機(jī)場樞紐近磁浮區(qū)域超深基坑地下水控制技術(shù)

張 寧

[上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著上海城市地下空間建設(shè)的飛速發(fā)展，基坑開挖越來越深，周邊環(huán)境越來越敏感，基坑開挖涉及的承壓含水層越來越多。這些含水層構(gòu)成了一個厚度大、滲透性差異明顯的復(fù)合承壓含水層組。如何綜合有效管控超深基坑中出現(xiàn)的復(fù)合承壓含水層組，已成為上海地區(qū)超深基坑明挖建設(shè)中必須解決的一個關(guān)鍵技術(shù)問題。很多情況下，承壓含水層無法完全隔斷或經(jīng)濟(jì)上不具有可能性，例如在上海⑦層與⑨層連通區(qū)域和⑤2與⑦層連通區(qū)域，含水層深達(dá)百米以上，此時采用單一的降水管井方案已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能達(dá)到基坑安全施工的目標(biāo)，創(chuàng)新應(yīng)用圍護(hù)+ 降水綜合設(shè)計(jì)的理念，綜合地進(jìn)行復(fù)合承壓含水層組的管控，既能滿足基坑開挖要求，又能達(dá)到周邊環(huán)境保護(hù)的目的。

1 工程概況

機(jī)場聯(lián)絡(luò)線浦東機(jī)場站位于T1 航站樓與T2 航站樓之間，即上海浦東機(jī)場的交通主干道—迎賓大道的正下方。車站為城際列車和市域列車共線?？空?，是地下二層單島加越行站，主體長557m，寬35 m，總建筑面積達(dá)約4.6 萬m2，見圖1。北側(cè)為景觀水池，南側(cè)為在建旅客過夜用房，西側(cè)為P1 停車庫，東側(cè)為磁浮及軌交二號線。車站范圍內(nèi)存在大量涉及機(jī)場運(yùn)營的重要管線，車站上方還有三座人行連廊、空港賓館上匝道、長途客運(yùn)站需進(jìn)行拆除，周邊環(huán)境非常復(fù)雜，同時項(xiàng)目施工期間需保證機(jī)場運(yùn)營需求，機(jī)場不停航施工要求高。

圖1 浦東機(jī)場站平面示意圖

浦東機(jī)場站車站主體劃分為3 個基坑（一區(qū)、二區(qū)、三區(qū)），采用地墻+明挖支撐的圍護(hù)體系。在機(jī)場核心區(qū)實(shí)施深基坑，施工難度大，車站主體結(jié)構(gòu)與磁懸浮樁基礎(chǔ)距離僅為26.5 m，對周邊環(huán)境保護(hù)要求也極高，磁浮公司對項(xiàng)目基坑施工要求：“樁基處水位降幅不得大于1.0 m”。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)概況

根據(jù)項(xiàng)目勘察報(bào)告，基坑最大鉆探深度為85.0 m，場地北端為正常沉積區(qū)（靠一區(qū)區(qū)域），南端為古河道沉積區(qū)（靠二區(qū)區(qū)域），在現(xiàn)場勘探深度范圍內(nèi)，從上到下可以分為為六個大層以及若干亞層。底板以上土層為①1層填土層、②3層灰色黏質(zhì)粉土、③層灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③T層灰色砂質(zhì)粉土、④層灰色淤泥質(zhì)黏土，底板及底以下土層為⑤1層灰色黏土、⑤3-1層灰色黏土、⑤3-3層灰色粉質(zhì)黏土夾粉土、⑦2層粉砂、⑨層粉砂。

2.2 水文地質(zhì)概況

擬建場地揭露的地下水分為賦存于淺部土層中的潛水以及⑦層和⑨層的承壓水。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，淺層潛水年平均高水位埋深0.5 m，年平均低水位埋深為1.5 m。承壓含水層主要有⑦1層黏質(zhì)粉土、⑦2層粉砂、⑨1層粉砂和⑨2層礫砂層，⑦層的承壓穩(wěn)定水位平均埋深6.68 m。

一區(qū)、三區(qū)地墻墻趾位于⑦2層粉砂，二區(qū)地墻墻趾位于⑤3-1層粉質(zhì)黏土。本工程地層受古河道切割影響，南北向地質(zhì)條件起伏大。淺層②3、③T砂性土較厚，約7 m。④層淤泥質(zhì)土厚且深，層底埋深約19.5～22.5 m。⑥、⑧層缺失，承壓水⑦、⑨層聯(lián)通。地質(zhì)縱剖面見圖2。

圖2 地質(zhì)縱剖面圖

2.3 地質(zhì)與水文特點(diǎn)分析

（1）淺部分布厚約4.5 m 的②3層黏質(zhì)粉土和1.8 m 厚的③T層砂質(zhì)粉土，在動水作用下易發(fā)生流砂，需進(jìn)行疏干降水處理。

（2）⑤3-1層粉質(zhì)黏土分布在二區(qū)和三區(qū)，受古河道切割影響，由北往南該層厚度由0 m 增大至32 m；⑤4層粉質(zhì)黏土僅局部呈透鏡體分布，厚度約3 m；在基坑南段分布⑤3-3層粉質(zhì)黏土夾粉土，與下伏⑦2層粉砂直接連通。

（3）其下分布⑦1層黏質(zhì)粉土和⑦2層粉砂，為第一承壓含水層。⑦1層僅在一區(qū)分布，厚約2.8 m；⑦2層粉砂層由北往南埋深變大，含水層組厚度超過30 m；該層在約66～75 m 范圍分布⑦2T-2層粉砂夾粉質(zhì)黏土夾層，滲透性相對較小。

（4）其下分布第⑨層粉細(xì)砂層，⑦層、⑨層連通。⑨層底下分布第⑩層粉質(zhì)黏土隔水層。根據(jù)地質(zhì)縱剖面圖，基坑底部落在⑤1層粉質(zhì)黏土，圍護(hù)墻趾則插入⑦2層粉砂層，未隔斷承壓含水層。

（5）古河道區(qū)⑤3-1層弱透水層厚度變化極大，由北往南厚度由約0 m 增大到約32 m，使得下伏⑦層承壓水起伏很大，層頂埋深由約30 m 變化到約63 m，使得坑內(nèi)降深幅度差異較大。

（6）結(jié)合以上考慮，針對性的進(jìn)行圍護(hù)+ 降水方案綜合設(shè)計(jì)，綜合進(jìn)行復(fù)合承壓含水層的管控。

3 圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

浦東機(jī)場站本體的支護(hù)形式為厚1000 mm 地墻(局部落深部位1200 mm），與內(nèi)襯墻按照疊合墻設(shè)計(jì)，見圖3、圖4。

圖3 地下連續(xù)墻平面示意圖

圖4 地下連續(xù)墻剖面示意圖

車站本體基坑選擇明挖法，土方開挖流程為順做法，基坑平均深度23～26 m，沿基坑深度方向設(shè)置六道支撐（端頭井設(shè)置七道支撐），基坑內(nèi)設(shè)兩道封堵墻。先實(shí)施北側(cè)一區(qū)基坑和南側(cè)二區(qū)基坑，再實(shí)施中間三區(qū)基坑。其中一區(qū)、三區(qū)和封堵墻地下連續(xù)墻采用套銑接頭，二區(qū)為十字鋼板接頭，墻縫均采用RJP 止水。

地墻作為隔水帷幕，主要作用是隔斷基坑內(nèi)外的地下水聯(lián)系或者增加基坑內(nèi)外地下水繞流的路徑。為此，地墻深需要滿足隔斷坑內(nèi)外潛水及承壓水聯(lián)系的要求，或進(jìn)入隔水層足夠深度以形成可靠的隔水邊界。本工程承壓水⑦、⑨層聯(lián)通，滿足隔水要求的地下連續(xù)墻深度需遠(yuǎn)大于基坑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算要求的入土深度，將極大增加建設(shè)成本，綜合多方面考慮，一區(qū)和三區(qū)地墻底部分別設(shè)置構(gòu)造段,即通過增加隔水帷幕長度達(dá)到滿足隔水深度要求的目的。

4 降水控制設(shè)計(jì)

4.1 初步方案

（1）設(shè)置疏干井降低基坑內(nèi)的潛水

本工程坑內(nèi)加固較多，基本將淤泥質(zhì)土置換，故車站基坑的降水井單個抽水面積選擇上取280 m2。考慮水力降落漏斗的存在，疏干井一般深入至基坑開挖底面以下6 m 左右，井深為30 m，其中一區(qū)因⑦層埋深較淺，為確保疏干井不揭穿承壓水，井底于⑦層頂保持3 m 以上距離，井深為27 m。

（2）設(shè)置降壓井降低承壓含水層水頭，滿足抗突涌需求

本次基坑減壓降水采用懸掛式隔水帷幕+ 降水一體化設(shè)計(jì)，一區(qū)止水帷幕東側(cè)75 m、西側(cè)65 m，降水井深為42 m，濾管深度為32～41 m；靠近三區(qū)井深47 m，濾管深度為37～46 m；三區(qū)止水帷幕東側(cè)65 m、西側(cè)60 m，靠近一區(qū)降水井深為47 m，濾管深度為37～46 m；三區(qū)中部區(qū)域井深50 m，濾管深度為37～46 m。三區(qū)近二區(qū)處及二區(qū)范圍內(nèi)不布置降壓井,見表1 及圖5。

表1 降水井工作量統(tǒng)計(jì)表

圖5 承壓水降水井平面示意圖

（3）采用地下水綜合控制技術(shù)，控制和減小坑外降深和沉降，保護(hù)環(huán)境

坑內(nèi)降壓井根據(jù)基坑開挖實(shí)施按需降水（見圖6）。因東側(cè)磁懸浮沉降控制要求極高，需控制坑外水位降深小于1 m，主要于一區(qū)和三區(qū)北側(cè)坑外東側(cè)靠近磁懸浮一側(cè)布設(shè)回灌井（見圖7）?；毓嗑嚯x基坑和磁浮約10 m，為增提高回灌效果以更好地控制沉降變形，并考慮回灌水部分進(jìn)入坑內(nèi)對坑內(nèi)降水的影響，回灌井濾管深度設(shè)計(jì)為50 m 與60 m 交錯布置，主要考慮對⑦層進(jìn)行回灌?；毓嗑g距按照15 m布置，共布置回灌井21 口及6 口觀測井。

圖6 坑內(nèi)承壓水降水井剖面示意圖

圖7 坑外回灌井及承壓水觀測井剖面示意圖

4.3 抽水試驗(yàn)及分析

（1）基坑開挖前需進(jìn)行抽水試驗(yàn)，現(xiàn)以一區(qū)抽水試驗(yàn)進(jìn)行分析，見表2 和圖8～圖11。

表2 抽水試驗(yàn)過程

圖8 單井試驗(yàn)期間坑內(nèi)及坑外觀測井水位埋深曲線

圖9 群井試驗(yàn)期間坑內(nèi)及坑外觀測井水位埋深曲線

圖10 抽灌試驗(yàn)各抽水井流量變化及回灌總流量變化曲線

圖11 抽灌試驗(yàn)坑內(nèi)及坑外水位埋深曲線

（2）抽水試驗(yàn)結(jié)論分析

a. 坑內(nèi)開1Y3 單井抽水，流量12.3 m3/h，坑內(nèi)降壓觀測井水位降至埋深14.49 m，降深6.51 m，坑外水位降深0.13 m。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)合規(guī)范中有關(guān)計(jì)算公式應(yīng)用Aquifer Test 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行水文地質(zhì)參數(shù)的計(jì)算，見表3。

表3 ⑦2 層承壓水含水層水文地質(zhì)參數(shù)

b. 坑內(nèi)開啟1Y1、1Y5、1Y8 三口井抽水，總流量19 m3/h，坑內(nèi)水位降至埋深22.13～22.77 m，此水位滿足基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖至底時⑦2層水位控制要求。

c. 坑內(nèi)開啟1Y1、1Y3、1Y5、1Y8 四口井抽水，總流量28.5 m3/h，坑內(nèi)水位降至埋深23.60～24.11 m，降深13.52～14.31 m，此水位滿足基坑端頭井開挖至底時⑦2層水位控制要求。此時坑外水位降深0.31～0.55 m，坑內(nèi)外降深比約25～30∶1，坑內(nèi)降水對坑外水位影響較小，對磁浮側(cè)的降深影響在控制要求的1 m 以內(nèi)。

d. 停抽后基坑內(nèi)承壓水位恢復(fù)速率較慢，停抽30 min 恢復(fù)8%，1 h 恢復(fù)12%，24 h 仍未恢復(fù)至初始值。

e. 承壓水位滿足控制要求的基坑涌水量較小，坑內(nèi)降壓對坑外影響較小，停抽后坑內(nèi)水位恢復(fù)緩慢，說明試驗(yàn)期間圍護(hù)止水效果良好，且⑦2層垂向滲透性較差，坑內(nèi)降壓時接受的補(bǔ)給較少。

f. 根據(jù)長期抽灌試驗(yàn)，坑內(nèi)開啟7 口井，總流量13 m3/h 可維持水位埋深24 m 左右，可以滿足水位控制要求，滿足基坑開挖要求。坑內(nèi)水位保持基本穩(wěn)定時，坑外回灌總流量6～8 m3/h，東側(cè)（回灌側(cè)）水位上升約0.5～0.9 m，西側(cè)（無回灌側(cè)）水位下降0.42～0.50 m?；毓嘈Ч己?，可確?；毓鄥^(qū)坑外水位控制要求。

5 地下水運(yùn)行管控

5.1 疏干運(yùn)行管控

（1）基坑開挖前20 d，首先進(jìn)行坑內(nèi)疏干，對降水井采取抽真空加負(fù)壓方式，此外，在基坑開挖階段，應(yīng)維持連續(xù)不斷進(jìn)行抽水，使得開挖階段的地下水位始終低于開挖面0.5～1.0 m。

（2）坑外潛水位觀察孔布置完成并取得初值后，疏干井方可進(jìn)行正式抽水。疏干降水井需24 h 持續(xù)不斷運(yùn)行。

（3）每臺真空泵可滿足3 口降水井的負(fù)壓運(yùn)轉(zhuǎn)，潛水泵則按按每口井1 臺配置，即采用真空泵抽氣和潛水泵抽水聯(lián)合的方法來降低潛水水位。兩種類型泵同時運(yùn)轉(zhuǎn)，在真空泵的井管與吸氣管連接處安裝真空壓力表進(jìn)行監(jiān)測。井管內(nèi)的真空壓力應(yīng)不小于0.065 MPa。

5.2 減壓降水運(yùn)行管控

（1）針對減壓降水，為最大程度減少基坑降水對周圍環(huán)境以及周邊市政設(shè)施、構(gòu)筑物的影響，必須按需降水。

（2）根據(jù)計(jì)算結(jié)算，當(dāng)土方開挖至臨界標(biāo)高時，開始對降壓井進(jìn)行抽水，同時，開始對觀測井的承壓水位標(biāo)高進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測。詳細(xì)減壓降水工況經(jīng)降水試驗(yàn)驗(yàn)證，本工程按表4 進(jìn)行。

表4 承壓水水位控制工況表

式中：F 為基坑開挖抗突涌安全系數(shù)，不小于1.1 時，開挖穩(wěn)定性滿足要求；H 為承壓含水層頂板埋深，一區(qū)取41 m，三區(qū)取51 m；rs為底板至承壓水層頂板間土層加權(quán)平均重度，取18 kN/m3；rw為地下水重度，取10 kN/m3。

（3）減壓降水運(yùn)行時，應(yīng)配置單獨(dú)的動力電纜線，宜配置雙路電源供電保證減壓降水運(yùn)行正常。

5.3 回灌運(yùn)行管控

（1）針對回灌水的水質(zhì)，首先要干凈無污染，pH值控制在6.5 至7.5 區(qū)間。同時，回灌水源的亞鐵和錳的含量應(yīng)當(dāng)予以控制，防止回灌過程中接觸氧發(fā)生氧化形成懸浮物堵塞濾孔和反濾層?；毓嘣匆部刹捎锰幚磉^的原水（抽水井內(nèi)抽出的地下水）或自來水。

（2）本工程回灌井布置位置因距離地墻較近，因此不采取加壓措施以免對圍護(hù)止水效果產(chǎn)生影響。

（3）坑外地下水回灌階段，需要每隔一段時間進(jìn)行回抽，主要作用是抽出回灌階段產(chǎn)生的顆粒物以及空氣等，防止管井阻塞，以保障回灌的可持續(xù)性。

（4）回灌時，需要時刻觀察坑內(nèi)深層承壓水位的變化情況，使坑內(nèi)降水與坑外回灌保持動態(tài)的平衡?；毓嗑畣訔l件應(yīng)根據(jù)周邊環(huán)境復(fù)雜程度以及周邊環(huán)境受地下水位下降程度影響程度而確定。

6 結(jié)果分析

在基坑承壓水降水期間，同步觀測了周邊不同距離處承壓水觀測井的水位數(shù)據(jù)。

在基坑開挖標(biāo)準(zhǔn)段坑底（坑深23 m）時，坑內(nèi)降壓井總出水量約15 m3/h，標(biāo)準(zhǔn)段安全水位埋深約18 m?；娱_挖端頭落深坑底（坑深26 m）時，坑內(nèi)降壓井總出水量約22 m3/h，端頭落深段安全水位埋深約23 m。磁浮側(cè)回灌井每日回灌量約70 m3，水位降深控制在0.5～0.9 m，滿足磁浮公司要求，見圖12～圖14。

圖12 坑內(nèi)降壓井承壓水水位降深曲線圖

圖13 磁浮側(cè)回灌觀測井水位及總回灌量

圖14 磁浮支墩監(jiān)測點(diǎn)沉降量累計(jì)變化曲線

目前基坑已完成結(jié)構(gòu)回筑，期間同步進(jìn)行了周邊環(huán)境變形監(jiān)測，周邊既有建構(gòu)筑物及磁浮支墩沉降沉降均滿足保護(hù)要求。

7 結(jié)語

機(jī)場樞紐核心區(qū)近磁浮范圍實(shí)施深基坑，降水施工在基坑開挖施工中扮演著非常重要的角色，尤其對于對于基坑進(jìn)度和安全具有至關(guān)重要的作用。針對上海地區(qū)第一承壓含水層，超深隔水帷幕存在施工技術(shù)難度大、造價高，施工完成后還需進(jìn)行可靠性隔水帷幕質(zhì)量檢測等一系列問題，項(xiàng)目在隔水帷幕施工工藝的設(shè)計(jì)選擇上，綜合考慮基坑規(guī)模、承壓水降壓幅度要求、周邊環(huán)境保護(hù)等級等因素，創(chuàng)新性采用圍護(hù)+ 降水綜合設(shè)計(jì)，兼顧了基坑安全性和經(jīng)濟(jì)性，利用懸掛式隔水帷幕及基坑承壓降水抽灌一體化方案，最大程度上減輕了抽取地下水對基坑周邊重要設(shè)施的不利影響，也為今后類似包含復(fù)合含水層的深基坑項(xiàng)目施工提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。