超大超深基坑工程降水及回灌施工技術(shù)

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

0 引言

近年來(lái)我國(guó)城市化建設(shè)發(fā)展迅猛，基坑工程面積越來(lái)越大，開(kāi)挖深度越來(lái)越深，施工環(huán)境越來(lái)越復(fù)雜，尤其是在軟土地基地區(qū)基坑降水成為施工中的不安全因素及一大難題，如天津市基坑由前些年的5～12 m淺基坑發(fā)展到如今多數(shù)22～34 m的深大基坑[1]，經(jīng)常出現(xiàn)深厚的強(qiáng)透水地層[2]；再有2003年上海軌道交通4號(hào)線工程施工時(shí)，發(fā)生了大規(guī)模流砂事故，地面發(fā)生了較大的沉陷，事故場(chǎng)區(qū)的建筑物和防汛墻發(fā)生傾斜破壞[3]，南京、杭州等沿江沿海城市也發(fā)生過(guò)多次類似事件[4]。另一方面，地下水處理中減壓降水會(huì)引起周邊地面的沉降，對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生影響，造成沉降甚至開(kāi)裂[5]，必須采取有效措施消除或降低這些影響。其中，最直接最有效的辦法是控制地下水水位[6]，而回灌則是實(shí)現(xiàn)這一目的的重要手段。

1 背景工程概況

上海浦東金融廣場(chǎng)位于上海市浦東新區(qū)陸家嘴梅園社區(qū)SN1地塊，東至南泉北路、南至商城路、西至浦東南路、北至世紀(jì)大道和世界廣場(chǎng)。地塊北側(cè)為軌交2號(hào)線東昌路站，南側(cè)為軌交9號(hào)線商城路站。

基坑總占地面積約41 500 m2，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，沿基坑外側(cè)地下連續(xù)墻深度為48 m，坑內(nèi)部分隔墻深度為38 m。臨近軌交9號(hào)線區(qū)域地下3 層，面積約3 000 m2，開(kāi)挖深度16.2 m，設(shè)有4 道水平支撐，其中首道為混凝土支撐，其余3 道為鋼支撐，基坑內(nèi)開(kāi)挖深度范圍內(nèi)采用攪拌樁和旋噴樁加固；其他區(qū)域地下4 層，面積約38 500 m2，開(kāi)挖深度19.5 m，設(shè)有4 道混凝土支撐。

基坑共分8 個(gè)小坑，如圖1所示，分階段進(jìn)行施工，施工工況如下：第一階段施工1-a區(qū)和1-b區(qū)，開(kāi)挖深度約20 m；第二階段施工2-a區(qū)和2-b區(qū)；第三階段施工3-a區(qū)和3-b區(qū)；第四階段施工5區(qū)；最后施工4區(qū)。

圖1 基坑分區(qū)平面示意

2 深基坑內(nèi)降水和坑外回灌施工方案

為制定切實(shí)有效的降水方案，在降水施工前打設(shè)了7 口試驗(yàn)井，分別進(jìn)行了單井抽水試驗(yàn)和群井抽水試驗(yàn)。

2.1 降壓井方案

2.1.1 基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算[7]

根據(jù)抽水試驗(yàn)的結(jié)果，工程所處地區(qū)承壓水頭埋深約10.1 m。通過(guò)上海市地方規(guī)范中抗承壓水穩(wěn)定性驗(yàn)算公式，算得本工程土方開(kāi)挖至地面以下17.65 m處時(shí)，基坑處于臨界狀態(tài)，此時(shí)應(yīng)陸續(xù)開(kāi)啟降壓井，以保證基坑開(kāi)挖的安全。

2.1.2 降壓井配置

降壓井的布置是建立在抽水試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合各分區(qū)基坑面積的不同，按照常規(guī)挖深和局部深坑的不同設(shè)置41 m和43 m兩種深度的管井，見(jiàn)圖2和圖3。同時(shí)為加強(qiáng)坑內(nèi)外承壓水水位觀測(cè)和環(huán)境保護(hù)，在坑內(nèi)布設(shè)6 口觀測(cè)備用井，在坑外布設(shè)10 口觀測(cè)井。

圖2 降水井平面布置

圖3 降水管井結(jié)構(gòu)示意

2.1.3 降水井運(yùn)行

降壓井開(kāi)啟運(yùn)行根據(jù)土方開(kāi)挖進(jìn)度分兩個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為基坑土方開(kāi)挖至17.65 m，即開(kāi)挖第5層土前，開(kāi)啟降壓井（41 m）；第二階段為基坑土方開(kāi)挖塔樓區(qū)及局部深坑時(shí)開(kāi)啟剩余降壓井。

在各分區(qū)基坑土方開(kāi)挖過(guò)程中，利用鄰區(qū)觀測(cè)井作為坑外觀測(cè)井對(duì)水位動(dòng)態(tài)進(jìn)行觀測(cè)。

2.2 回灌井方案

2.2.1 回灌井工作原理

將水注入回灌井，井周圍的地下水位就會(huì)不斷地上升，利用回灌井周圍與地下水位的水頭差將水向含水層內(nèi)灌入，以提升回灌井工作范圍內(nèi)的地下水位高度。當(dāng)回灌量與滲流量保持平衡時(shí)，回灌水位就不再繼續(xù)上升而穩(wěn)定下來(lái)，此時(shí)在回灌井周圍形成一個(gè)水位的上升錐，其形狀與抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反[8]，如圖4所示?；毓嗑幕毓嗔颗c含水層的滲透性有密切關(guān)系，滲透性好的含水層中，回灌井中所需的回灌水位較低；反之，回灌井中所需的回灌水位就較高。

圖4 回灌原理

2.2.2 回灌井配置

根據(jù)本基坑周邊環(huán)境保護(hù)要求不同，同時(shí)兼顧到各挖土階段各分區(qū)基坑開(kāi)挖時(shí)環(huán)境保護(hù)的需要，在基坑外布設(shè)了一定數(shù)量的回灌井。根據(jù)本工程的抽水試驗(yàn)所得水文參數(shù)，沿基坑外側(cè)布設(shè)71 口深度為45 m的回灌井，來(lái)減小對(duì)周邊環(huán)境的影響。同時(shí)，為加強(qiáng)坑外承壓水水頭觀測(cè)，在坑外布設(shè)13 口觀測(cè)井?；毓嗑矫娌贾靡?jiàn)圖5?；毓嗌罹讖綖?50 mm，井管過(guò)濾器內(nèi)濾管為纏絲過(guò)濾器，外濾管為橋式過(guò)濾器，外包40 目濾網(wǎng)，管外回填中粗砂濾料。回灌井結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6。

圖5 回灌井平面

圖6 回灌井結(jié)構(gòu)示意

2.2.3 回灌井運(yùn)行

根據(jù)施工要求，當(dāng)1-a區(qū)及1-b區(qū)坑外承壓水水頭累計(jì)下降2 m時(shí)，坑外HG7～HG71就要采取回灌措施（或當(dāng)2-a區(qū)及2-b區(qū)坑外承壓水水頭累計(jì)下降2 m時(shí)，坑外HG1～HG64采取回灌措施）。待基坑地下3 層頂板結(jié)構(gòu)施工完畢停止基坑內(nèi)降承壓水，同步回灌井也停止回灌。

在現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)大水箱，通過(guò)安裝的加壓泵，對(duì)水體自然壓力進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加回灌壓力。本工程回灌壓力優(yōu)先選擇0.1 MPa?；毓嗨床捎米詠?lái)水和基坑內(nèi)降壓井抽出的地下水，自來(lái)水和地下水通過(guò)大水箱給回灌井提供回灌水源。

3 基坑降水和回灌施工數(shù)值模擬

根據(jù)上述降水方案和邊界條件建立模型，對(duì)基坑降水施工期間的地下水位變化及周邊地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，核驗(yàn)降水方案的實(shí)際效果。

3.1 降水施工數(shù)值模擬計(jì)算

通過(guò)對(duì)基坑開(kāi)挖底板穩(wěn)定性的計(jì)算可知，當(dāng)1-a、1-b區(qū)，2-a、2-b區(qū)，3-a區(qū)進(jìn)行第5層土方開(kāi)挖時(shí)需開(kāi)啟降壓井降低承壓水水頭。根據(jù)土方開(kāi)挖工況，上述區(qū)域分3 個(gè)階段進(jìn)行，因此分別對(duì)該3 個(gè)工況下進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算分析坑內(nèi)水頭降深和坑外地表沉降情況。

基坑降水?dāng)?shù)值模擬以30 d為計(jì)算期，經(jīng)計(jì)算，降水30 d后各分區(qū)基坑內(nèi)的承壓水位埋深依次為23.56 m、21.6 m、20.66 m、21.66 m、19.76 m，承壓水水頭下降到安全水位高度，滿足各基坑開(kāi)挖施工安全條件。

同時(shí)，以基坑各階段施工中安全水位降深最大的工況為計(jì)算模型，對(duì)減壓降水引起的周邊地表沉降進(jìn)行數(shù)值模擬，經(jīng)計(jì)算，第1階段和第2階段降水最終引起坑外地表沉降約6 mm，第3階段降水最終引起坑外地表沉降為2 mm以內(nèi)。

3.2 回灌施工數(shù)值模擬

3.2.1 回灌施工數(shù)值模擬計(jì)算

當(dāng)基坑減壓降水滿足最大開(kāi)挖深度時(shí)，坑外承壓水頭最大降水約為6.5 m，基坑周邊采取回灌措施后，坑外承壓水頭最大降深約為3.5 m。

3.2.2 回灌施工引起地面沉降預(yù)測(cè)

根據(jù)沉降計(jì)算模型模擬基坑開(kāi)挖過(guò)程中，第一階段和第二階段坑外地表沉降分別為6.7 mm和6.2 mm，如圖7所示。

當(dāng)基坑周邊采取回灌措施后，坑外地表沉降分別為3.8 mm和3.2 mm，如圖8所示。

由上可知，采取回灌井可顯著提升坑外地下水位，進(jìn)而減小坑外地表沉降，既滿足基坑內(nèi)土方開(kāi)挖要求，也減小了對(duì)周邊環(huán)境的影響程度。

圖7 減壓降水坑外地表沉降分布

圖8 采取回灌措施后坑外地表沉降分布

4 結(jié)語(yǔ)

在軟土地基條件下，超大面積深基坑工程降水施工，即意味著要配備比一般基坑工程更多的降水設(shè)備，在滿足坑內(nèi)土方開(kāi)挖條件的同時(shí)，對(duì)坑外周邊環(huán)境的影響亦相應(yīng)增加，因此，對(duì)于超大超深且周邊環(huán)境復(fù)雜的基坑工程，必須采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制。

在上海浦東金融廣場(chǎng)基坑工程降水實(shí)施過(guò)程中，采取了沿基坑周邊設(shè)置回灌井的措施以控制坑外地下水位和地表沉降，取得較好的效果，具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如下：第一階段坑外承壓水頭最大降深為3.7 m，地表沉降最大值為16 mm；第二階段坑外承壓水頭最大降深為5 m，坑外地表沉降最大值為19 mm。說(shuō)明了本文中的施工技術(shù)安全、可靠，確保了工程的推進(jìn)。