上海闹市区超深基坑降水技术研究

罗军涛， 殷立锋， 晏姝， 王彭宇， 王朝阳

（上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

随着上海深基坑工程规模不断扩大、深度加深，承压水对深基坑施工的安全威胁越来越大[1]。但是抽取承压水会导致含水层或邻近含水层的可压缩夹层压缩，特别是在基坑止水帷幕未隔断承压含水层时，引起周边地面较大沉降，对周边环境造成一定的影响[2]。目前悬挂式止水帷幕多应用与周边环境相对简单的区域，在周边环境重要的闹市区，悬挂式止水帷幕鲜有应用。但在上海⑦层与⑨层连通区域，含水层深达百米以上时深基坑围护形式只能选择悬挂式止水帷幕。在此基础上，如何减小基坑开挖对周边环境的影响变得尤为重要。

1 工程概况

黄浦区文化中心新建工程位于黄浦区迎勋路以东的129街坊北地块内。基坑面积约5030m2，普遍区域挖深为24.10m，局部深坑挖深达26.95m。工程基坑工程安全等级为一级，基坑各侧环境保护等级为二级。基坑开挖采用整坑顺作法方案，采用“两墙合一”地下连续墙作为围护体，深度55m，并设置五道混凝土支撑进行围护。

工程位于上海闹市区，周边建筑密集，东侧、南侧紧邻高层住宅；西侧、北侧紧邻老式住宅。周边道路地下管线极为复杂，对周边构建筑物和管线保护为项目的重难点。

图1 项目基坑分区及周边环境示意图

2 工程地质情况

工程勘察阶段所完成勘察孔的最大深度为70m，对此深度范围内揭遇的地基土，按其结构特征、地层成因、土性不同和物理力学性质上的差异可划分为7层，共10个亚层。

表1 土层物理力学参数成果

拟建场地分布有第⑦2层与第⑨层承压含水层，第⑦2层承压含水层与第⑨层承压含水层相连。第⑦2层层顶埋深36.79～37.81m，勘察测得水位埋深5.54m；第⑨层层顶埋深60.39～61.73m。

工程主要针对开挖范围内的潜水进行疏干降水及下伏第⑦2层承压含水层进行减压降水。

工程地下连续墙深55m，墙趾已进入第⑦2层约18m，由于第⑦2层与第⑨层承压含水层直接相连，承压含水层埋深大、厚度大，地下连续墙未能将承压水隔断，形成悬挂式止水帷幕。

图2 围护剖面图（单位：mm）

3 基坑降水分析

深基坑开挖除考虑疏干开挖范围内的潜水外，也须充分考虑承压水安全性，针对下部承压水含水层的顶托力进行验算。

基坑下伏第⑦2层及第⑨层承压含水层最浅埋深分别为36.79、60.39m，水位按照项目水文地质勘察取5.54m，基坑最大开挖深度26.95m，抗突涌安全系数为0.57，基坑开挖需对第⑦层承压含水层进行减压降水。

表2 基坑开挖抗突涌稳定性验算（Fs=1.05）

经计算，基坑开挖需针对第⑦2层承压水进行减压降水、无需针对第⑨层承压水进行减压降水。当开挖至基坑最大开挖深度26.95m时，第⑦2层承压含水层安全水位埋深为19.76m，减压幅度较大。

另一方面，地下连续墙未完全隔断承压含水层，坑内降压时，会引起坑外相当大范围的承压水位下降，引起周边道路、管线、建（构）筑物的沉降，基坑减压降水在尽量增加降水绕流路径的基础上，并采取地下水回灌措施，人为抬高坑外承压水水位，减缓沉降变形，保证周边环境安全。

4 降水设计

4.1 疏干深井设计

基坑开挖范围内主要为第③层淤泥质粘土夹粘质粉土、第④层淤泥质粘土及第⑤1-1层粘土，土质较为软弱，具较明显触变及流变特性，受扰动土体强度极易降低。

单独设置真空疏干深井，对潜水疏干处理，控制地下水水位在每层土开挖面以下1.0m，为基坑开挖作业提供良好的环境。根据上海地区降水施工经验，为有效疏干富存在软土中的潜水，单井有效疏干面积按照200m2布置，共布置15口真空疏干深井，井深设定为30m。运行采用超级压吸联合抽水系统，有效疏干开挖范围内的潜水。基坑外设置潜水观测井，井深30m，观测坑外潜水水位变化。

4.2 减压降水深井设计

根据文中承压含水层抗突涌验算结果，基坑开挖需针对第⑦2层承压水进行减压降水，将地层概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型，利用Visual ModFlow进行三维渗流数值法计算。

图3 围护与降水井三维立体示意图

三维渗流计算模型符合假定，潜水的初始水位埋深0.5m、第⑦2层初始水位埋深5.54m；止水帷幕深度55m；降水运行过程中减压深井的单井涌水量平均为5～10m3/h。

在坑内布置第⑦2层减压深井，考虑基坑周边环境的重要性，加长基坑减压降水绕流路径，井深设定为46m，滤管长度为7m，减压降水绕流路径10m；降水深井均采用钢管井，孔径650mm、井径273mm。

经三维渗流模型计算，在满足第⑦2层承压水水位控制在满足基坑坑底抗突涌稳定性验算条件时，需要基坑内布置减压降水井10口（含2口观测备用井），利用备用井进行水位观测，根据地下水位监测结果指导降水运行[3]。

另外在基坑外侧，第⑦2层均匀设置10口观测兼回灌井，为达到更好观测及回灌效果，井深设定为49m，滤管长度为10m。

图4 基坑降水运行后⑦2层埋深预测（单位：m）

图5 基坑降水运行后⑦2层降深预测（单位：m）

图6 减压降水井及回灌井平面布置

5 基坑降水运行及回灌分析

5.1 生产性抽水试验情况

基坑开挖前实施生产性抽水试验，以全面掌握场地水文地质情况及基坑内外含水层水力联系，避免基坑降水对周边环境造成重大影响[4]。

在基坑坑内降水井及坑外观测井、回灌井成井结束后，进行生产性抽水试验。

由抽水试验结果可知，当基坑内第⑦2层水位观测井BG1、BG2水位降深17.56、18.03m，满足基坑最大开挖深度要求安全时，基坑外承压水水位降深在0.15～0.28m之间，止水帷幕绕流起到了良好效果，基坑内减压降水对周边环境影响较小，基坑内须做到按需降水，在基坑内减压降水的同时开启坑外回灌井进行回灌补水，缓解坑外第⑦2层水位下降，保证周边环境安全。

5.2 降水运行及回灌运行情况

基坑开挖实施过程中，基坑降水严格遵循“分层降水”、“按需降水”的原则，根据减压井抽水量及减压观测井的承压水位，确定开启的减压井数量，合理控制承压水水位，将减压降水对环境的影响控制到最低程度[5]。

基坑开挖至第5层土时开启第⑦2层减压深井，进行减压降水，随着基坑的开挖，逐渐将观测井水位控制在19.80m左右，在基坑内减压降水的同时开启坑外回灌井进行回灌补水，缓解坑外第⑦2层水位下降，保护周边环境安全[6]。

项目在底板施工阶段，基坑内水位满足基坑开挖要求的前提下，基坑日涌水量稳定在约200～220m3/d之间。

基坑外回灌遵循同抽同灌、抽灌一体化的原则，基坑内抽取同层地下水经过水质处理后作为回灌用水。根据承压水水位变化实现回灌井的自动开启与关闭。底板施工回灌期间，测定单井最大回灌量可达30m3/d，实现抽灌平衡，在整个减压降水期间，基坑外第⑦2层承压水水位基本维持在初始水位，回灌效果明显。

图7 回灌原理示意图

图8 运行水位曲线

基坑减压降水期间，在回灌同时开启的条件下，坑外承压水水位保持稳定，基坑外周边道路、管线及构建筑物均表现平稳，沉降变形量均在20mm以内。未发生地下管线安全事故，周边道路无明显可见的沉降和开裂现象，回灌整体达到了预期效果。保证基坑安全开挖的同时，有效减小了悬挂式减压降水对周边环境产生的不良影响。

减压降水运行期间配备降水备用发电机，保证现场用电停电后，发电机自动启动并切换，确保在基坑减压降水运行期间供电的连续，并为每口减压降水井布置水位报警系统，在水位异常时报警，便于迅速采取相应措施，保证基坑安全。

6 结语

通过项目基坑降水的设计与施工，并对周边环境监测数据分析，得出结论如下：

（1） 三维渗流模拟计算为基坑降水设计提供理论依据，并利用生产性抽水试验验证降水设计的合理性。严格遵循“分层降水”、“按需降水”的原则。

（2） 闹市区复杂环境下，悬挂式围护深基坑施工，采取地下水回灌措施可以有效抬升坑外承压水水位，保证基坑周边构建筑物及管线安全，减少基坑降水对周边环境的影响。

（3） 项目基坑于2021年8月3日完成基础底板施工，通过对周边环境监测数据分析，表明坑内减压降水，坑外回灌的“抽灌一体化”降水方式对周边环境保护极为有效、实用经济。