敏感地区深基坑承压水控制技术研究

彭 真

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

上海市地处富水软土地层，深层地下水存在多区域相互连通等情况，超深基坑工程施工越来越多地面临承压水稳定性控制难题，且由于地下水深层降排引起的区域环境保护问题日益突出。随着城市地下空间开发利用率的日益提升，基坑开挖越来越深，周边环境日益复杂。在富水软土地区城市核心敏感区进行深基坑施工时，面临越来越严重的承压水管控风险，常由于基坑内外地下水未能有效隔离导致降水效果不佳或引起周边地表较大沉降等问题[1-3]。本文以上海市轨道交通14号线陆家嘴站项目为例，以围护-降水一体化设计为思路，研究承压水控制方案的设计。

1 工程案例

1.1 工程概况

上海市轨道交通14号线陆家嘴站位于上海中心城区，主体位于花园石桥路下方。车站北侧为威立雅水厂，南侧为东亚银行。车站为地下3层岛式双柱三跨车站，内净总长219.43 m，标准段内净宽28.9 m。陆家嘴站采用明挖顺作法施工，采用厚1.2 m、深52 m地下连续墙作为围护结构。

1.1.1 水文地质

本工程勘探深度范围内地下水主要为赋存于浅部土层中的潜水、⑦层及⑨层中的承压水。施工期间地下水静止水位埋深一般为0.80～1.40 m（相应标高3.33～2.58 m）。第⑦层承压水水位埋深为5.29 m（相应标高约－1.11 m）。

1.1.2 工程地质

土层由上至下可划分为9个大层、11个亚层和1个夹层，其中：①1-1层为人工杂填土，厚约3 m，质地松散；①3为河漫滩形成的江滩土，约厚6 m，质地松散，大部分为黏质粉土夹淤泥质粉质黏土；④—⑤均为全新世Q4沉积土层，土质不均，其中较多为粉质黏土，夹少量黏质粉土，上部为淤泥质黏土，含云母等杂质；⑥—⑨层为上更新世Q3沉积土层，基本为粉砂，上部为粉质黏土，局部夹细沙，含氧化铁条纹，含云母等杂质。

1.2 降压设计

陆家嘴站主体基坑根据计算需考虑降低⑦层水位，安全的降压幅度为22.91 m。因围护深入到⑦层，本工程采用坑内布置降压井的方式降压。端头段降压井深度为47 m，滤管长度7 m；标准段降压井深度45 m，滤管长度10 m。

基坑开挖时，随着开挖深度增加，承压水层上部覆土提供的重力逐渐降低，承压水提供的顶升力则不会随着开挖深度的增加而减小。当承压水提供的顶升力大于承压水层上部覆土提供的重力时，基坑底板即处于不安全的状态，易发生突涌等施工事故。为避免突涌事故的发生，基坑开挖时可采用式（1）进行底板抗突涌验算：

根据验算的结果即可得出水位降深的要求，可用于指导施工。

根据勘察报告，对各部底板抗突涌能力进行验算，计算结果显示：基坑开挖至设计标高时，承压水上部覆土的重力将会小于承压水本身的顶升力，基坑处于不安全的状态，需要进行降水处理以防止突涌现象的发生。基坑降水设计时，按照最大水位降深22.91 m的要求考虑。

本次陆家嘴站抽水试验的试验井共包括15口降压井，Y1井深47 m，Y3—Y7井深47m，YG1井深47 m，YG2—YG4井深45 m，YB2—YB6井深48 m；4口坑外观测井，G5、G7、G8、G12井深46 m。

整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将实际问题建立数学模型，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。

根据数值计算，预测基坑内承压水抽降到安全水位时，坑外承压水水位下降2～4 m。周边地表沉降量随距离车站距离而减小，且最大沉降量为10 mm。

1.3 降水试验

本工程场地分布有⑦粉（砂）性土，为上海地区第一承压含水层。减压降水前，承压水水头约为地面以下5.2 m。

第1次抽水试验于2018年12月2日11时开始进行，开启8口井抽水，抽水井采用额定流量为25 m3/h的抽水泵。历时24 h，稳定动坑内降深在14.68～16.77 m之间，未能达安全水位降深需求（22.91 m），坑外水位降深约为6 m。说明本工程地下水补给速度快，坑内外水力联动明显，常规的降水方式无法满足降水需求，需要采取有效措施来提高基坑降水效果。

为提升基坑降水效果，需要有效地对坑内外地下水进行隔断。本工程采用接缝止水配合止水帷幕对基坑内外的地下水进行有效隔离，以此达到增加基坑降水效果、减小降水对周边环境影响的效果。

1.4 接缝止水

1.4.1 地下连续墙接缝止水

地下连续墙施作完成之后，因为接头形式的不同，需要采取不同的接缝止水工艺进行补充。常用的地下连续墙接头方式有十字钢板接头、套铣接头、接头管接头、预制桩接头等。十字钢板接头相较于一般的接头管接头，在制作难度没有提升太多的情况下，防渗效果更好，尽管比预制桩接头与套铣接头防渗效果差一些，但是在施工工艺上更为简便。最终，本工程选择的是十字钢板接头并额外增加接缝止水措施。

接缝止水常用的是全方位高压喷射（MJS）工法桩与高压旋喷桩（RJP）等大直径旋喷桩止水方式。MJS工法属于高压喷射注浆法的一种，在传统高压旋喷注浆工艺的基础上，添加了独特的多孔管以及前端造成装置，实现孔内排浆以及地内压力的监测。在使用中由压力传感器实时侦测数据，控制吸浆孔的开启角度和范围，通过调整端头吸泥浆的数量达到平衡土体内压力的效果。可避免土体压力发生变化，进而减小施工过程中因带压喷射水泥浆出现的地表变形、建筑物开裂、构筑物位移等隐患，同时地内压力的降低也可保证大直径桩的成桩半径。RJP工法是使用三重管或四重管分别输送水、气、浆3种介质，采用上段超高压水流结合高压气流第一次切削土体，超高压浆液结合外侧喷射空气流二次冲击切削土体，可形成大直径且品质均一的圆柱形桩体，直径最大可达3.5 m。其中，MJS工法具有成桩角度自由、成桩效果优良、周边环境影响较小、作业深度深、集中排泥施工简便等优点。因此，本工程采用MJS工法桩进行接缝止水作业。

1.4.2 MJS接缝止水设置

本工程坑外设置半圆形MJS工法桩地下连续墙接缝止水桩，桩深52 m，桩径φ2 000 mm，喷射方向为平行地下连续墙边的半圆；新老地下连续墙接缝区域施工桩长为52 m，施工根数为6根，桩形为全圆。

1.5 止水帷幕

1.5.1 止水帷幕施工工法选择

上海地区土质多为软土，地下水丰富，单纯的降水以及封底难以满足市中心地带的高环保要求，往往需要额外采取隔断措施来控制承压水对周围环境的影响。对于如何施作隔断层进行隔水，过去各地的施工项目都进行了不同的尝试，如使用增加地下连续墙长度的方式，利用增长的地下连续墙构造段作为承压水隔断帷幕。该方法将隔水帷幕与地下连续墙融合为一道工序，在更为简便的同时，地下连续墙高昂的造价也使其运用范围受到相应限制，在此基础上又出现了很多更为经济的工法用于施作止水帷幕。

上海国际金融中心使用等厚度水泥土地下连续墙（TRD）作为止水帷幕，在隔水效果达到要求的同时，对周边环境影响较小。TRD利用满足设计深度的附有切割链条以及刀头的切割箱插入地下，在进行纵向切割横向推进成槽的同时，向地基内部注入水泥浆，与原状地基充分混合搅拌，在地下形成等厚度连续墙。其稳定性高，成墙质量好，设备高度较低，所需场地净空低，可施工深度深。

上海前滩33-01地块项目使用双轮铣深层搅拌（CSM）工法进行等厚度水泥土搅拌桩施工，并将其作为落地止水帷幕，施工效果较好。CSM工法等厚度水泥土搅拌墙，是结合运用原有液压铣槽机设备与现有深层搅拌技术，形成的一种新型地下搅拌墙施工技术，通过对施工现场原位土体与水泥浆进行搅拌，增强土体强度。相较于TRD，其同样具备等厚成墙、施工环保的优点，同时具备更高的施工质量，并拥有更大的可施工墙厚，且能在坚硬地层中施工。

此外，止水帷幕的施工方法还有超深三轴搅拌桩形成止水帷幕、超深高压旋喷桩形成止水帷幕等。

本工程由于对周边环境保护要求较高，离水厂较近，使用的是施工本身对周边环境影响较小的超高压旋射搅拌成桩止水帷幕（以下简称“N-JET工法”）。N-JET工法是一种适用于软土地基的成桩方式，实质上为大直径高压旋喷桩，通过钻管（杆）连接特殊喷浆装置（钻头），采用全方位旋转或角度旋转、向上提升、变换提升等方法，结合多喷嘴多角度喷射切削土体，将切削的土体与水泥浆液混合搅拌，凝固后形成桩体形状，从而完成加固。N-JET工法具有成桩速度快，喷射土体搅拌均匀、质量好、工效高且节能环保，对周边环境影响小，施工设备净空低等优点。其对各种施工条件适应性极强，桩体最大直径可达10 m，目前的最大深度达115 m，适合进行超深地基加固、超深坑内止水封底加固、超深地下连续墙接缝止水补强及侧壁加固等各种地基加固施工。同时，N-JET工法不仅适合于软土地基施工，在砂土层、砂砾层、卵石层、漂石层等各种复杂地层中同样可以完成施工，且对施工产物的利用率也较高，可以根据需要控制加固桩体形状，如圆形、半圆形、扇形、条形、网络状以及各形状的组合。

1.5.2 N-JET隔水帷幕

本工程基坑外围采用大直径N-JET工法桩止水，形成1道止水帷幕。加固桩径2 400～3 200 mm，喷浆深度20～60 m，钻孔深度60 m。

1.6 降水情况及周边环境情况

1.6.1 降水及周边水位

第2次抽水试验于2019年10月20日6时开始，开启12口井抽水，采用额定流量为25、50、80 m3/h抽水泵，历时7 h。抽水结束后，现场量测水位并进行整理汇总，得出结论：平均稳定动水位坑内29.83 m，水位降深23.29～23.70 m，坑外水位降深约5 m。

可以看出，在本项目目前的围护结构下，进行坑内降水时，不仅所引起的坑外水位降低能够满足安全水位需求，且对周边环境影响明显减小，同时降水所用时间相较于第1次抽水试验时明显减少。

此外，在2次抽水试验前，对Y1分别进行了2次单井抽水试验。抽水结束后测量坑内水位与坑外水位，并进行对比，用于判断止水加固前后，坑内降水对周围环境的影响。收集数据并对比后发现，当单井水位降深达到12 m时，第1次试验坑外水位下降4 m；同样单井水位降深达到12 m时，第2次试验坑外水位下降2 m。由此可判断止水加固后，降水对周边环境影响明显减小。

1.6.2 周边地面沉降

在基坑及降水施工过程中，对周边的建筑物以及地下管线的沉降进行了监测。

降承压水前周边建筑物以及地下管线均已出现较大沉降，可以认为该部分沉降是由基坑开挖造成的，开始降承压水后，周边管线的绝对沉降有所下降，而建筑物的竖向位移以及差异沉降仅有少量上升，并且保持增长趋势直至停止降水后。可以看出，周边环境沉降主要是基坑开挖引起的，与承压水抽降关系较小。

2 结语

1）通过首次降水试验数据可知，现场降水实际情况与数值模拟存在较大差异，实际情况相较于数值模拟结果偏大，降水设计时，应当比数值计算情况更为保守。

2）对比得知，经设置MJS接缝止水以及N-JET增长隔水帷幕后，基坑降水情况有明显提升，坑内水位降能够满足开挖安全水位要求，且坑外水位下降量也有所减小。

3）N-JET超大直径工法桩可以运用于深度超过50 m的粉砂层中的隔水帷幕设置，且隔水效果良好。

4）承压水降水后引起的绝对沉降量要小于承压水降水前引起的沉降，说明周边环境沉降主要是基坑开挖引起的，与承压水抽降关系较小。本工程抽降承压水对周边环境的影响可控。