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(guó)家經(jīng)濟(jì)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(duì)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(hù)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(fù)雜邊界條件超大型深基坑工程的一般做法，意味著把一個(gè)大型基坑劃分成多個(gè)分區(qū)，分區(qū)與分區(qū)之間通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分隔，然后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況、工程建設(shè)需要、施工方案等依次施工各個(gè)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(dǎo)致周圍土體內(nèi)部應(yīng)力發(fā)生改變，容易產(chǎn)生固結(jié)沉降問題，對(duì)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(duì)軟土地區(qū)復(fù)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(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

結(jié)合上海市浦東新區(qū)前灘21-02、21-03地塊基坑項(xiàng)目，通過理論分析、數(shù)值模擬以及工程實(shí)踐等手段，開展對(duì)軟土地區(qū)復(fù)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(shí)踐應(yīng)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(xiàng)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(chǎng)地東、西兩側(cè)為濟(jì)陽(yáng)路、東育路，南、北側(cè)為海陽(yáng)西路、楊思西路。本工程21-02及21-03地塊統(tǒng)籌共建，2個(gè)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(jìn)度，結(jié)合周邊環(huán)境保護(hù)要求，基坑分為18個(gè)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(xiàng)目基坑工程平面示意

1.2 水文地質(zhì)條件

場(chǎng)地屬于濱海平原地貌，位于長(zhǎng)江三角洲入?？跂|南前緣，大部分區(qū)域?yàn)榭盏?，?chǎng)地地形較平坦，局部有一定起伏，實(shí)測(cè)一般地面標(biāo)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(yīng)標(biāo)高在3.82～5.62 m之間）。場(chǎng)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(dǎo)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(diǎn)與降水風(fēng)險(xiǎn)

1）基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，其北側(cè)鄰近軌交8號(hào)線盾構(gòu)隧道，西南側(cè)鄰近軌交6、11號(hào)線盾構(gòu)隧道，基坑?xùn)|側(cè)濟(jì)陽(yáng)路下全長(zhǎng)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(hù)周邊環(huán)境是主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。

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(qiáng)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(yīng)防止對(duì)土體造成擾動(dòng)，避免對(duì)土體的強(qiáng)度、承載力造成不利影響，否則對(duì)基坑變形控制不利。

3）項(xiàng)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(chǎng)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(dǎo)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(dá)到20～22 m，其開挖面積總共近5.8萬 m2，基坑設(shè)計(jì)及施工復(fù)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(jī)理分析

在滲流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)相互作用的影響下，一般可通過減小承壓水水頭達(dá)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(yīng)，基本假設(shè)為：研究對(duì)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(dá)西定律。總應(yīng)力為有效應(yīng)力σ'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(yīng)力為正，Z坐標(biāo)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(diǎn)的位移和孔隙水壓力的變化，須同時(shí)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(jì)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(jì)算模型

利用Visual Modflow軟件，綜合場(chǎng)地工程、水文地質(zhì)條件，并考慮基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)滲流進(jìn)行3D模擬計(jì)算，提供降水設(shè)計(jì)與施工建設(shè)的理論依據(jù)。實(shí)際計(jì)算平面尺寸為1 500×1 500 m2。在本次試驗(yàn)?zāi)M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(zhǎng)度、出水量等參數(shù)。結(jié)合測(cè)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(shí)地情況對(duì)模型進(jìn)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(yùn)動(dòng)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(shí)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(yùn)動(dòng)。

3.2.3 假設(shè)條件

1）注意群井效應(yīng)及圍護(hù)結(jié)構(gòu)隔水效果在減壓降水深井運(yùn)作時(shí)的影響，在降水井運(yùn)行時(shí)間累加增長(zhǎng)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(jì)算結(jié)果

1）根據(jù)涌水安全計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，需對(duì)第⑦含水層進(jìn)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(cè)兼減壓備用井的結(jié)構(gòu)形式一致。

4）在減壓降水的同時(shí)，減小地下水下降對(duì)環(huán)境安全的影響，并保證地下水位在安全范圍內(nèi)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)承壓含水層水位，確定需要抽降的水量及啟動(dòng)減壓井的時(shí)機(jī)。

5）經(jīng)過計(jì)算，在滿足最大設(shè)計(jì)降深要求時(shí)，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(jì)算，在滿足最大設(shè)計(jì)降深要求的同時(shí)，基于降水運(yùn)行的基坑水位的預(yù)測(cè)降深如圖4～圖7所示。

圖4 基坑1a、1c區(qū)降水運(yùn)行后預(yù)測(cè)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(yùn)行后預(yù)測(cè)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(yùn)行后預(yù)測(cè)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(yùn)行后預(yù)測(cè)第⑦2上層水位降深等值線（單位：m）

3.3 地面沉降分析

對(duì)降水引起的地面沉降，采用經(jīng)典沉降公式進(jìn)行預(yù)測(cè)計(jì)算：

計(jì)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(shí)間為120 d、第⑦2上層減壓降水時(shí)間為60 d，進(jìn)行基坑減壓降水期間沉降計(jì)算時(shí)，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(yùn)行后基坑附近沉降預(yù)測(cè)等值線圖，地面沉降值在靠近基坑區(qū)域周邊達(dá)到最大，為5.0 mm，8號(hào)線隧道區(qū)域地面累計(jì)沉降1.0～2.0 mm，6號(hào)線區(qū)間隧道區(qū)域地面累計(jì)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(yù)測(cè)沉降等值線

3.4 地面沉降控制措施

1）采用信息化手段進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)跟蹤坑內(nèi)外觀測(cè)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(shí)間，按需要降低水頭的量進(jìn)行降水。

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

3）在降水時(shí)，減小承壓水位降深可減小降水對(duì)環(huán)境的影響，但承壓水頭應(yīng)滿足基坑穩(wěn)定性要求，且微承壓水頭應(yīng)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(shí)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(yǔ)

1）依托前灘21-02、21-03地塊基坑項(xiàng)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(fù)雜環(huán)境下的群坑開挖降水設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持，以有效控制基坑工程降水對(duì)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(jì)安全需要，又可以減少群坑降水對(duì)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(fù)雜邊界條件群坑降水施工是非常復(fù)雜的工程，選擇合理的計(jì)算模擬方法確定降水量，設(shè)計(jì)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(jìn)一步研究的意義。