軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑施工承壓水控制研究

黃 磊

上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)開發(fā)股份有限公司 上海 200126

近年來，隨著國家經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，絕大部分工程在考慮規(guī)劃建設(shè)需要下都是成片開發(fā)的，基坑面積通常較大[1-2]。對于工程規(guī)模大，具有數(shù)十萬平方米建筑面積的超高層建筑而言，其占地面積往往較大，基礎(chǔ)埋深較深，為保護周邊環(huán)境，采取分坑施工可有助于減小基坑變形。分坑施工是軟土地區(qū)復雜邊界條件超大型深基坑工程的一般做法，意味著把一個大型基坑劃分成多個分區(qū)，分區(qū)與分區(qū)之間通過圍護結(jié)構(gòu)進行分隔，然后根據(jù)現(xiàn)場情況、工程建設(shè)需要、施工方案等依次施工各個分區(qū)地下結(jié)構(gòu)[3-5]。

由于地下水的存在，基坑開挖通常面臨處理滲水的問題，在軟土地基中該類問題更為常見?；訚B水可造成周圍地下水位的變化，導致周圍土體內(nèi)部應力發(fā)生改變，容易產(chǎn)生固結(jié)沉降問題，對周邊環(huán)境產(chǎn)生影響。在工程施工中需要足夠重視和采取必要措施，使沉降量控制在允許的范圍內(nèi)[6-7]。在這種情況下，提出針對軟土地區(qū)復雜邊界條件下群坑降水的施工關(guān)鍵控制技術(shù)，顯然具有重要的現(xiàn)實意義和應用價值。

結(jié)合上海市浦東新區(qū)前灘21-02、21-03地塊基坑項目，通過理論分析、數(shù)值模擬以及工程實踐等手段，開展對軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑施工承壓水控制關(guān)鍵技術(shù)的研究，研究成果可為類似工程的實踐應用提供參考。

1 工程概況與水文地質(zhì)條件

1.1 工程概況

本工程為前灘21-02及21-03地塊項目，建設(shè)基地位于上海市浦東新區(qū)東方體育中心東南側(cè)，場地東、西兩側(cè)為濟陽路、東育路，南、北側(cè)為海陽西路、楊思西路。本工程21-02及21-03地塊統(tǒng)籌共建，2個地塊基坑總開挖面積約為5.8萬 m2，其中21-02 地塊基坑面積約3.6萬 m2，21-03地塊面積約2.2萬 m2。根據(jù)建設(shè)單位的開發(fā)進度，結(jié)合周邊環(huán)境保護要求，基坑分為18個區(qū)先后交叉施工，其中1a～1d區(qū)、2a～2b區(qū)、3a～3b區(qū)地下4層，4a～4e區(qū)、5a～5d區(qū)地下2層，3c區(qū)為地下1層（圖1）。

圖1 項目基坑工程平面示意

1.2 水文地質(zhì)條件

場地屬于濱海平原地貌，位于長江三角洲入?？跂|南前緣，大部分區(qū)域為空地，場地地形較平坦，局部有一定起伏，實測一般地面標高4.28～6.25 m。主要組成為砂土、黏性土和粉性土，土層分布從上到下依次為：①雜填土（層厚1.20～5.60 m）、②粉質(zhì)黏土（層厚0.70～3.40 m）、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土（層厚1.60～1.90 m）、③t灰色黏質(zhì)粉土（層厚1.50～3.20 m）、④灰色淤泥質(zhì)黏土（層厚5.20～8.50 m）、⑤灰色黏土（層厚2.20～3.10 m）、⑤2-1灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土（層厚8.90～10.10 m）、⑤2-2灰色粉砂（層厚7.50～11.10 m）、⑤3灰色粉質(zhì)黏土夾粉性土（層厚10.90～12.10 m）、⑦1灰色粉砂（層厚2.00～4.20 m）、⑦2灰色粉砂（層厚3.00～6.20 m）。

表土層的地下水為潛水，其水位受降水、蒸發(fā)影響，根據(jù)本次勘探結(jié)果，穩(wěn)定水位埋深介于0.60～1.60 m之間（相應標高在3.82～5.62 m之間）。場地內(nèi)⑤2-1層和⑤2-2層為微承壓水含水層，⑦層（⑦1層和⑦2層）為第Ⅰ承壓含水層，⑨層為第Ⅱ含水層。本工程各分區(qū)基坑均需要抽降⑤2-1層和⑤2-2層微承壓水，因此本工程外圍地下連續(xù)墻隔斷微承壓水，減輕周邊環(huán)境因微承壓水變化導致的破壞。本工程地下2層以及地下4層普遍區(qū)域均不需要抽降⑦層承壓水，僅塔樓局部深坑開挖階段需要抽降⑦2上層承壓水（圖2）。

圖2 典型地質(zhì)剖面示意

2 基坑施工難點與降水風險

1）基坑周邊環(huán)境復雜，其北側(cè)鄰近軌交8號線盾構(gòu)隧道，西南側(cè)鄰近軌交6、11號線盾構(gòu)隧道，基坑東側(cè)濟陽路下全長分布有能源管線，基坑周邊道路交通繁忙，市政管線密集，因此控制基坑變形、保護周邊環(huán)境是主要風險點。

2）本工程開挖深度范圍分布深厚③、④、⑤1層土，為含水量高、壓縮性高、強度低的軟弱黏性土，其觸變、流變特性較為明顯，在開挖過程中應防止對土體造成擾動，避免對土體的強度、承載力造成不利影響，否則對基坑變形控制不利。

3）項目區(qū)內(nèi)遍布③t層黏質(zhì)粉土，在地下水的滲透壓力下存在流砂、管涌等隱患。

4）擬建場地內(nèi)⑤2-1層和⑤2-2層為微承壓水含水層，⑦層（⑦1層和⑦2層）為第Ⅰ承壓含水層，⑨層為第Ⅱ含水層，其中⑦2層被⑦2t層分割為⑦2上和⑦2下，⑦2下層和⑨層直接相連，基坑開挖過程中，需考慮（微）承壓水變化導致的基坑穩(wěn)定性下降及周邊環(huán)境破壞等問題。

5）本基坑屬于超深超大基坑工程，地下室普遍挖深達到20～22 m，其開挖面積總共近5.8萬 m2，基坑設(shè)計及施工復雜，工程規(guī)模巨大。

3 群坑施工承壓水控制規(guī)律及措施

3.1 承壓水減壓降水機理分析

在滲流場和應力場相互作用的影響下，一般可通過減小承壓水水頭達到減少基坑滲水的目的。

通過Biot consolidation理論研究地下水滲流與土體變形的綜合效應，基本假設(shè)為：研究對象為均質(zhì)土體，土體含水量完全飽和，且土為彈性材料；小變形；不可壓縮的土體顆粒及孔隙水；孔隙水滲流服從達西定律?？倯橛行Ζ?與孔隙水壓力p之和，平衡微分方程可表示為位移和孔隙水壓力（壓應力為正，Z坐標向上為正，體積力只考慮重力），如式（1）所示：

飽和土體中任意點的位移和孔隙水壓力的變化，須同時符合方程（1）、（4），聯(lián)立可得Biot consolidation方程。

3.2 三維滲流數(shù)值模型計算分析

根據(jù)地勘鉆孔資料及巖土、水文地質(zhì)條件確定模擬區(qū)域范圍，本次建立的模型邊界確定在降水井影響界限之外。

3.2.1 計算模型

利用Visual Modflow軟件，綜合場地工程、水文地質(zhì)條件，并考慮基坑圍護結(jié)構(gòu)特點對滲流進行3D模擬計算，提供降水設(shè)計與施工建設(shè)的理論依據(jù)。實際計算平面尺寸為1 500×1 500 m2。在本次試驗模擬中，水位保持不變，在降水井作用界限外確定水頭邊界，并在Visual Modfolw中定義過濾器長度、出水量等參數(shù)。結(jié)合測得的工程、水文地質(zhì)信息，并根據(jù)研究區(qū)的幾何形態(tài)及地層構(gòu)造的實地情況對模型進行三維分區(qū)。將水文地質(zhì)概念模型水平劃分為141行、262列。立體網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 三維滲流模型

3.2.2 水力特征

研究區(qū)域內(nèi)的含水層分布廣、厚度大，根據(jù)研究區(qū)域深、淺層地下水的流量交換、滲流等情況，其運動特性可用空間三維流來表示；利用Visual Modflow構(gòu)建的三維立體結(jié)構(gòu)模型可以清晰地描述地下水的垂向越流情況；由于系統(tǒng)的無方向性及非均質(zhì)性，其參數(shù)受空間改變的影響發(fā)生變化，地下水輸入、輸出受時間、空間變化影響而變化，系統(tǒng)參數(shù)可用水平各向同性描述。綜上，可用非均質(zhì)水平各向同性的非穩(wěn)定3D地下水滲流系統(tǒng)來解釋模擬區(qū)水流運動。

3.2.3 假設(shè)條件

1）注意群井效應及圍護結(jié)構(gòu)隔水效果在減壓降水深井運作時的影響，在降水井運行時間累加增長的情況下，第⑤2-2層單井涌水量平均為1～2 m3/h，第⑦2上層單井涌水量4～6 m3/h。

2）承壓含水層的初始水頭深度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 計算結(jié)果

1）根據(jù)涌水安全計算得到的數(shù)據(jù)，需對第⑦含水層進行降水減壓。

2）第⑤2-2層減壓降水井深34/35 m；第⑦2上層減壓降水井井深設(shè)置為53/54 m；井管及過濾器外徑273 mm，減壓降水深井孔徑650 mm。

3）減壓降水井與坑內(nèi)水位觀測兼減壓備用井的結(jié)構(gòu)形式一致。

4）在減壓降水的同時，減小地下水下降對環(huán)境安全的影響，并保證地下水位在安全范圍內(nèi)，實時監(jiān)測承壓含水層水位，確定需要抽降的水量及啟動減壓井的時機。

5）經(jīng)過計算，在滿足最大設(shè)計降深要求時，第⑤2-2和第⑦2上層減壓井工作量見表1。

表1 減壓井工作量

6）經(jīng)過計算，在滿足最大設(shè)計降深要求的同時，基于降水運行的基坑水位的預測降深如圖4～圖7所示。

圖4 基坑1a、1c區(qū)降水運行后預測第⑤2-2層水位降深等值線（單位：m）

圖5 基坑1b、1d區(qū)降水運行后預測第⑤2-2層水位降深等值線（單位：m）

圖6 基坑1a、1c區(qū)降水運行后預測第⑦2上層水位降深等值線（單位：m）

圖7 基坑1b、1d區(qū)降水運行后預測第⑦2上層水位降深等值線（單位：m）

3.3 地面沉降分析

對降水引起的地面沉降，采用經(jīng)典沉降公式進行預測計算：

計算已建立的三維模型，模擬施工工況，假設(shè)各分坑第⑤2-2層減壓降水的時間為120 d、第⑦2上層減壓降水時間為60 d，進行基坑減壓降水期間沉降計算時，第⑤2-2層采用的修正系數(shù)為0.30，第⑦2上層使用的修正系數(shù)為0.20。圖8為系統(tǒng)運行后基坑附近沉降預測等值線圖，地面沉降值在靠近基坑區(qū)域周邊達到最大，為5.0 mm，8號線隧道區(qū)域地面累計沉降1.0～2.0 mm，6號線區(qū)間隧道區(qū)域地面累計沉降為2.0～2.5 mm。

圖8 第⑤2-2層和第⑦2上層減壓降水后預測沉降等值線

3.4 地面沉降控制措施

1）采用信息化手段進行監(jiān)測，實時跟蹤坑內(nèi)外觀測井水位，盡量縮短鄰近地鐵等重要基礎(chǔ)設(shè)施減壓深井的抽水時間，按需要降低水頭的量進行降水。

2）盡快將環(huán)境監(jiān)測資料報送項目部，以保證基坑開挖和環(huán)境安全，調(diào)控降水運行程序，并繪制相關(guān)的曲線、圖表。

3）在降水時，減小承壓水位降深可減小降水對環(huán)境的影響，但承壓水頭應滿足基坑穩(wěn)定性要求，且微承壓水頭應隨開挖深度加深而降低。

4）基坑施工中發(fā)現(xiàn)的滲漏要及時處理，防止基坑外潛水位大幅度下降，盡量減少基坑外地面沉降。

4 結(jié)語

1）依托前灘21-02、21-03地塊基坑項目，基于有限差分法，建立了在承壓含水層降水與地面沉降變形耦合的三維滲流模型，為軟土地區(qū)復雜環(huán)境下的群坑開挖降水設(shè)計、施工、運行提供理論指導和技術(shù)支持，以有效控制基坑工程降水對坑周環(huán)境的影響。

2）本工程第⑤2-2層減壓降水井井深34/35 m，第⑦2上層減壓降水井井深設(shè)置為53/54 m，既可以有效滿足設(shè)計安全需要，又可以減少群坑降水對周邊環(huán)境的影響，可為類似工程條件的基坑降水施工提供一定參考。

3）軟土地區(qū)復雜邊界條件群坑降水施工是非常復雜的工程，選擇合理的計算模擬方法確定降水量，設(shè)計合理的降水方案，采取合適的降水工藝是系統(tǒng)性問題，仍有進一步研究的意義。