超深基坑降承壓水施工技術(shù)

摘要 上海軌道交通15號線天山路站與2號線婁山關(guān)路站通道換乘，為地下三層島式站臺車站，該工程水文地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復雜，場地承壓水復雜。為確?；蛹爸苓吔ㄖ锇踩?，文章針對該工程復雜承壓含水層，采用了合理的深基坑降承壓水技術(shù)，滿足了基坑開挖及施工過程中抗突涌的安全要求，同時減少了降承壓水對周邊環(huán)境的影響，最終為基坑和周圍建、構(gòu)筑物的安全提供了保障，為上海市類似地層工程降水施工提供了參考意見。

關(guān)鍵詞 水文地質(zhì)；環(huán)境復雜；承壓水復雜；降承壓水技術(shù)

中圖分類號 TU753文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）23-0051-05

0 引言

近幾年，隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)快速推進，城市人口密度越來越大，軌道交通的需求及建設(shè)規(guī)模日益增大，基坑開挖的深度也越來越深。而深基坑開挖過程中，出現(xiàn)了承壓水處理不善引起的安全事故，事故造成了巨大經(jīng)濟損失，同時還引發(fā)較壞的社會影響。這些事故表明，深基坑工程施工過程中，若不能有效控制承壓水，將會對周邊環(huán)境及基坑本身產(chǎn)生嚴重影響，故施工過程中需高度重視對承壓水的控制，需采用合理、最優(yōu)的降承壓水施工技術(shù)。該文以上海軌道交通15號線某工程為例，分析承壓水處理過程中收集的數(shù)據(jù)，總結(jié)得出了一些針對超深基坑降承壓水施工技術(shù)的經(jīng)驗。

1 項目概況

1.1 工程概況

天山路站與2號線婁山關(guān)路站通道換乘，為地下三層島式站臺車站，主體規(guī)模160 m×21.7 m（內(nèi)凈），南端頭井平均開挖深度約29.41 m，開挖面位于第⑤₂層土層中，標準段平均開挖深度約27.77 m，開挖面位于第⑤_1-2層土層中，北端頭井平均開挖深度約29.73 m，采用明挖順作法施工。

1.2 周邊環(huán)境

車站南端頭井南側(cè)為軌道交通2號線盾構(gòu)區(qū)間，距離車站南端頭井基坑最近距離約19.8 m，南端頭井東側(cè)為長建公寓，最近距離約12.8 m；車站標準段西側(cè)為新古北泵站及改遷變電房，新古北泵站最近距離約7 m，距3號出入口及2號風亭約17.3 m，改遷變電房距標準段距離約24.3 m，距2號出入口及1號風亭距離約9.5 m，標準段東側(cè)為新風小區(qū)混5及混6建筑，最近距離約14.8 m；車站北端頭井南側(cè)為新風小區(qū)混6建筑，最近距離約為11.6 m，天山路第一幼兒園距離基坑標準段59.3 m，距3號出入口及2號風亭約41.3 m。

1.3 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

擬建場地由上至下土層分別為：①₁雜填土，①₂層浜填土，②_3-1層灰黃～灰色黏質(zhì)粉土，③₁層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，④₁層灰色淤泥質(zhì)黏土，⑤_1-1層灰色黏土，⑤_1-2層灰色粉質(zhì)黏土，⑤₂層灰色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土，⑤_3-1層灰色粉質(zhì)黏土，⑤₄層灰綠色粉質(zhì)黏土，⑦₂層灰色粉砂，⑧₁層灰色粉質(zhì)黏土，⑧_2-2層灰色粉砂夾粉質(zhì)黏土，⑧₃層灰綠色粉質(zhì)黏土，⑨₁層灰色粉砂^[1]。

擬建場地地下水類型主要為松散巖類孔隙水，該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和第⑤₂、⑦₂、⑧_2-2、⑨₁層粉性土及砂土中的（微）承壓水^[2]。

據(jù)勘探報告，該站點局部存在第⑤₂層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土分布，根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗及臨近工點的觀測情況，該層微承壓水埋深3～5 m范圍呈周期性變化。

經(jīng)勘查，第⑦₂層承壓水的水位埋深為6.76 m，第⑨₁層的承壓水的水位埋深為10.17 m。第⑧_2-2層與第⑦₂層間雖有⑧₁層粉質(zhì)黏土分布，但該層厚度較薄，僅0.9～3.3 m，且為夾薄層粉性土，第⑧_2-2層與第⑦₂層相互間有一定水力聯(lián)系，故第⑧_2-2層承壓水水位可參考第⑦₂層。

2 降壓井設(shè)計方案

2.1 基坑底板抗突涌穩(wěn)定性驗算

基坑開挖后，含水層覆土厚度減少，坑底可能會產(chǎn)生隆起，嚴重時墊層下可能形成流水通道，形成管涌等。

通常采用式（1）判別基坑開挖后是否處于坑底部承壓含水層突涌穩(wěn)定的狀態(tài)?；涌钩袎核挥糠€(wěn)定性驗算原理示意圖，如圖1所示。

式中，p_s——承壓水層基底面以上的覆土壓力；h_i——承壓含水層基底上每層土層的厚度；γ_si——承壓含水層基底上每層土層的重度；γ_w——水的重度（kN/m）；F_s——安全系數(shù)，該工程取1.05、1.0。

根據(jù)勘查報告，該項目存在第⑤₂層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土局部分布，第⑤₂層承壓水分布于第⑦₂、⑧_2-2、⑨₁層砂土層中。

針對⑤₂層，抗突涌驗算時層頂標高取?20.67 m，水位取標高0.21 m；針對⑦₂層，抗突涌驗算時層頂標高取?41.2 m，水位取標高?3.36 m。針對⑧_2-2層，抗突涌驗算時層頂標高取?48.49 m，水位取標高?3.36 m。針對⑨₁層，抗突涌驗算時層頂標高取?62.88 m，水位取標高?6.77 m。具體計算結(jié)果如表1、表2所示。

根據(jù)表1、表2計算結(jié)果，主體基坑需要降⑦₂層水位以及⑧_2-2層水位。主體基坑淺部⑤₂層微承壓含水層開挖期間已揭露，水位需降至坑底下1 m左右，以疏干為主。

2.2 降承壓水設(shè)計思路

2.2.1 主要工程降水風險

（1）基坑底板存在突涌風險。根據(jù)驗算，該工程主體基坑開挖深度較大，⑦₂層、⑧_2-2層承壓含水層對基坑開挖造成較大影響，基坑底板存在突涌風險，需對該兩層進行降壓處理。

（2）減壓降水將對周邊環(huán)境造成不利影響。主體基坑圍護體系墻址插入⑧_2-2層層頂，未隔斷⑧_2-2層承壓含水層，針對⑧_2-2層減壓降水屬于敞開式、懸掛式相結(jié)合降水方式，抽取承壓水對周邊環(huán)境將產(chǎn)生一定影響，該工程周邊建筑密集，地下管線眾多，周邊環(huán)境極其復雜，因此抽取承壓水問題務(wù)必慎重。

2.2.2 應對上述風險采取的措施

根據(jù)該工程實際情況，結(jié)合該區(qū)域地下水處理經(jīng)驗，為解決該降水工程中難點最終采取了下列措施：

（1）按照“分層降壓”原則，根據(jù)具體需要對⑦₂層、⑧_2-2層承壓水采用深井方式進行降水^[3]。

（2）根據(jù)⑦₂層承壓含水層實際情況，在基坑內(nèi)外單獨布置水位觀測井為降水運行提供依據(jù)。由于圍護深度未深入至⑧_2-2層中，針對⑧_2-2層減壓降水屬于敞開式降水，對周邊環(huán)境將產(chǎn)生一定的影響；根據(jù)抽水試驗數(shù)據(jù)，⑦₂層、⑧_2-2層之間存在一定的水力連續(xù)，針對以上兩層，計劃以上部的⑦₂層為主抽水層，必要時再開啟下部⑧_2-2層降壓井以進一步降低⑧_2-2層水位。

（3）由監(jiān)測單位在坑外針對不同的含水層設(shè)置水位觀測井，及時掌握坑內(nèi)抽水坑外水位變化情況。

（4）施工現(xiàn)場需配備兩路工業(yè)用電或自啟動備用電源，避免后期減壓降水時斷電風險，正式減壓降水運行前需進行備用電源切換演練。

2.3 降壓井設(shè)計

根據(jù)抗突涌穩(wěn)定性驗算，結(jié)合開挖深度及基坑圍護深度，該工程主體基坑需布置⑦₂層、⑧_2-2層降壓井。

主體基坑需考慮對⑦₂層進行降壓處理，主體基坑圍護深度已將⑦₂層完全隔斷，理論上坑內(nèi)降⑦₂層水位對坑外環(huán)境影響可忽略不計。在被圍護結(jié)構(gòu)隔斷處基坑內(nèi)每50 m間隔布置一口井點?？紤]在坑內(nèi)軸4～軸20區(qū)段布設(shè)5口⑦₂層降壓井、2口⑦₂層備用兼觀測井，井號Y7-1～Y7-5，YG7-1～YG7-2，井深51 m。

根據(jù)已有的專項抽水試驗成果可知，坑內(nèi)⑦₂層、⑧_2-2層之間存在水力聯(lián)系，在⑧_2-2層布置5口觀測井，井號分別為YG8-1～YG8-5，井深60 m。

天山路站主體基坑計算，需考慮降低⑦₂、⑧_2-2層水位，針對該兩層建立降水的物理模型和數(shù)值分析模型。在此基礎(chǔ)上，進行滲流分析和設(shè)計計算，進而判斷井結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，同時預判降水對周邊的影響，最終制定有效、合理的基坑降水方案。

根據(jù)以下三維非穩(wěn)定地下水滲流的數(shù)學模型建立工程場區(qū)的水文地質(zhì)概念模型。

經(jīng)計算，基坑內(nèi)⑦₂層水位降深滿足設(shè)計要求時，具體水位降深等值線圖如圖2、圖3所示。

基坑西側(cè)新古北泵站下部⑦₂層水位降深1.8 m，基坑東側(cè)建筑群下部⑦₂層水位降深1.3 m，基坑南側(cè)地鐵2號線區(qū)間段下部⑦₂層水位降深1 m，基坑西側(cè)古北路第一幼兒園下部⑦₂層水位降深1.3 m，基坑西北側(cè)天山路39號（釘子戶）下部⑦₂層水位降深1.3 m。

基坑西側(cè)新古北泵站下部⑧_2-2層水位下降2.8 m，基坑東側(cè)建筑群下部⑧_2-2層水位最大降深1.7 m，基坑南側(cè)地鐵2號線區(qū)間段下部⑧_2-2層水位降深1.1 m，基坑西側(cè)古北路第一幼兒園下部⑧_2-2層水位下降1.5 m，基坑西北側(cè)天山路39號下部⑧_2-2層水位下降1.5 m。

2.4 坑外觀測井設(shè)計

該工程針對⑤₂層、⑦₂層的降壓處于隔斷狀態(tài)下進行，坑內(nèi)降水對周邊環(huán)境的影響取決于止水帷幕的止水效果，如止水帷幕存在滲漏，坑內(nèi)降水可能引起基坑水位差，造成基坑外側(cè)沉降^[4]。

針對⑤²層，在東側(cè)小區(qū)一邊設(shè)置1口水位觀測井，井號為G5-1，井深36 m；

針對⑦₂層，在基坑周邊共計布置6口水位觀測兼回灌井，井號為G7-1～G7-6，井深51 m；

針對⑧_2-2層，于坑外布置4口坑外觀測兼回灌井，井號為G8-1～G8-4，井深60 m。具體工作量如表3所示。

3 減壓降水引起的地面沉降預測與控制

3.1 降水后地面沉降預測

3.1.1 降水導致沉降的計算原理

該計算主要考慮主固結(jié)沉降，按照分層總和法進行^[5]。

因地下水下降引起的土層附加荷載：

?P=γ_w（h₁?h₂） （6）

式中，h₁——降水前土層的水頭高度（m）；h₂——水位下降后的水頭高度（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——修正系數(shù)；U——土的固結(jié)度；S_i——第i層的附加沉降量（m）；?P_i——第i層降水引起的附加荷載（kPa）；E_i——第i層的壓縮模量（kPa）；H_i——第i土層厚度（m）。

以上公式中的E_i，對于砂土，應為壓縮模量；對于黏土和粉土，按下式計算：

式中，e₀——土層的原始孔隙比；a_v——土層的體積壓縮系數(shù)（MPa^?1）。

3.1.2 降壓誘發(fā)沉降預測結(jié)果

通過模型計算，基坑西側(cè)新古北泵站地面沉降約11 mm，基坑東側(cè)建筑群地面沉降約8 mm，基坑南側(cè)地鐵2號線區(qū)間段地面沉降約6 mm，基坑西側(cè)古北路第一幼兒園地面沉降約8 mm，基坑西北側(cè)天山路39號（釘子戶）地面沉降約8 mm，沉降預測等值線圖如圖4所示。

圖4 基坑減壓降水引發(fā)沉降等值線圖（mm）

3.2 地面沉降風險控制

（1）適時對地下管道線纜、臨近建構(gòu)筑物、馬路、地下隧道、地下連續(xù)墻等進行監(jiān)測。根據(jù)需要布置沉降觀測點，實施過程中根據(jù)規(guī)范要求及實際情況確定監(jiān)測頻次，實時計量沉降速率及累積沉降量。如出現(xiàn)異常，立即暫停抽排水工作，分析判斷出現(xiàn)異常的原因并制定規(guī)避措施。

（2）建議在挖土過程中，減少抽水時間，減少降水對周邊環(huán)境的影響，臨近建、構(gòu)筑物和地下管線一側(cè)的減壓井盡量縮短^[6]。

（3）在基坑開挖全過程中，為確?；臃€(wěn)定性，需嚴密制定降水方案，有效控制承壓水頭，避免承壓水頭過大降低，造成嚴重后果。

（4）降水井施工完成后，需要根據(jù)初步方案開展試運行，收集并分析試運行的數(shù)據(jù)，制定合理的降壓降水運行方案。

（5）驗證圍護體隔水性，降水井完成后及時抽水^[7]。

（6）基坑施工過程中，如上部地下連續(xù)墻發(fā)生滲漏，及時采取封堵措施，避免基坑外側(cè)土體沉降^[8]。

4 方案實施

4.1 施工流程

井位定位→成孔→下井管→回填黃砂→回填濾料、黏土球及封填黏土→洗井→試抽→抽水試驗→隨挖土進程→抽水降壓（同時回灌）→封井→退場。

4.2 基坑開挖與降水運行措施

該工程在成井結(jié)束后在⑦₂層降壓井下了流量為6方/h的潛水泵進行了試抽，試抽時流量為4.5方/h，動水位基本在46 m以下。

在基坑開挖過程中為減小對基坑周邊環(huán)境的影響，降壓井水位控制按照1.0安全系數(shù)進行控制，按照“分層降壓”原則，對⑦₂層、⑧_2-2層承壓水采用深井降水，在承壓水抽水過程中，利用坑外降壓觀測井進行回灌，現(xiàn)場管理人員和工人24 h值班，觀測井內(nèi)裝有智能化水位監(jiān)測系統(tǒng)密切關(guān)注降壓井水位變化情況，確保承壓水頭在安全警戒水位以下，同時現(xiàn)場配備備用發(fā)電機，以防停電造成降壓井停抽，最終保證基坑安全及施工順利進行。

4.3 封井

經(jīng)過計算并報設(shè)計人員復核后對降壓井進行井內(nèi)注漿封井，封井強度達到后割出井管，最后在管口焊接2道6 mm鐵板，鐵板焊接位置應設(shè)置在低于井口5 cm以下。

5 結(jié)束語

該工程基坑開挖深度較深，東側(cè)的長建公寓、西側(cè)的新古北泵站及改遷變電房均為重點保護對象，環(huán)境相對復雜。施工過程中通過控制承壓水，適當減小承壓水控制安全系數(shù)，有效降低了地下水位，減小了基坑發(fā)生突涌的風險，同時確保基坑周邊環(huán)境變化變形量均符合規(guī)范要求。

該工程針對承壓水的控制技術(shù)為上海市類似超深基坑工程降水積累了試驗數(shù)據(jù)，檢驗了措施的有效性，值得推廣和應用。

參考文獻

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收稿日期：2023-09-21

作者簡介：陳良平（1974—），男，本科，高級工程師，研究方向：地下巖土工程領(lǐng)域。