敏感地區(qū)深基坑承壓水控制技術(shù)研究

彭 真

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

上海市地處富水軟土地層，深層地下水存在多區(qū)域相互連通等情況，超深基坑工程施工越來越多地面臨承壓水穩(wěn)定性控制難題，且由于地下水深層降排引起的區(qū)域環(huán)境保護問題日益突出。隨著城市地下空間開發(fā)利用率的日益提升，基坑開挖越來越深，周邊環(huán)境日益復(fù)雜。在富水軟土地區(qū)城市核心敏感區(qū)進行深基坑施工時，面臨越來越嚴重的承壓水管控風(fēng)險，常由于基坑內(nèi)外地下水未能有效隔離導(dǎo)致降水效果不佳或引起周邊地表較大沉降等問題[1-3]。本文以上海市軌道交通14號線陸家嘴站項目為例，以圍護-降水一體化設(shè)計為思路，研究承壓水控制方案的設(shè)計。

1 工程案例

1.1 工程概況

上海市軌道交通14號線陸家嘴站位于上海中心城區(qū)，主體位于花園石橋路下方。車站北側(cè)為威立雅水廠，南側(cè)為東亞銀行。車站為地下3層島式雙柱三跨車站，內(nèi)凈總長219.43 m，標準段內(nèi)凈寬28.9 m。陸家嘴站采用明挖順作法施工，采用厚1.2 m、深52 m地下連續(xù)墻作為圍護結(jié)構(gòu)。

1.1.1 水文地質(zhì)

本工程勘探深度范圍內(nèi)地下水主要為賦存于淺部土層中的潛水、⑦層及⑨層中的承壓水。施工期間地下水靜止水位埋深一般為0.80～1.40 m（相應(yīng)標高3.33～2.58 m）。第⑦層承壓水水位埋深為5.29 m（相應(yīng)標高約－1.11 m）。

1.1.2 工程地質(zhì)

土層由上至下可劃分為9個大層、11個亞層和1個夾層，其中：①1-1層為人工雜填土，厚約3 m，質(zhì)地松散；①3為河漫灘形成的江灘土，約厚6 m，質(zhì)地松散，大部分為黏質(zhì)粉土夾淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④—⑤均為全新世Q4沉積土層，土質(zhì)不均，其中較多為粉質(zhì)黏土，夾少量黏質(zhì)粉土，上部為淤泥質(zhì)黏土，含云母等雜質(zhì)；⑥—⑨層為上更新世Q3沉積土層，基本為粉砂，上部為粉質(zhì)黏土，局部夾細沙，含氧化鐵條紋，含云母等雜質(zhì)。

1.2 降壓設(shè)計

陸家嘴站主體基坑根據(jù)計算需考慮降低⑦層水位，安全的降壓幅度為22.91 m。因圍護深入到⑦層，本工程采用坑內(nèi)布置降壓井的方式降壓。端頭段降壓井深度為47 m，濾管長度7 m；標準段降壓井深度45 m，濾管長度10 m。

基坑開挖時，隨著開挖深度增加，承壓水層上部覆土提供的重力逐漸降低，承壓水提供的頂升力則不會隨著開挖深度的增加而減小。當承壓水提供的頂升力大于承壓水層上部覆土提供的重力時，基坑底板即處于不安全的狀態(tài)，易發(fā)生突涌等施工事故。為避免突涌事故的發(fā)生，基坑開挖時可采用式（1）進行底板抗突涌驗算：

根據(jù)驗算的結(jié)果即可得出水位降深的要求，可用于指導(dǎo)施工。

根據(jù)勘察報告，對各部底板抗突涌能力進行驗算，計算結(jié)果顯示：基坑開挖至設(shè)計標高時，承壓水上部覆土的重力將會小于承壓水本身的頂升力，基坑處于不安全的狀態(tài)，需要進行降水處理以防止突涌現(xiàn)象的發(fā)生。基坑降水設(shè)計時，按照最大水位降深22.91 m的要求考慮。

本次陸家嘴站抽水試驗的試驗井共包括15口降壓井，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口坑外觀測井，G5、G7、G8、G12井深46 m。

整個滲流區(qū)進行離散后，采用有限差分法將實際問題建立數(shù)學(xué)模型，計算、預(yù)測降水引起的地下水位的時空分布。

根據(jù)數(shù)值計算，預(yù)測基坑內(nèi)承壓水抽降到安全水位時，坑外承壓水水位下降2～4 m。周邊地表沉降量隨距離車站距離而減小，且最大沉降量為10 mm。

1.3 降水試驗

本工程場地分布有⑦粉（砂）性土，為上海地區(qū)第一承壓含水層。減壓降水前，承壓水水頭約為地面以下5.2 m。

第1次抽水試驗于2018年12月2日11時開始進行，開啟8口井抽水，抽水井采用額定流量為25 m3/h的抽水泵。歷時24 h，穩(wěn)定動坑內(nèi)降深在14.68～16.77 m之間，未能達安全水位降深需求（22.91 m），坑外水位降深約為6 m。說明本工程地下水補給速度快，坑內(nèi)外水力聯(lián)動明顯，常規(guī)的降水方式無法滿足降水需求，需要采取有效措施來提高基坑降水效果。

為提升基坑降水效果，需要有效地對坑內(nèi)外地下水進行隔斷。本工程采用接縫止水配合止水帷幕對基坑內(nèi)外的地下水進行有效隔離，以此達到增加基坑降水效果、減小降水對周邊環(huán)境影響的效果。

1.4 接縫止水

1.4.1 地下連續(xù)墻接縫止水

地下連續(xù)墻施作完成之后，因為接頭形式的不同，需要采取不同的接縫止水工藝進行補充。常用的地下連續(xù)墻接頭方式有十字鋼板接頭、套銑接頭、接頭管接頭、預(yù)制樁接頭等。十字鋼板接頭相較于一般的接頭管接頭，在制作難度沒有提升太多的情況下，防滲效果更好，盡管比預(yù)制樁接頭與套銑接頭防滲效果差一些，但是在施工工藝上更為簡便。最終，本工程選擇的是十字鋼板接頭并額外增加接縫止水措施。

接縫止水常用的是全方位高壓噴射（MJS）工法樁與高壓旋噴樁（RJP）等大直徑旋噴樁止水方式。MJS工法屬于高壓噴射注漿法的一種，在傳統(tǒng)高壓旋噴注漿工藝的基礎(chǔ)上，添加了獨特的多孔管以及前端造成裝置，實現(xiàn)孔內(nèi)排漿以及地內(nèi)壓力的監(jiān)測。在使用中由壓力傳感器實時偵測數(shù)據(jù)，控制吸漿孔的開啟角度和范圍，通過調(diào)整端頭吸泥漿的數(shù)量達到平衡土體內(nèi)壓力的效果。可避免土體壓力發(fā)生變化，進而減小施工過程中因帶壓噴射水泥漿出現(xiàn)的地表變形、建筑物開裂、構(gòu)筑物位移等隱患，同時地內(nèi)壓力的降低也可保證大直徑樁的成樁半徑。RJP工法是使用三重管或四重管分別輸送水、氣、漿3種介質(zhì)，采用上段超高壓水流結(jié)合高壓氣流第一次切削土體，超高壓漿液結(jié)合外側(cè)噴射空氣流二次沖擊切削土體，可形成大直徑且品質(zhì)均一的圓柱形樁體，直徑最大可達3.5 m。其中，MJS工法具有成樁角度自由、成樁效果優(yōu)良、周邊環(huán)境影響較小、作業(yè)深度深、集中排泥施工簡便等優(yōu)點。因此，本工程采用MJS工法樁進行接縫止水作業(yè)。

1.4.2 MJS接縫止水設(shè)置

本工程坑外設(shè)置半圓形MJS工法樁地下連續(xù)墻接縫止水樁，樁深52 m，樁徑φ2 000 mm，噴射方向為平行地下連續(xù)墻邊的半圓；新老地下連續(xù)墻接縫區(qū)域施工樁長為52 m，施工根數(shù)為6根，樁形為全圓。

1.5 止水帷幕

1.5.1 止水帷幕施工工法選擇

上海地區(qū)土質(zhì)多為軟土，地下水豐富，單純的降水以及封底難以滿足市中心地帶的高環(huán)保要求，往往需要額外采取隔斷措施來控制承壓水對周圍環(huán)境的影響。對于如何施作隔斷層進行隔水，過去各地的施工項目都進行了不同的嘗試，如使用增加地下連續(xù)墻長度的方式，利用增長的地下連續(xù)墻構(gòu)造段作為承壓水隔斷帷幕。該方法將隔水帷幕與地下連續(xù)墻融合為一道工序，在更為簡便的同時，地下連續(xù)墻高昂的造價也使其運用范圍受到相應(yīng)限制，在此基礎(chǔ)上又出現(xiàn)了很多更為經(jīng)濟的工法用于施作止水帷幕。

上海國際金融中心使用等厚度水泥土地下連續(xù)墻（TRD）作為止水帷幕，在隔水效果達到要求的同時，對周邊環(huán)境影響較小。TRD利用滿足設(shè)計深度的附有切割鏈條以及刀頭的切割箱插入地下，在進行縱向切割橫向推進成槽的同時，向地基內(nèi)部注入水泥漿，與原狀地基充分混合攪拌，在地下形成等厚度連續(xù)墻。其穩(wěn)定性高，成墻質(zhì)量好，設(shè)備高度較低，所需場地凈空低，可施工深度深。

上海前灘33-01地塊項目使用雙輪銑深層攪拌（CSM）工法進行等厚度水泥土攪拌樁施工，并將其作為落地止水帷幕，施工效果較好。CSM工法等厚度水泥土攪拌墻，是結(jié)合運用原有液壓銑槽機設(shè)備與現(xiàn)有深層攪拌技術(shù)，形成的一種新型地下攪拌墻施工技術(shù)，通過對施工現(xiàn)場原位土體與水泥漿進行攪拌，增強土體強度。相較于TRD，其同樣具備等厚成墻、施工環(huán)保的優(yōu)點，同時具備更高的施工質(zhì)量，并擁有更大的可施工墻厚，且能在堅硬地層中施工。

此外，止水帷幕的施工方法還有超深三軸攪拌樁形成止水帷幕、超深高壓旋噴樁形成止水帷幕等。

本工程由于對周邊環(huán)境保護要求較高，離水廠較近，使用的是施工本身對周邊環(huán)境影響較小的超高壓旋射攪拌成樁止水帷幕（以下簡稱“N-JET工法”）。N-JET工法是一種適用于軟土地基的成樁方式，實質(zhì)上為大直徑高壓旋噴樁，通過鉆管（桿）連接特殊噴漿裝置（鉆頭），采用全方位旋轉(zhuǎn)或角度旋轉(zhuǎn)、向上提升、變換提升等方法，結(jié)合多噴嘴多角度噴射切削土體，將切削的土體與水泥漿液混合攪拌，凝固后形成樁體形狀，從而完成加固。N-JET工法具有成樁速度快，噴射土體攪拌均勻、質(zhì)量好、工效高且節(jié)能環(huán)保，對周邊環(huán)境影響小，施工設(shè)備凈空低等優(yōu)點。其對各種施工條件適應(yīng)性極強，樁體最大直徑可達10 m，目前的最大深度達115 m，適合進行超深地基加固、超深坑內(nèi)止水封底加固、超深地下連續(xù)墻接縫止水補強及側(cè)壁加固等各種地基加固施工。同時，N-JET工法不僅適合于軟土地基施工，在砂土層、砂礫層、卵石層、漂石層等各種復(fù)雜地層中同樣可以完成施工，且對施工產(chǎn)物的利用率也較高，可以根據(jù)需要控制加固樁體形狀，如圓形、半圓形、扇形、條形、網(wǎng)絡(luò)狀以及各形狀的組合。

1.5.2 N-JET隔水帷幕

本工程基坑外圍采用大直徑N-JET工法樁止水，形成1道止水帷幕。加固樁徑2 400～3 200 mm，噴漿深度20～60 m，鉆孔深度60 m。

1.6 降水情況及周邊環(huán)境情況

1.6.1 降水及周邊水位

第2次抽水試驗于2019年10月20日6時開始，開啟12口井抽水，采用額定流量為25、50、80 m3/h抽水泵，歷時7 h。抽水結(jié)束后，現(xiàn)場量測水位并進行整理匯總，得出結(jié)論：平均穩(wěn)定動水位坑內(nèi)29.83 m，水位降深23.29～23.70 m，坑外水位降深約5 m。

可以看出，在本項目目前的圍護結(jié)構(gòu)下，進行坑內(nèi)降水時，不僅所引起的坑外水位降低能夠滿足安全水位需求，且對周邊環(huán)境影響明顯減小，同時降水所用時間相較于第1次抽水試驗時明顯減少。

此外，在2次抽水試驗前，對Y1分別進行了2次單井抽水試驗。抽水結(jié)束后測量坑內(nèi)水位與坑外水位，并進行對比，用于判斷止水加固前后，坑內(nèi)降水對周圍環(huán)境的影響。收集數(shù)據(jù)并對比后發(fā)現(xiàn)，當單井水位降深達到12 m時，第1次試驗坑外水位下降4 m；同樣單井水位降深達到12 m時，第2次試驗坑外水位下降2 m。由此可判斷止水加固后，降水對周邊環(huán)境影響明顯減小。

1.6.2 周邊地面沉降

在基坑及降水施工過程中，對周邊的建筑物以及地下管線的沉降進行了監(jiān)測。

降承壓水前周邊建筑物以及地下管線均已出現(xiàn)較大沉降，可以認為該部分沉降是由基坑開挖造成的，開始降承壓水后，周邊管線的絕對沉降有所下降，而建筑物的豎向位移以及差異沉降僅有少量上升，并且保持增長趨勢直至停止降水后?？梢钥闯?，周邊環(huán)境沉降主要是基坑開挖引起的，與承壓水抽降關(guān)系較小。

2 結(jié)語

1）通過首次降水試驗數(shù)據(jù)可知，現(xiàn)場降水實際情況與數(shù)值模擬存在較大差異，實際情況相較于數(shù)值模擬結(jié)果偏大，降水設(shè)計時，應(yīng)當比數(shù)值計算情況更為保守。

2）對比得知，經(jīng)設(shè)置MJS接縫止水以及N-JET增長隔水帷幕后，基坑降水情況有明顯提升，坑內(nèi)水位降能夠滿足開挖安全水位要求，且坑外水位下降量也有所減小。

3）N-JET超大直徑工法樁可以運用于深度超過50 m的粉砂層中的隔水帷幕設(shè)置，且隔水效果良好。

4）承壓水降水后引起的絕對沉降量要小于承壓水降水前引起的沉降，說明周邊環(huán)境沉降主要是基坑開挖引起的，與承壓水抽降關(guān)系較小。本工程抽降承壓水對周邊環(huán)境的影響可控。