超深基坑降承压水施工技术

摘要 上海轨道交通15号线天山路站与2号线娄山关路站通道换乘，为地下三层岛式站台车站，该工程水文地质条件及周边环境复杂，场地承压水复杂。为确保基坑及周边建筑物安全，文章针对该工程复杂承压含水层，采用了合理的深基坑降承压水技术，满足了基坑开挖及施工过程中抗突涌的安全要求，同时减少了降承压水对周边环境的影响，最终为基坑和周围建、构筑物的安全提供了保障，为上海市类似地层工程降水施工提供了参考意见。

关键词 水文地质；环境复杂；承压水复杂；降承压水技术

中图分类号 TU753文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）23-0051-05

0 引言

近几年，随着我国基础建设快速推进，城市人口密度越来越大，轨道交通的需求及建设规模日益增大，基坑开挖的深度也越来越深。而深基坑开挖过程中，出现了承压水处理不善引起的安全事故，事故造成了巨大经济损失，同时还引发较坏的社会影响。这些事故表明，深基坑工程施工过程中，若不能有效控制承压水，将会对周边环境及基坑本身产生严重影响，故施工过程中需高度重视对承压水的控制，需采用合理、最优的降承压水施工技术。该文以上海轨道交通15号线某工程为例，分析承压水处理过程中收集的数据，总结得出了一些针对超深基坑降承压水施工技术的经验。

1 项目概况

1.1 工程概况

天山路站与2号线娄山关路站通道换乘，为地下三层岛式站台车站，主体规模160 m×21.7 m（内净），南端头井平均开挖深度约29.41 m，开挖面位于第⑤₂层土层中，标准段平均开挖深度约27.77 m，开挖面位于第⑤_1-2层土层中，北端头井平均开挖深度约29.73 m，采用明挖顺作法施工。

1.2 周边环境

车站南端头井南侧为轨道交通2号线盾构区间，距离车站南端头井基坑最近距离约19.8 m，南端头井东侧为长建公寓，最近距离约12.8 m；车站标准段西侧为新古北泵站及改迁变电房，新古北泵站最近距离约7 m，距3号出入口及2号风亭约17.3 m，改迁变电房距标准段距离约24.3 m，距2号出入口及1号风亭距离约9.5 m，标准段东侧为新风小区混5及混6建筑，最近距离约14.8 m；车站北端头井南侧为新风小区混6建筑，最近距离约为11.6 m，天山路第一幼儿园距离基坑标准段59.3 m，距3号出入口及2号风亭约41.3 m。

1.3 工程地质与水文地质

拟建场地由上至下土层分别为：①₁杂填土，①₂层浜填土，②_3-1层灰黄～灰色黏质粉土，③₁层灰色淤泥质粉质黏土，④₁层灰色淤泥质黏土，⑤_1-1层灰色黏土，⑤_1-2层灰色粉质黏土，⑤₂层灰色黏质粉土夹粉质黏土，⑤_3-1层灰色粉质黏土，⑤₄层灰绿色粉质黏土，⑦₂层灰色粉砂，⑧₁层灰色粉質黏土，⑧_2-2层灰色粉砂夹粉质黏土，⑧₃层灰绿色粉质黏土，⑨₁层灰色粉砂^[1]。

拟建场地地下水类型主要为松散岩类孔隙水，该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和第⑤₂、⑦₂、⑧_2-2、⑨₁层粉性土及砂土中的（微）承压水^[2]。

据勘探报告，该站点局部存在第⑤₂层黏质粉土夹粉质黏土分布，根据相关经验及临近工点的观测情况，该层微承压水埋深3～5 m范围呈周期性变化。

经勘查，第⑦₂层承压水的水位埋深为6.76 m，第⑨₁层的承压水的水位埋深为10.17 m。第⑧_2-2层与第⑦₂层间虽有⑧₁层粉质黏土分布，但该层厚度较薄，仅0.9～3.3 m，且为夹薄层粉性土，第⑧_2-2层与第⑦₂层相互间有一定水力联系，故第⑧_2-2层承压水水位可参考第⑦₂层。

2 降压井设计方案

2.1 基坑底板抗突涌稳定性验算

基坑开挖后，含水层覆土厚度减少，坑底可能会产生隆起，严重时垫层下可能形成流水通道，形成管涌等。

通常采用式（1）判别基坑开挖后是否处于坑底部承压含水层突涌稳定的状态。基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图，如图1所示。

式中，p_s——承压水层基底面以上的覆土压力；h_i——承压含水层基底上每层土层的厚度；γ_si——承压含水层基底上每层土层的重度；γ_w——水的重度（kN/m）；F_s——安全系数，该工程取1.05、1.0。

根据勘查报告，该项目存在第⑤₂层黏质粉土夹粉质黏土局部分布，第⑤₂层承压水分布于第⑦₂、⑧_2-2、⑨₁层砂土层中。

针对⑤₂层，抗突涌验算时层顶标高取?20.67 m，水位取标高0.21 m；针对⑦₂层，抗突涌验算时层顶标高取?41.2 m，水位取标高?3.36 m。针对⑧_2-2层，抗突涌验算时层顶标高取?48.49 m，水位取标高?3.36 m。针对⑨₁层，抗突涌验算时层顶标高取?62.88 m，水位取标高?6.77 m。具体计算结果如表1、表2所示。

根据表1、表2计算结果，主体基坑需要降⑦₂层水位以及⑧_2-2层水位。主体基坑浅部⑤₂层微承压含水层开挖期间已揭露，水位需降至坑底下1 m左右，以疏干为主。

2.2 降承压水设计思路

2.2.1 主要工程降水风险

（1）基坑底板存在突涌风险。根据验算，该工程主体基坑开挖深度较大，⑦₂层、⑧_2-2层承压含水层对基坑开挖造成较大影响，基坑底板存在突涌风险，需对该两层进行降压处理。

（2）减压降水将对周边环境造成不利影响。主体基坑围护体系墙址插入⑧_2-2层层顶，未隔断⑧_2-2层承压含水层，针对⑧_2-2层减压降水属于敞开式、悬挂式相结合降水方式，抽取承压水对周边环境将产生一定影响，该工程周边建筑密集，地下管线众多，周边环境极其复杂，因此抽取承压水问题务必慎重。

2.2.2 应对上述风险采取的措施

根据该工程实际情况，结合该区域地下水处理经验，为解决该降水工程中难点最终采取了下列措施：

（1）按照“分层降压”原则，根据具体需要对⑦₂层、⑧_2-2层承压水采用深井方式进行降水^[3]。

（2）根据⑦₂层承压含水层实际情况，在基坑内外单独布置水位观测井为降水运行提供依据。由于围护深度未深入至⑧_2-2层中，针对⑧_2-2层减压降水属于敞开式降水，对周边环境将产生一定的影响；根据抽水试验数据，⑦₂层、⑧_2-2层之间存在一定的水力连续，针对以上两层，计划以上部的⑦₂层为主抽水层，必要时再开启下部⑧_2-2层降压井以进一步降低⑧_2-2层水位。

（3）由監测单位在坑外针对不同的含水层设置水位观测井，及时掌握坑内抽水坑外水位变化情况。

（4）施工现场需配备两路工业用电或自启动备用电源，避免后期减压降水时断电风险，正式减压降水运行前需进行备用电源切换演练。

2.3 降压井设计

根据抗突涌稳定性验算，结合开挖深度及基坑围护深度，该工程主体基坑需布置⑦₂层、⑧_2-2层降压井。

主体基坑需考虑对⑦₂层进行降压处理，主体基坑围护深度已将⑦₂层完全隔断，理论上坑内降⑦₂层水位对坑外环境影响可忽略不计。在被围护结构隔断处基坑内每50 m间隔布置一口井点。考虑在坑内轴4～轴20区段布设5口⑦₂层降压井、2口⑦₂层备用兼观测井，井号Y7-1～Y7-5，YG7-1～YG7-2，井深51 m。

根据已有的专项抽水试验成果可知，坑内⑦₂层、⑧_2-2层之间存在水力联系，在⑧_2-2层布置5口观测井，井号分别为YG8-1～YG8-5，井深60 m。

天山路站主体基坑计算，需考虑降低⑦₂、⑧_2-2层水位，针对该两层建立降水的物理模型和数值分析模型。在此基础上，进行渗流分析和设计计算，进而判断井结构设计的合理性，同时预判降水对周边的影响，最终制定有效、合理的基坑降水方案。

根据以下三维非稳定地下水渗流的数学模型建立工程场区的水文地质概念模型。

经计算，基坑内⑦₂层水位降深满足设计要求时，具体水位降深等值线图如图2、图3所示。

基坑西侧新古北泵站下部⑦₂层水位降深1.8 m，基坑东侧建筑群下部⑦₂层水位降深1.3 m，基坑南侧地铁2号线区间段下部⑦₂层水位降深1 m，基坑西侧古北路第一幼儿园下部⑦₂层水位降深1.3 m，基坑西北侧天山路39号（钉子户）下部⑦₂层水位降深1.3 m。

基坑西侧新古北泵站下部⑧_2-2层水位下降2.8 m，基坑东侧建筑群下部⑧_2-2层水位最大降深1.7 m，基坑南侧地铁2号线区间段下部⑧_2-2层水位降深1.1 m，基坑西侧古北路第一幼儿园下部⑧_2-2层水位下降1.5 m，基坑西北侧天山路39号下部⑧_2-2层水位下降1.5 m。

2.4 坑外观测井设计

该工程针对⑤₂层、⑦₂层的降压处于隔断状态下进行，坑内降水对周边环境的影响取决于止水帷幕的止水效果，如止水帷幕存在渗漏，坑内降水可能引起基坑水位差，造成基坑外侧沉降^[4]。

针对⑤²层，在东侧小区一边设置1口水位观测井，井号为G5-1，井深36 m；

针对⑦₂层，在基坑周边共计布置6口水位观测兼回灌井，井号为G7-1～G7-6，井深51 m；

针对⑧_2-2层，于坑外布置4口坑外观测兼回灌井，井号为G8-1～G8-4，井深60 m。具体工作量如表3所示。

3 减压降水引起的地面沉降预测与控制

3.1 降水后地面沉降预测

3.1.1 降水导致沉降的计算原理

该计算主要考虑主固结沉降，按照分层总和法进行^[5]。

因地下水下降引起的土层附加荷载：

?P=γ_w（h₁?h₂） （6）

式中，h₁——降水前土层的水头高度（m）；h₂——水位下降后的水头高度（m）；γ_w——水的重度（kN/m³）。

降水引起的地面附加沉降量：

式中，φ_s——修正系数；U——土的固结度；S_i——第i层的附加沉降量（m）；?P_i——第i层降水引起的附加荷载（kPa）；E_i——第i层的压缩模量（kPa）；H_i——第i土层厚度（m）。

以上公式中的E_i，对于砂土，应为压缩模量；对于黏土和粉土，按下式计算：

式中，e₀——土层的原始孔隙比；a_v——土层的体积压缩系数（MPa^?1）。

3.1.2 降压诱发沉降预测结果

通过模型计算，基坑西侧新古北泵站地面沉降约11 mm，基坑东侧建筑群地面沉降约8 mm，基坑南侧地铁2号线区间段地面沉降约6 mm，基坑西侧古北路第一幼儿园地面沉降约8 mm，基坑西北侧天山路39号（钉子户）地面沉降约8 mm，沉降预测等值线图如图4所示。

图4 基坑减压降水引发沉降等值线图（mm）

3.2 地面沉降风险控制

（1）适时对地下管道线缆、临近建构筑物、马路、地下隧道、地下连续墙等进行监测。根据需要布置沉降观测点，实施过程中根据规范要求及实际情况确定监测频次，实时计量沉降速率及累积沉降量。如出现异常，立即暂停抽排水工作，分析判断出现异常的原因并制定规避措施。

（2）建议在挖土过程中，减少抽水时间，减少降水对周边环境的影响，临近建、构筑物和地下管线一侧的减压井尽量缩短^[6]。

（3）在基坑开挖全过程中，为确保基坑稳定性，需严密制定降水方案，有效控制承压水头，避免承压水头过大降低，造成严重后果。

（4）降水井施工完成后，需要根据初步方案开展试运行，收集并分析试运行的数据，制定合理的降压降水运行方案。

（5）验证围护体隔水性，降水井完成后及时抽水^[7]。

（6）基坑施工过程中，如上部地下连续墙发生渗漏，及时采取封堵措施，避免基坑外侧土体沉降^[8]。

4 方案实施

4.1 施工流程

井位定位→成孔→下井管→回填黄砂→回填滤料、黏土球及封填黏土→洗井→试抽→抽水试验→随挖土进程→抽水降压（同时回灌）→封井→退场。

4.2 基坑开挖与降水运行措施

该工程在成井结束后在⑦₂层降压井下了流量为6方/h的潜水泵进行了试抽，试抽时流量为4.5方/h，动水位基本在46 m以下。

在基坑开挖过程中为减小对基坑周边环境的影响，降压井水位控制按照1.0安全系数进行控制，按照“分层降压”原则，对⑦₂层、⑧_2-2层承压水采用深井降水，在承压水抽水过程中，利用坑外降压观测井进行回灌，现场管理人员和工人24 h值班，观测井内装有智能化水位监测系统密切关注降压井水位变化情况，确保承压水头在安全警戒水位以下，同时现场配备备用发电机，以防停电造成降压井停抽，最终保证基坑安全及施工顺利进行。

4.3 封井

经过计算并报设计人员复核后对降压井进行井内注浆封井，封井强度达到后割出井管，最后在管口焊接2道6 mm铁板，铁板焊接位置应设置在低于井口5 cm以下。

5 结束语

该工程基坑开挖深度较深，东侧的长建公寓、西侧的新古北泵站及改迁变电房均为重点保护对象，环境相对复杂。施工过程中通过控制承压水，适当减小承压水控制安全系数，有效降低了地下水位，减小了基坑发生突涌的風险，同时确保基坑周边环境变化变形量均符合规范要求。

该工程针对承压水的控制技术为上海市类似超深基坑工程降水积累了试验数据，检验了措施的有效性，值得推广和应用。

参考文献

[1]建筑地基基础设计规范： GB50007—2011[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[2]供水水文地质勘察规范： GB50027—2001[S]. 北京：中国计划出版社， 2001.

[3]上海申通地铁集团有限公司. 关于下发《上海轨道交通基坑工程降水技术与管理规程》（试行稿）的通知[EB/OL]. 2015-08-17/2023-11-20.

[4]中华人民共和国建设部. 建筑基坑支护技术规程[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2012.

[5]建筑与市政工程地下水控制技术规范： JGJ 111—2016[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[6]中华人民共和国建设部. 建筑工程施工质量验收统一标准： GB 50300—2013[M]. 北京：中国建筑工业出版社， 2013.

[7]市政地下工程施工质量验收规范： DG/TJ08-236—2013[S]. 上海：同济大学出版社， 2013.

[8]基坑工程技术规范： DG/TJ08-61—2010[S]. 上海：同济大学出版社， 2010.

收稿日期：2023-09-21

作者简介：陈良平（1974—），男，本科，高级工程师，研究方向：地下岩土工程领域。