上海中心大厦基坑降水设计及实践

瞿成松，张国强，罗建军，缪国建

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875;2.地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海长凯岩土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大厦基坑降水设计及实践

瞿成松1，2，3，张国强3，罗建军3，缪国建3

(1.北京师范大学水科学研究院，北京 100875;2.地下水污染控制与修复教育部工程研究中心，北京 100875;3.上海长凯岩土工程有限公司，上海 200002)

上海中心大厦位于上海陆家嘴金融贸易区中心和上海市地下第一、二、三承压含水层连通区，基坑深达31 m，周边环境复杂，含水层层顶埋深28 m，降水周期长达140 d以上。基坑降水经优化设计，精心施工，科学运行，达到了既降低开挖区域水位又保护周边环境险情防治的目的。

基坑降水;承压水;地面沉降

0 引言

上海中心大厦位于上海浦东陆家嘴金融贸易区核心地段，与金茂大厦、环球金融中心成“品”字型分布。场地位于东泰路、陆家嘴环路、银城中路、花园石桥路所围范围，整个基地面积30 368 m2，总建筑面积约为520 000 m2，其中地上建筑面积约380 000 m2。本工程由1幢122层塔楼(结构高度565.60 m、建筑顶高度632.00 m)和1个5层商业裙房(高度35 m)组成，整个场地下设5层地下室，基础埋深26.30～31.10 m。本基坑工程采用“分区施工，顺逆结合”方法施工，塔楼先顺作，裙楼后逆作，以保证塔楼工期、施工场地回转以及周边环境安全。基坑工程对降水提出了较高的要求［1］。

1 地质条件及降水评价

上海中心城区地表下100 m深度范围内的土层主要分为9个工程地质层，地质时代为晚更新世—全新世［2］。全新统(Qh)共分五个大层，土层序号为①～⑤层，一般厚度为20～30 m，在古河道切割区，厚度达40～60 m左右。晚更新统(Qp3)共分四大层，土层序号为⑥～⑨层，陆家嘴区域100 m深度内涉及第⑩层，第⑩层属Qp2地层。上海中心城区地表下100 m深度范围内，地层的沉积年代、地层层序、土层名称及分布状况详见表1。

根据《岩土工程勘察报告》，本场区内层自上而下地层见表2。本工程基坑开挖深达31.10 m，裙房区开挖深度为26.30 m，承压含水层最浅埋深为28 m，塔楼区开挖面已接近第⑦2层承压含水层，裙房区开挖面已近第⑦1层承压水面，基坑突涌风险极大。该区域为第一承压含水层、第二承压含水层和第三承压含水层连通区域，承压含水层组厚117 m。基坑围护体系为地下连续墙，裙房地墙深48 m，塔楼地墙深50 m，无法切断基坑内外承压水水力联系。基坑周边临近马路下分布大量地下管线，环境要求极高，降水必须做到按需降水。

2 基坑降水设计

2.1 降水布井原则

由于地下连续墙进入到承压含水层中的长度达20～22 m，塔楼区施工时，部分井布置在塔楼基坑内，部分井布置在塔楼基坑外，裙楼区施工时，所有降压井布置在基坑内。在基坑内、外布置水位观测井，对坑内开挖深度以下的承压水进行“按需减压”降水，保证基坑安全及施工顺利进行。

2.2 基坑底板稳定性分析

基坑底面设计标高以下承压含水层组顶面埋深为地面下28.00 m，厚度117.00 m。开挖过程中，必须有效控制承压水水头埋深，防止基坑发生突涌事故，先进行基坑突涌稳定性分析。基坑底板抗突涌稳定条件：

在基坑底板至承压含水层顶板之间，土的自重压力应大于承压含水层顶板处承压水顶托力。对于开挖深度31.10 m的基坑降水，承压水位控制原则是：当开挖深度＞27.00 m时，承压水位必须控制在开挖面以下1.00 m;当开挖深度＜27.00 m时，按下式进行承压水位控制：

表1 上海中心城区100 m深度内土层层序表Table 1 Sequence of soil horizon in 100 m depth

表2 上海中心地层简表Table 2 Simple table of Shanghai center strata

式中：F为安全系数(取1.1)，hs为基坑开挖深度(m)，D为安全承压水头埋深值(m)，γs为基坑底板至承压含水层顶板间的土层重度的层厚加权平均值(kN/m3)，γw为地下水重度(kN/m3)，根据上式计算出开挖深度hs对应的安全水位埋深D参见表3。

表3 塔楼区各阶段降压井运行计划表Table 3 Operational schedule of dewatening well in tower building

2.3 降水设计计算

2.3.1 基坑降水水文地质概念模型

本次承压水减压降水目的层为上更新统的第I承压含水层。上覆潜水含水层、弱透水层以及下伏深层承压含水层一起纳入模型，将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型［3］。为了克服由于边界不确定性给结果带来随意性，定水头边界应远离源、汇项。通过试算本次计算以整个基坑的东西南北最远边界点为起点，各向外扩展500 m，即计算尺寸1 000 m×1 000 m，四周按定水头边界处理。

2.3.2 基坑降水数值模拟

根据上述水文地质概念模型，建立下列与之相适应的三维地下水运动非稳定流数学模型［4］：

根据研究区的含水层结构、边界条件和地下水流场特征，将模拟区进行三维剖分，每层剖分为61行、49列，垂向将其剖分为7层，剖分网格共20 923个。网格立体剖分图见图1。

图1 研究区立体剖分图Fig.1 Three － dimensional subdivision chart

承压水水头初始埋深10.00 m，根据开挖工况计算，塔楼区基坑开挖至25.30 m前(第五道圆环支撑)，以基坑内降压井运行为主时，在塔楼区基坑内布置12口深55.0 m降压井，12口井运行将承压水控制在24.0 m左右，确保第五道圆环处挖土施工(见图2)。

图2 塔楼基坑内减压降水水位埋深等值线Fig.2 Dewatering contour in tower building

塔楼区基坑开挖至31.10 m以及大底板砼施工及砼养护时，以基坑内降压井和塔楼基坑降压井为主。塔楼基坑外侧布置26口降压井，井深65 m和55 m各一半，开启21口井与坑内12口井一起运行，共计33口降压井抽水运行确保了水位控制在地面以下31.0 m(见图3)。

塔楼区基坑6 m厚砼底板完成后，坑内井需要进行封井，为了确保封井成功，以塔楼外侧降压井工作为主，确保塔楼基坑砼施工安全，开启塔楼区外侧26口降压井，可以将塔楼基坑内四周(12口坑内井区域)承压水控制在地面以下26.60 m，可以保证塔楼基坑内12口降压井顺利进行封井(见图4)。

图3 塔楼内外减压降水水位埋深等值线图Fig.3 Dewatering contour in and out of tower building

图4 塔楼基坑外减压降水水位埋深等值线图Fig.4 Dewatering contour out of tower building

裙房区基坑开挖，以塔楼区外侧和裙楼区内降压井工作为主。在裙楼区基坑内布置20口降压井，井深不超过地下连续墙，考虑45.0 m为宜，14口井与原塔楼区外侧的9口降压井一起运行，能够将裙楼区域承压水降至地面以下26.0 m，保证裙房区基坑开挖安全。塔楼区坑外井部分作为备用、应急井及观测井使用(见图5)。

图5 裙楼区减压降水水位埋深等值线图Fig.5 Dewatering contour in podium building

3 基坑减压降水工作量

基坑内外布置10口水位观测井，观测井深度45.00 m。塔楼区坑外28口降压井，坑内12口降压井，坑内2口观测井，裙楼区坑内17口降水井，4口观测井，基坑外围4口观测井。合计67口井(见图6、图7)。

图6 降水井平面图Fig.6 Planar graph of dewatering well

图7 降水井剖面图Fig.7 Profile of dewatering well

4 基坑降水疏干和减压

4.1 潜水疏干降水

上海中心主楼基坑面积11 500 m2，疏干井40口，另加10套轻型井点;裙房基坑面积23 460 m2，疏干井65口。采用真空深井泵降水措施降低基坑内浅层潜水。基坑开挖前20 d预降水，开挖过程中水位低于开挖面1.0 m以下。开挖过程中围护结构一旦出现渗漏水，立即采用快硬水泥或聚胺脂等措施止水堵漏。做好坑内明排水措施。

4.2 承压水减压降水

基坑开挖过程中持续稳定按需分级降低承压水头压力满足基坑开挖要求［5］。挖土施工前现场预备2台250 kW备用发电机，确保施工现场因突发事件停电时在10 min内切换供电，确保承压水抽水不间断顺利进行，防止承压水突涌危及基坑安全。为防止地墙出现渗漏水影响基坑安全及施工进度，塔楼圆形基坑外15 m范围内设置降压井，必要时短期开启降水作为止水堵漏和坑内封井等所需临时措施，裙房基坑开挖时上述塔楼圆形基坑外降水井作裙房基坑降水井用。布设坑内外潜水和承压水位观测，同时布设周边管线、道路、建筑物等设施沉降监测，信息化降水施工，根据监测数据及时调整降水方案，必要时采取回灌措施以保护周边环境安全。

5 地面沉降预测

5.1 减压降水引起的地面沉降理论

1925年太沙基建立单项固结基本微分方程［6］，并获得了单层土的一定初始条件和边界条件下的解析解。考虑多层土体，厚度H，含土层n层，土层i的厚度，竖向渗透系数，压缩模量均已知，包含单面排水和双面排水两种情况。从理论上说，给定初始条件和边界条件就可以运用数学方法即可解出定解。Schiffman在1970年曾就恒载作用下多层土体的一维固结问题进行了分析(见图8)。

图8 分层土体的太沙基求解沉降图Fig.8 Terzaghi solving subsidence chart

考虑变荷载作用下分层土体固结微分方程为：

方程的求解条件：

同时，与均质地基的求解不同，多层地基的求解条件要考虑各个土层层与层交界面的连续性条件：

即在分界面上的一点的孔压相对于分界面上下两层土是相同的，流量也是相同的。

满足方程一切求解条件的解为：

进而，通过求解超越方程等形式将式中有关参数求解，可得变荷载作用下分层土体的固结微分方程的理论解。

求得各个点的孔压值后，便可以继续求得各层土的平均固结度：

相对于整个分层土体而言，按孔压定义的平均固结度：

5.2 塔楼区减压降水引起的地面沉降预测

模拟实际施工工况，本地块长期抽水，减压降水对坑外地面沉降有一定影响，根据开挖工况，分期模拟计算、预测降水引起的相邻地面沉降。

图9 塔楼基坑降水引起地面沉降等值线图Fig.9 Subsidence contour caused by dewatering

因塔楼区施工时预估塔楼区基坑开挖所需承压水降水时间为140 d，根据抽水试验阶段建立的沉降模型进行计算，塔楼区承压水降水运行后基坑周边环境沉降预测等值线如图9所示，紧邻基坑外侧的地面沉降值为12～24 mm。

6 实际降水效果

如图10，塔楼基坑降水工程自2009年11月1日～2010年4月8日，历时160 d，每天流量1 280～16 560 m3，共抽水 1 125 579 m3。其中2009年11月22日～2010年3月24日坑内3～12口55 m深降水井抽水，抽水量236 308 m3，2010年1月7日～2010年4月4日坑内8～23口55 m和65 m深降水井抽水，抽水量889 271 m3。坑内水位埋深8.55～30.79 m，坑外水位埋深8.28 ～22.07 m，临近基坑地面沉降最大为33～40 mm。圆满完成塔楼基坑降水任务。

图10 上海中心塔楼基坑降水综合信息图Fig.10 Dewatering information map at the tower building

7 封井安排

本次主要是对塔楼基坑内的12口抽水井和3口观测井进行封井，坑外的28口抽水井则等到裙房基坑底板浇筑完毕后与裙房内另外15口井按下面方法封井。

7.1 降水井的运行安排

基坑大底板浇筑前，保持坑内12口井抽水，坑外21口抽水，水位控制在31.0 m左右。基坑大底板浇筑完毕，混凝土强度达到80%以上时，开始逐个关闭坑内的12口抽水井，对坑内降水井进行封井工作，坑外26口井继续抽水，将坑内水位控制在25.0 m以下。坑内12口降水井封闭完成10 d后，坑外降水井适当减少，将水位控制在16.0 m左右，能够保证底板安全。

7.2 封井过程安排

坑内3口观测井井管在底板第一层钢筋顶面处割除，待底板浇筑混凝土时一同浇筑在混凝土下。坑内12口抽水井首先确保大底板浇筑完毕，在混凝土强度达到要求后才能进行坑内12井封井，坑内封井管内采用注浆封井，管外焊接钢板止水片，注浆封闭后井管要低于大底板顶面1 000 mm，管口焊接双层6 mm厚的钢板，管口至底板顶面孔洞要用混凝土浇筑抹平。大底板扎钢筋时就要考虑封井准备工作，井管外壁事先焊接好3道止水钢板。预留第二次浇混凝土孔洞，尺寸为1.2 m×1.2 m×1.0 m。井内注浆前先用粘土填实降水井滤管部分，然后下注浆管到底部，再添2～3 m高度瓜子片，然后开始注浆，边注浆边提注浆管并填瓜子片，保持管子片顶端到注浆管底部1 m。重复注浆到井管割除面以上2 m左右可终止注浆。注浆效果达到要求后，割除井管，并将管内混凝土凿除100～200 mm，井内焊接第一道钢板，再用混凝土将空隙填满，并内焊第二道钢板。最后用与大底板相同标号或高一级标号混凝土将预留的孔洞填满并抹平。

7.3 封井工艺

工艺参数：水泥：Po42.5，水灰比：0.5，注浆压力：0.5 MPa，注浆量：＞220 L/m。注浆封井操作过程：封井前，先预搅拌好水泥浆，水灰比控制在0.5;先填瓜子片，然后在井管内下入1寸注浆管，注浆管的底端到井底;井管内填入瓜子片，瓜子片的回填高度在滤水管的顶端以上2～3 m左右;然后开始注浆，注浆时要求将水泥浆通过瓜子片的空隙渗入底部滤水管的周围将滤水管的缝隙堵死;注浆完毕，水泥浆达到初凝的时间后，抽出井管内压板以上的残留水，并及时观测井管内的水位深度或标高的变化情况。一般观测2～4 h后，井管内的水位无明显的升高，说明注浆的效果较好。

［1］龚士良.上海城市建设对地面沉降的影响［J］.岩土工程技术，1998，(3)：43 －45.

［2］叶淑君，等.上海区域地面沉降模型中土层变形特征研究［J］.岩土工程学报，2005，27(2)：140 －147.

［3］骆祖江，等.松散承压含水层地区深基坑降水三维渗流与地面沉降耦合模型［J］.岩土工程学报，2006，28(11)：1947 －1951.

［4］姚天强，石振华，曹惠宾.基坑降水手册［S］.第一版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［5］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［S］.第二版.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［6］Terzaghi K.Peck R.B.and Mesri G..Theoretical soil mechanics［S］.John Wiley ＆ Sons Inc，1943.

Dewatering Design and Practice at Shanghai Center Building

QU Chengsong1，2，3，ZHANG Guoqiang3，LUO Jianjun3，MIAO Guojian3
(1.College of Water Sciences，Beijing Normal University，Beijing100875;2.Engineering Research Center for Groundwater Pollution Control and Remediation，Ministry of Education of China，Beijing100875;3.Shanghai Changkai Geotechnical Co.，Ltd.，Shanghai200002)

Shanghai center building is located at Shanghai Lujiazui finance and trade zone where the first，second and third underground confined aquifers are connected directly.Its pit depth is 31 meters，and the surrounding environment is complex.The top layers of aquifers is 28 meters deep，dewatering time is up to 140 days.Due to optimized design and careful construction，the dewatering achieve the objective of reducing the excavation of the danger and protect the surrounding environment.

dewatering for the foundation pits;confined aquifer;subsidence

TU753

A

1671－1211(2011)03－0209－06

2010－11－26;改回日期：2011－05－25

上海市科学技术委员会资助项目 (09dz1207900);上海市科学技术委员会资助项目 (10dz1202300)。

瞿成松 (1964－)，男，高级工程师，水文地质工程地质专业，从事岩土工程设计、施工、科研及管理工作。E－mail：qcs724@126.com

李 雯)