章 超 徐 磊

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

隨著城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，現(xiàn)有的基坑正向超大、超深的趨勢發(fā)展。隨著基坑工程的規(guī)模越來越大，其面臨的承壓水控制成為決定基坑成敗的一個重要因素，承壓水對基坑工程的影響不容忽視[1]。

承壓水介于上下2個隔水層之間，具有較大的水壓力。隨著基坑開挖深度的不斷增加，當(dāng)承壓水層上部所承受的覆土質(zhì)量小于承壓水壓力時，將造成坑底水浮力和土壓力的失衡，在承壓水壓力作用下導(dǎo)致基坑底部土體突涌，使基坑結(jié)構(gòu)體系失效，繼而引發(fā)重大安全事故[2]。因此，需采取承壓水的降壓措施，但承壓水降水時又會引起深基坑周圍環(huán)境的變形[3-6]。深基坑施工中，對安全、環(huán)境等危害最大的因素是基坑支護(hù)體系的失效，大量的基坑安全事故都和地下水的控制有關(guān)[7]。

目前對于基坑工程中的承壓水問題，通常采用截水帷幕對承壓水進(jìn)行隔斷。但上海地區(qū)地下存在多層承壓含水層，且各承壓含水層之間存在水力聯(lián)系，無法隔斷，因此需采取增加地下連續(xù)墻深度、增加繞流路徑等方式來保證承壓水的穩(wěn)定性。目前城市中存在大量的地下室改建工程，在拔樁施工時需采取相應(yīng)的有效措施以降低基坑降水的風(fēng)險[8-9]。

上海市靜安區(qū)閘北廣場項(xiàng)目采用了降水井、高壓旋噴樁隔斷以及灌注大密度泥漿相結(jié)合的組合式承壓水控制技術(shù)，取得了良好的地下水處理效果。

1 工程概況

上海市靜安區(qū)閘北廣場項(xiàng)目位于上海市靜安區(qū)天目西路，西側(cè)建筑與本項(xiàng)目僅一墻之隔，北側(cè)地下煤氣管線距離項(xiàng)目圍墻僅2 m，西側(cè)有高壓電纜在紅線范圍以內(nèi)穿過。本項(xiàng)目基坑面積約為8 204 m2，大面積開挖深度為15.7～17.5 m，局部深坑開挖深度為20.5 m?；右黄诜秶鷥?nèi)存在既有地下結(jié)構(gòu)需要拆除，其中既有地下室底板厚度為1.9～2.3 m，局部達(dá)到4 m。

本項(xiàng)目擬建場地135 m深度范圍內(nèi)地層均為第四系松散沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成。

擬建場地淺部地下水屬于潛水類型，主要補(bǔ)給來源為大氣降水和地表水。淺部土層潛水水位埋深為0.6～1.5 m，平均水位埋深1.06 m，相應(yīng)水位標(biāo)高為1.66～2.42 m，平均水位標(biāo)高為2.04 m，潛水水位受降雨、地表水和蒸發(fā)的影響而發(fā)生變化。

擬建場地分布有⑦1層粉性土，是上海地區(qū)第一承壓水層，承壓水位埋深一般為3～12 m。

2 組合式承壓水控制施工技術(shù)

2.1 潛水含水層降水井布設(shè)

因原地下室地板埋深10 m左右，已揭穿第②3-2砂質(zhì)粉土含水層，所以在大底板鑿除及工程樁施工前需將水頭降到大底板1.0 m以下。

根據(jù)地質(zhì)水文情況及實(shí)際工況，對整個基坑按每200 m2布1口輔助降水井，則整個基坑共布置真空疏干井39口。降水井采用多級濾水管加真空的措施，以確保每口井的出水量。真空深井孔徑為650 mm，井管過濾器為圓孔過濾器，外包濾網(wǎng)，管外回填濾料。

2.2 承壓含水層降水管井分析

2.2.1 基坑底板穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)上海市DG/T J08-61—2010《基坑工程技術(shù)規(guī)范》，基坑底板的穩(wěn)定條件為基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應(yīng)大于承壓水的頂托力。

本項(xiàng)目工程樁在原地下室底板上施工，且工程樁深度已揭穿第⑦層承壓含水層，即需將第⑦層承壓水降到原地下室底板以下1 m左右或直接疏干。本項(xiàng)目工程樁深度（自然地面以下64.96 m）沒有揭穿第⑨層承壓含水層，同時工程樁成孔施工過程有泥漿護(hù)壁，泥漿相對密度取1.125（上海地區(qū)泥漿相對密度一般為1.05～1.20），土體重度取18.4 kN/m3，承壓水水頭埋深3.0～11.0 m，取最不利3.0 m，安全系數(shù)取1.05。

經(jīng)計(jì)算，土壓力為688.54 kPa，水浮力為683.4 kPa。根據(jù)上述計(jì)算，本項(xiàng)目工程樁成孔施工時的土壓力大于水浮力，不會造成第⑨層承壓含水層突涌。

2.2.2 降水井布設(shè)

根據(jù)水文參數(shù)，在整個基坑中布設(shè)7口降壓輔助降水井（含2口觀測備用井）。根據(jù)模擬結(jié)果，布設(shè)的輔助降水井能夠滿足需降水頭要求。

同時，為加強(qiáng)坑外水位觀測，檢驗(yàn)圍護(hù)封閉效果，在坑外布設(shè)21口觀測應(yīng)急回灌井，必要時采取回灌措施。降水井孔徑為650 mm，井管過濾器為圓孔過濾器，外包濾網(wǎng)，管外回填濾料。

2.3 地下連續(xù)墻隔斷

地下連續(xù)墻是軟土深基坑工程中常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的剛度和較高的承載力，并具有連續(xù)分布的特征，在隔水抗?jié)B方面具有無可比擬的優(yōu)勢。經(jīng)綜合比選，本工程支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇采用地下連續(xù)墻的方案。

工程原為2層地下室，改造后具有3層地下室，需要在原位進(jìn)行向下空間的加層拓展，由此帶來了原有地下連續(xù)墻不滿足圍護(hù)設(shè)計(jì)要求的問題，必須進(jìn)行加固處理。此時有2個方案可供選擇：

1）增加原有地下連續(xù)墻的深度、配筋，以滿足設(shè)計(jì)要求，但在實(shí)際實(shí)施過程中會帶來極高的難度以及巨大的經(jīng)濟(jì)投入。

2）根據(jù)新的建筑平面布局設(shè)計(jì)，在新的地下室外圍施工新的地下連續(xù)墻，但這樣會帶來地下連續(xù)墻施工穿越原有基礎(chǔ)底板、地下室外墻的難題。

比較上述2個方案，認(rèn)為方案二的可行性更高，因此在實(shí)際實(shí)施中選用方案二。新增地下連續(xù)墻的深度根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算、地下承壓水控制計(jì)算的結(jié)果綜合確定。

3 基坑降水?dāng)?shù)值模擬

依據(jù)地層分布及各土層參數(shù)情況，考慮到承壓水降水期間對周邊環(huán)境的影響程度，確定了盡可能減小降水影響半徑的方案。以此為基礎(chǔ)，建立用于承壓水降水分析的三維降水?dāng)?shù)值模擬模型，主要考慮以下幾方面的因素：

1）含水層的結(jié)構(gòu)特征。本項(xiàng)目地下存在大量既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)、隔水體系，實(shí)際地質(zhì)條件復(fù)雜，因此在三維降水?dāng)?shù)值模擬模型中對各地層的水文地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行簡化。經(jīng)過簡化，將地下土層的基坑降水三維模型分為上部弱透水層和下部承壓含水層。

2）地下水水力特征?；谫|(zhì)能守恒定律和達(dá)西定律進(jìn)行力學(xué)分析，且在分析方程中需要考慮地下水的流量交換規(guī)律、承壓水垂直層間的滲流、地下土層系統(tǒng)的非均質(zhì)性。經(jīng)過綜合考慮，將該基坑降水三維立體模型中的水文參數(shù)簡化成水平方向各向同性。在實(shí)際分析模擬中，采用的基坑降水三維模型具有各土層豎向分層的非均質(zhì)性、水平各向物理參數(shù)均勻的特性。

3）模擬分析時長。根據(jù)施工工況布置，主要考慮地下灌注樁清除、新灌注樁施工、基礎(chǔ)底板鑿除、基坑工程開挖以及地下結(jié)構(gòu)施工等關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本工程三維降水?dāng)?shù)值模型的模擬時長取270 d，單位最小計(jì)算步長取1 d。在承壓水?dāng)?shù)值模擬全過程中，為保持計(jì)算結(jié)果的一致，采取承壓水滲流的外部流入、流出參數(shù)不變。

4）網(wǎng)格劃分。建立整體有限單元法模型后，需對實(shí)體進(jìn)行精細(xì)化劃分，形成滿足工程要求的計(jì)算精度控制標(biāo)準(zhǔn)。在閘北廣場項(xiàng)目地下改造工程中，考慮第⑦承壓含水層的上述土層實(shí)體結(jié)構(gòu)、地下水水力特征、地質(zhì)邊界條件等因素，對基坑降水三維模型進(jìn)行精細(xì)化網(wǎng)格劃分，按基坑土體單元的最大長邊長度不大于1 m進(jìn)行單元加密，形成的分析模型單元總數(shù)為90 000個。

5）水頭高度處理。承壓水降水期間水頭高度將隨時間變化。為進(jìn)行承壓水降壓的長周期計(jì)算分析，需要動態(tài)調(diào)整坑外承壓水水頭高度及坑內(nèi)承壓水水位，這是模擬分析的一個難點(diǎn)。為便于計(jì)算分析的順利進(jìn)行，對主要的水力參數(shù)進(jìn)行簡化處理：其一，在全過程中不考慮由于水文地質(zhì)變化、季節(jié)性變化造成的承壓水水頭的高度變化，將坑外承壓水水頭確定為固定高度；其二，采用上述的各土層豎向分層的非均質(zhì)性、水平各向物理參數(shù)均勻的假定，每個開挖工況的降壓井平均抽水量不變；其三，在不同開挖工況下，坑內(nèi)水位保持在開挖面以下1 m。隔水邊界三維模型如圖1所示。

圖1 隔水邊界三維模型

6）基坑降水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測。在基坑減壓降水期間，通過模擬計(jì)算的基坑內(nèi)外承壓水水位降深分布情況如圖2所示。通過該三維降水?dāng)?shù)值模型預(yù)測，確定在閘北廣場項(xiàng)目基坑內(nèi)共布設(shè)7口輔助降壓井，其中2口為觀測備用井。降水2周后水位基本趨于穩(wěn)定，基坑下部承壓水水頭降至安全水位。

圖2 承壓水頭最終埋深預(yù)測等值線

4 地面沉降預(yù)測及群井抽水試驗(yàn)

4.1 減壓降水引起的地面沉降預(yù)測

本文基于有限差分法，采用軟件對減壓降水引起的地面沉降進(jìn)行預(yù)測。

菌核病菌以菌核在病殘體、土壤、種子中越冬，12℃～22℃，60%～80%相對濕度，能夠產(chǎn)生子囊孢子，開始侵染幼苗，以菌絲接觸或新生子囊孢子借氣流或流水傳播，進(jìn)行再次侵染。18℃～26℃，100%的相對濕度，4h即可完成再侵染，雨水多，灌水大，特別利于發(fā)病。

4.2 群井抽水試驗(yàn)

基坑減壓輔助降水井成井施工完成后，還要開展群井試驗(yàn)，以驗(yàn)證以下內(nèi)容：檢驗(yàn)現(xiàn)場抽水效率，確保降壓井的抽水能力滿足要求；檢驗(yàn)止水帷幕的整體隔水效果，如出現(xiàn)滲水點(diǎn)需要進(jìn)行加固處理。最終將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為承壓水降壓運(yùn)行方案提供依據(jù)。

在基坑輔助降水井施工結(jié)束后，開啟坑內(nèi)減壓降水井進(jìn)行抽水試驗(yàn)。同時通過對坑內(nèi)外水位的監(jiān)測，判斷圍護(hù)的隔水效果。試驗(yàn)計(jì)劃3 d。

1）降水井平面布置?；觾?nèi)布設(shè)減壓降水井5口、觀測井2口，坑外布設(shè)觀測應(yīng)急回灌井21口。

2）抽水井出水量。在減壓井中安裝若干水表，并于抽水試驗(yàn)期間記錄水表每小時的讀數(shù)。水表讀數(shù)精確到0.1 m3，抽水開始后要求每60 min觀測流量一次。

3）觀測井水位監(jiān)測。在抽水試驗(yàn)前，測量觀測井初始水位。抽水試驗(yàn)期間，采用自動化監(jiān)測與人工測量相結(jié)合的方式，對坑內(nèi)外觀測井進(jìn)行水位測量；自動化監(jiān)測為每5 min一次，人工測量為每天早晚各一次，直到試驗(yàn)結(jié)束。如試驗(yàn)前發(fā)現(xiàn)基坑圍護(hù)有滲漏現(xiàn)象，則加密監(jiān)測頻率。

4）試驗(yàn)排水安排。根據(jù)現(xiàn)場場地條件合理安排試驗(yàn)排水，對于靠近排水溝的抽水井，可直接將抽出的水排到排水溝。

5 結(jié)語

1）為了保證基坑施工過程中的安全性，防止承壓水對基坑造成破壞，采用組合式承壓水控制技術(shù)處理地下水，即降水井降壓與大密度泥漿相結(jié)合，并通過高壓旋噴樁墻隔斷。

2）在基坑內(nèi)布設(shè)39口真空疏干井、7口降壓輔助降水井（含2口觀測備用井）以及21口觀測應(yīng)急回灌井，并在工程樁孔內(nèi)采用了相對密度為1.125的泥漿。采用兩者相結(jié)合的方式降低了承壓水的降深，取得了良好的效果。

3）通過基坑降水?dāng)?shù)值模擬預(yù)測、地面沉降預(yù)測和群井抽水試驗(yàn)，表明可成功降低承壓水水頭至安全水位，控制地面沉降在合理區(qū)間，圍護(hù)隔水效果良好。

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