 15 口第⑦层回灌井，井深42 m，滤管 8 m，并设置 3 口观测井，进行水位观测，如图4 所示。

图4 减压降水井及回灌井平面布置图

3.4 生产性抽水试验情况

2 号基坑首先开挖，在 2 号基坑坑内降水井及坑外观测井、回灌井成井结束后，进行生产性抽水试验。

由抽水试验结果可知：当 2 号基坑内承压水观测井 BG1承压水水位降到 13.80 m 左右，满足基坑最大开挖深度时，北侧（轨道交通地铁 2号线区间侧）承压水水位埋深约6.71～7.12 m，即水位降深为 1.73～2.14 m。根据本工程挖土工况及周边环境保护要求，需对坑外采取回灌以满足 2 号基坑减压降水时周边环境保护要求。

2 号基坑开挖实施过程中，基坑降水严格遵循“分层降水”“按需降水”的原则，基坑开挖至塔楼区域底板时开启减压井，进行减压降水，最终将观测井水位控制在 13.70 m 左右，在基坑内减压降水的同时开启坑外回灌井进行回灌补水，缓解坑外水位下降，保护基坑外地铁安全。

本项目回灌遵循同抽同灌、抽灌一体化的原则，坑内抽水地下水经处理后的地下水作为回灌水源。根据承压水水位变化实现回灌井的自动开启与关闭。

回灌期间测定单井最大回灌量可达 3.9 m3/h，北侧承压水水位埋深约 5.30～5.70 m，即水位降深约 0.32～0.72 m，回灌效果明显。抽灌一体化原理示意图如图 5 所示，水位运行示意图如图 6 所示。

图5 抽灌一体化原理示意图

图6 水位运行示意图

2 号基坑减压降水期间，在回灌同时开启的条件下，坑外承压水水位保持稳定，地铁区间隧道各监测点竖向位移均、横向位移和纵向位移均表现平稳，变形量均在 3 mm 以内。回灌开启前管线日沉降变形量 0.5～1.2 mm，回灌后日沉降变形量 0.4～0.6 mm，后期则产生沉降恢复现象，上浮量为0.3～0.4 mm/d，最终周边管线沉降值为 3.0～8.0 mm，个别点位最大沉降值约 19 mm，未发生地下管线安全事故，周边道路无明显可见的沉降和开裂现象，回灌整体达到了预期效果。保证基坑安全开挖的同时，有效减小了悬挂式减压降水对周边环境产生的不良影响。

减压降水运行期间配备备用发电机，保证一路工业用电停电后，发电机自动启动并切换，确保在基坑减压降水运行期间供电的连续，并为每口减压降水井布置水位报警系统，在水位异常时报警，便于迅速采取相应措施，保证基坑安全。