超大超深基坑工程降水及回灌施工技术

上海建工一建集团有限公司 上海 200120

0 引言

近年来我国城市化建设发展迅猛，基坑工程面积越来越大，开挖深度越来越深，施工环境越来越复杂，尤其是在软土地基地区基坑降水成为施工中的不安全因素及一大难题，如天津市基坑由前些年的5～12 m浅基坑发展到如今多数22～34 m的深大基坑[1]，经常出现深厚的强透水地层[2]；再有2003年上海轨道交通4号线工程施工时，发生了大规模流砂事故，地面发生了较大的沉陷，事故场区的建筑物和防汛墙发生倾斜破坏[3]，南京、杭州等沿江沿海城市也发生过多次类似事件[4]。另一方面，地下水处理中减压降水会引起周边地面的沉降，对周边建筑物产生影响，造成沉降甚至开裂[5]，必须采取有效措施消除或降低这些影响。其中，最直接最有效的办法是控制地下水水位[6]，而回灌则是实现这一目的的重要手段。

1 背景工程概况

上海浦东金融广场位于上海市浦东新区陆家嘴梅园社区SN1地块，东至南泉北路、南至商城路、西至浦东南路、北至世纪大道和世界广场。地块北侧为轨交2号线东昌路站，南侧为轨交9号线商城路站。

基坑总占地面积约41 500 m2，围护结构采用地下连续墙，沿基坑外侧地下连续墙深度为48 m，坑内部分隔墙深度为38 m。临近轨交9号线区域地下3 层，面积约3 000 m2，开挖深度16.2 m，设有4 道水平支撑，其中首道为混凝土支撑，其余3 道为钢支撑，基坑内开挖深度范围内采用搅拌桩和旋喷桩加固；其他区域地下4 层，面积约38 500 m2，开挖深度19.5 m，设有4 道混凝土支撑。

基坑共分8 个小坑，如图1所示，分阶段进行施工，施工工况如下：第一阶段施工1-a区和1-b区，开挖深度约20 m；第二阶段施工2-a区和2-b区；第三阶段施工3-a区和3-b区；第四阶段施工5区；最后施工4区。

图1 基坑分区平面示意

2 深基坑内降水和坑外回灌施工方案

为制定切实有效的降水方案，在降水施工前打设了7 口试验井，分别进行了单井抽水试验和群井抽水试验。

2.1 降压井方案

2.1.1 基坑底板稳定性验算[7]

根据抽水试验的结果，工程所处地区承压水头埋深约10.1 m。通过上海市地方规范中抗承压水稳定性验算公式，算得本工程土方开挖至地面以下17.65 m处时，基坑处于临界状态，此时应陆续开启降压井，以保证基坑开挖的安全。

2.1.2 降压井配置

降压井的布置是建立在抽水试验的基础上，结合各分区基坑面积的不同，按照常规挖深和局部深坑的不同设置41 m和43 m两种深度的管井，见图2和图3。同时为加强坑内外承压水水位观测和环境保护，在坑内布设6 口观测备用井，在坑外布设10 口观测井。

图2 降水井平面布置

图3 降水管井结构示意

2.1.3 降水井运行

降压井开启运行根据土方开挖进度分两个阶段进行。第一阶段为基坑土方开挖至17.65 m，即开挖第5层土前，开启降压井（41 m）；第二阶段为基坑土方开挖塔楼区及局部深坑时开启剩余降压井。

在各分区基坑土方开挖过程中，利用邻区观测井作为坑外观测井对水位动态进行观测。

2.2 回灌井方案

2.2.1 回灌井工作原理

将水注入回灌井，井周围的地下水位就会不断地上升，利用回灌井周围与地下水位的水头差将水向含水层内灌入，以提升回灌井工作范围内的地下水位高度。当回灌量与渗流量保持平衡时，回灌水位就不再继续上升而稳定下来，此时在回灌井周围形成一个水位的上升锥，其形状与抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反[8]，如图4所示。回灌井的回灌量与含水层的渗透性有密切关系，渗透性好的含水层中，回灌井中所需的回灌水位较低；反之，回灌井中所需的回灌水位就较高。

图4 回灌原理

2.2.2 回灌井配置

根据本基坑周边环境保护要求不同，同时兼顾到各挖土阶段各分区基坑开挖时环境保护的需要，在基坑外布设了一定数量的回灌井。根据本工程的抽水试验所得水文参数，沿基坑外侧布设71 口深度为45 m的回灌井，来减小对周边环境的影响。同时，为加强坑外承压水水头观测，在坑外布设13 口观测井。回灌井平面布置见图5。回灌深井孔径为650 mm，井管过滤器内滤管为缠丝过滤器，外滤管为桥式过滤器，外包40 目滤网，管外回填中粗砂滤料。回灌井结构示意见图6。

图5 回灌井平面

图6 回灌井结构示意

2.2.3 回灌井运行

根据施工要求，当1-a区及1-b区坑外承压水水头累计下降2 m时，坑外HG7～HG71就要采取回灌措施（或当2-a区及2-b区坑外承压水水头累计下降2 m时，坑外HG1～HG64采取回灌措施）。待基坑地下3 层顶板结构施工完毕停止基坑内降承压水，同步回灌井也停止回灌。

在现场布设大水箱，通过安装的加压泵，对水体自然压力进行补偿，从而增加回灌压力。本工程回灌压力优先选择0.1 MPa。回灌水源采用自来水和基坑内降压井抽出的地下水，自来水和地下水通过大水箱给回灌井提供回灌水源。

3 基坑降水和回灌施工数值模拟

根据上述降水方案和边界条件建立模型，对基坑降水施工期间的地下水位变化及周边地表沉降进行数值模拟计算，核验降水方案的实际效果。

3.1 降水施工数值模拟计算

通过对基坑开挖底板稳定性的计算可知，当1-a、1-b区，2-a、2-b区，3-a区进行第5层土方开挖时需开启降压井降低承压水水头。根据土方开挖工况，上述区域分3 个阶段进行，因此分别对该3 个工况下进行数值模拟，计算分析坑内水头降深和坑外地表沉降情况。

基坑降水数值模拟以30 d为计算期，经计算，降水30 d后各分区基坑内的承压水位埋深依次为23.56 m、21.6 m、20.66 m、21.66 m、19.76 m，承压水水头下降到安全水位高度，满足各基坑开挖施工安全条件。

同时，以基坑各阶段施工中安全水位降深最大的工况为计算模型，对减压降水引起的周边地表沉降进行数值模拟，经计算，第1阶段和第2阶段降水最终引起坑外地表沉降约6 mm，第3阶段降水最终引起坑外地表沉降为2 mm以内。

3.2 回灌施工数值模拟

3.2.1 回灌施工数值模拟计算

当基坑减压降水满足最大开挖深度时，坑外承压水头最大降水约为6.5 m，基坑周边采取回灌措施后，坑外承压水头最大降深约为3.5 m。

3.2.2 回灌施工引起地面沉降预测

根据沉降计算模型模拟基坑开挖过程中，第一阶段和第二阶段坑外地表沉降分别为6.7 mm和6.2 mm，如图7所示。

当基坑周边采取回灌措施后，坑外地表沉降分别为3.8 mm和3.2 mm，如图8所示。

由上可知，采取回灌井可显著提升坑外地下水位，进而减小坑外地表沉降，既满足基坑内土方开挖要求，也减小了对周边环境的影响程度。

图7 减压降水坑外地表沉降分布

图8 采取回灌措施后坑外地表沉降分布

4 结语

在软土地基条件下，超大面积深基坑工程降水施工，即意味着要配备比一般基坑工程更多的降水设备，在满足坑内土方开挖条件的同时，对坑外周边环境的影响亦相应增加，因此，对于超大超深且周边环境复杂的基坑工程，必须采取相应措施进行控制。

在上海浦东金融广场基坑工程降水实施过程中，采取了沿基坑周边设置回灌井的措施以控制坑外地下水位和地表沉降，取得较好的效果，具体监测数据如下：第一阶段坑外承压水头最大降深为3.7 m，地表沉降最大值为16 mm；第二阶段坑外承压水头最大降深为5 m，坑外地表沉降最大值为19 mm。说明了本文中的施工技术安全、可靠，确保了工程的推进。