软土地区复杂边界条件群坑施工承压水控制研究

2022-07-18黄磊

建筑施工 2022年4期

黄磊

上海陆家嘴金融贸易区开发股份有限公司上海 200126

近年来，随着国家经济建设的发展，绝大部分工程在考虑规划建设需要下都是成片开发的，基坑面积通常较大[1-2]。对于工程规模大，具有数十万平方米建筑面积的超高层建筑而言，其占地面积往往较大，基础埋深较深，为保护周边环境，采取分坑施工可有助于减小基坑变形。分坑施工是软土地区复杂边界条件超大型深基坑工程的一般做法，意味着把一个大型基坑划分成多个分区，分区与分区之间通过围护结构进行分隔，然后根据现场情况、工程建设需要、施工方案等依次施工各个分区地下结构[3-5]。

由于地下水的存在，基坑开挖通常面临处理渗水的问题，在软土地基中该类问题更为常见。基坑渗水可造成周围地下水位的变化，导致周围土体内部应力发生改变，容易产生固结沉降问题，对周边环境产生影响。在工程施工中需要足够重视和采取必要措施，使沉降量控制在允许的范围内[6-7]。在这种情况下，提出针对软土地区复杂边界条件下群坑降水的施工关键控制技术，显然具有重要的现实意义和应用价值。

结合上海市浦东新区前滩21-02、21-03地块基坑项目，通过理论分析、数值模拟以及工程实践等手段，开展对软土地区复杂边界条件群坑施工承压水控制关键技术的研究，研究成果可为类似工程的实践应用提供参考。

1 工程概况与水文地质条件

1.1 工程概况

本工程为前滩21-02及21-03地块项目，建设基地位于上海市浦东新区东方体育中心东南侧，场地东、西两侧为济阳路、东育路，南、北侧为海阳西路、杨思西路。本工程21-02及21-03地块统筹共建，2个地块基坑总开挖面积约为5.8万 m2，其中21-02 地块基坑面积约3.6万 m2，21-03地块面积约2.2万 m2。根据建设单位的开发进度，结合周边环境保护要求，基坑分为18个区先后交叉施工，其中1a～1d区、2a～2b区、3a～3b区地下4层，4a～4e区、5a～5d区地下2层，3c区为地下1层（图1）。

图1 项目基坑工程平面示意

1.2 水文地质条件

场地属于滨海平原地貌，位于长江三角洲入海口东南前缘，大部分区域为空地，场地地形较平坦，局部有一定起伏，实测一般地面标高4.28～6.25 m。主要组成为砂土、黏性土和粉性土，土层分布从上到下依次为：①杂填土（层厚1.20～5.60 m）、②粉质黏土（层厚0.70～3.40 m）、③淤泥质粉质黏土（层厚1.60～1.90 m）、③t灰色黏质粉土（层厚1.50～3.20 m）、④灰色淤泥质黏土（层厚5.20～8.50 m）、⑤灰色黏土（层厚2.20～3.10 m）、⑤2-1灰色砂质粉土夹粉质黏土（层厚8.90～10.10 m）、⑤2-2灰色粉砂（层厚7.50～11.10 m）、⑤3灰色粉质黏土夹粉性土（层厚10.90～12.10 m）、⑦1灰色粉砂（层厚2.00～4.20 m）、⑦2灰色粉砂（层厚3.00～6.20 m）。

表土层的地下水为潜水，其水位受降水、蒸发影响，根据本次勘探结果，稳定水位埋深介于0.60～1.60 m之间（相应标高在3.82～5.62 m之间）。场地内⑤2-1层和⑤2-2层为微承压水含水层，⑦层（⑦1层和⑦2层）为第Ⅰ承压含水层，⑨层为第Ⅱ含水层。本工程各分区基坑均需要抽降⑤2-1层和⑤2-2层微承压水，因此本工程外围地下连续墙隔断微承压水，减轻周边环境因微承压水变化导致的破坏。本工程地下2层以及地下4层普遍区域均不需要抽降⑦层承压水，仅塔楼局部深坑开挖阶段需要抽降⑦2上层承压水（图2）。

图2 典型地质剖面示意

2 基坑施工难点与降水风险

1）基坑周边环境复杂，其北侧邻近轨交8号线盾构隧道，西南侧邻近轨交6、11号线盾构隧道，基坑东侧济阳路下全长分布有能源管线，基坑周边道路交通繁忙，市政管线密集，因此控制基坑变形、保护周边环境是主要风险点。

2）本工程开挖深度范围分布深厚③、④、⑤1层土，为含水量高、压缩性高、强度低的软弱黏性土，其触变、流变特性较为明显，在开挖过程中应防止对土体造成扰动，避免对土体的强度、承载力造成不利影响，否则对基坑变形控制不利。

3）项目区内遍布③t层黏质粉土，在地下水的渗透压力下存在流砂、管涌等隐患。

4）拟建场地内⑤2-1层和⑤2-2层为微承压水含水层，⑦层（⑦1层和⑦2层）为第Ⅰ承压含水层，⑨层为第Ⅱ含水层，其中⑦2层被⑦2t层分割为⑦2上和⑦2下，⑦2下层和⑨层直接相连，基坑开挖过程中，需考虑（微）承压水变化导致的基坑稳定性下降及周边环境破坏等问题。

5）本基坑属于超深超大基坑工程，地下室普遍挖深达到20～22 m，其开挖面积总共近5.8万 m2，基坑设计及施工复杂，工程规模巨大。

3 群坑施工承压水控制规律及措施

3.1 承压水减压降水机理分析

在渗流场和应力场相互作用的影响下，一般可通过减小承压水水头达到减少基坑渗水的目的。

通过Biot consolidation理论研究地下水渗流与土体变形的综合效应，基本假设为：研究对象为均质土体，土体含水量完全饱和，且土为弹性材料；小变形；不可压缩的土体颗粒及孔隙水；孔隙水渗流服从达西定律。总应力为有效应力σ'与孔隙水压力p之和，平衡微分方程可表示为位移和孔隙水压力（压应力为正，Z坐标向上为正，体积力只考虑重力），如式（1）所示：

饱和土体中任意点的位移和孔隙水压力的变化，须同时符合方程（1）、（4），联立可得Biot consolidation方程。

3.2 三维渗流数值模型计算分析

根据地勘钻孔资料及岩土、水文地质条件确定模拟区域范围，本次建立的模型边界确定在降水井影响界限之外。

3.2.1 计算模型

利用Visual Modflow软件，综合场地工程、水文地质条件，并考虑基坑围护结构特点对渗流进行3D模拟计算，提供降水设计与施工建设的理论依据。实际计算平面尺寸为1 500×1 500 m2。在本次试验模拟中，水位保持不变，在降水井作用界限外确定水头边界，并在Visual Modfolw中定义过滤器长度、出水量等参数。结合测得的工程、水文地质信息，并根据研究区的几何形态及地层构造的实地情况对模型进行三维分区。将水文地质概念模型水平划分为141行、262列。立体网格划分见图3。

图3 三维渗流模型

3.2.2 水力特征

研究区域内的含水层分布广、厚度大，根据研究区域深、浅层地下水的流量交换、渗流等情况，其运动特性可用空间三维流来表示；利用Visual Modflow构建的三维立体结构模型可以清晰地描述地下水的垂向越流情况；由于系统的无方向性及非均质性，其参数受空间改变的影响发生变化，地下水输入、输出受时间、空间变化影响而变化，系统参数可用水平各向同性描述。综上，可用非均质水平各向同性的非稳定3D地下水渗流系统来解释模拟区水流运动。

3.2.3 假设条件

1）注意群井效应及围护结构隔水效果在减压降水深井运作时的影响，在降水井运行时间累加增长的情况下，第⑤2-2层单井涌水量平均为1～2 m3/h，第⑦2上层单井涌水量4～6 m3/h。

2）承压含水层的初始水头深度3.87～6.59 m。

3）止水帷幕的阻水效果好，能有效封堵前期勘探孔，且降低涌水量。

3.2.4 计算结果

1）根据涌水安全计算得到的数据，需对第⑦含水层进行降水减压。

2）第⑤2-2层减压降水井深34/35 m；第⑦2上层减压降水井井深设置为53/54 m；井管及过滤器外径273 mm，减压降水深井孔径650 mm。

3）减压降水井与坑内水位观测兼减压备用井的结构形式一致。

4）在减压降水的同时，减小地下水下降对环境安全的影响，并保证地下水位在安全范围内，实时监测承压含水层水位，确定需要抽降的水量及启动减压井的时机。

5）经过计算，在满足最大设计降深要求时，第⑤2-2和第⑦2上层减压井工作量见表1。

表1 减压井工作量

6）经过计算，在满足最大设计降深要求的同时，基于降水运行的基坑水位的预测降深如图4～图7所示。

图4 基坑1a、1c区降水运行后预测第⑤2-2层水位降深等值线（单位：m）

图5 基坑1b、1d区降水运行后预测第⑤2-2层水位降深等值线（单位：m）

图6 基坑1a、1c区降水运行后预测第⑦2上层水位降深等值线（单位：m）

图7 基坑1b、1d区降水运行后预测第⑦2上层水位降深等值线（单位：m）

3.3 地面沉降分析

对降水引起的地面沉降，采用经典沉降公式进行预测计算：

计算已建立的三维模型，模拟施工工况，假设各分坑第⑤2-2层减压降水的时间为120 d、第⑦2上层减压降水时间为60 d，进行基坑减压降水期间沉降计算时，第⑤2-2层采用的修正系数为0.30，第⑦2上层使用的修正系数为0.20。图8为系统运行后基坑附近沉降预测等值线图，地面沉降值在靠近基坑区域周边达到最大，为5.0 mm，8号线隧道区域地面累计沉降1.0～2.0 mm，6号线区间隧道区域地面累计沉降为2.0～2.5 mm。