中心城区超大深基坑承压水综合分析与治理

闫雁军 李 侠 陆建生 白天明

1. 上海建工七建集团有限公司 上海 200050；2. 上海广联环境岩土工程股份有限公司 上海 200444

1 概述

随着城市建设的飞速发展，基坑工程规模越来越大，开挖深度越来越深，基坑周边的环境敏感点也越来越多，其环境变得日趋复杂。影响基坑周边地面沉降的主要因素为：基坑开挖深度、基坑支护结构的水平位移量及因基坑降水导致的基坑周围地下水位降低。其中地下水位降低占重要地位，据唐业清[1]及蒋红星等[2]对深基坑事故的调查资料分析，有20%～70%的基坑事故与地下水有关。

上海董家渡金融城工程项目地处上海市黄浦江传统外滩南延伸段。小东门是外滩金融集聚带南外滩开发的点睛之笔，其功能定位为高端金融办公、商业服务和高端住宅，并形成多种功能互补共生的生态体系。本工程基坑面积巨大，基坑总面积达到143 000 m2，北地块基坑总面积约79 000 m2，开挖深度深；周边环境复杂，需要保护的对象众多，主要包括场地内文物保护建筑、中山南路通道、民宅、大直径市政管线等。

为有效防止大面积基坑群开挖过程中因地下水控制不当导致的基坑安全及环境问题，先通过开展专项水文地质试验，进行了环境水文地质评价，据此提出了不同开挖深度的基坑差异化地下水控制措施，并充分考虑基坑群在同步与交错施工状态下的群坑抽水耦合效应，缩短抽水时间，从而有效控制降水对周边环境的影响。

2 工程概况

上海董家渡金融城工程项目（北地块）包括董家渡路以北的A、F、L、J、G这5个地块（图1）。图中M、N地块为历史保护建筑保留地块，D地块为待建滨江雕塑公园地块。具体基坑开挖深度如表1所示。

3 水文地质概况

场地下伏的第⑦层承压含水层，含⑦1砂质粉土、⑦2粉砂，含水层分布稳定、连续，层顶埋深29 m左右（局部由于古河道下切，⑦层层顶埋深31～38 m），层底埋深约67 m，其下为第⑨层粉砂层，⑦层与⑨层的复合含水层厚度超过50 m，含水层巨厚，处于连通状态。影响本基坑开挖的主要包括潜水含水层和⑦层承压含水层。止水帷幕已将潜水含水层隔断，但对⑦层承压含水层未能隔断，属悬挂式帷幕降水，因此本次地下水控制的主要含水层为该承压含水层。根据场地前期抽水试验，建议本工程第⑦层静止水位取地面以下6.10 m，承压水水文参数见表2。

图1 基坑环境平面

表1 各分区基坑开挖深度汇总

表2 参数取值

4 承压水综合治理风险分析

1）本区域第Ⅰ、Ⅱ承压含水层相连通，含水层巨厚，止水帷幕未将其完全隔断，属悬挂式降水，土体渗透性强，基坑降压幅度大，最大达到了24 m，直接进入⑦层含水层，基坑涌水量达到7 200 m3/d，对坑外水位降幅的控制难度极大；水位恢复迅速，必须具备双路电源或备用发电机，才能确保减压降水持续运行；因基坑本体及周边环境要求，对降压井设计及成井质量要求高。

2）本基坑地块之间的中隔墙，在后期切除过程中存在局部冒水风险；此外，基坑内存在的后浇带使在底板浇筑完成并达到强度后，仍需按照基坑开挖面降压设计要求降水，从而导致基坑内降压井运行时间加长、运行负荷加重，进而对基坑本体减压风险及环境影响更大。

3）基坑区域内重点保护建筑物距离基坑较近，仅通过地下水回灌措施进行保护的难度大。

4）本项目分基坑较多，在施工期间必将相互影响，同时周边环境复杂，需各方做好协调工作。

鉴于上述风险，本工程应严格按照“分层降水、按需降水、降水最小化”原则，充分利用“墙井作用机理” 进行承压水综合治理，从现场降水试验、沉降预测、实时监测、动态施工管理4个环节来保证基坑与环境的双安全。

5 承压水减压降水设计

5.1 基坑底板抗突涌验算

为使基坑底板保持稳定，必须保证基坑底板至承压含水层顶板间的土压力大于安全系数下承压水的顶托力，即：Σh·γs≥Fs·γw·H。其中，h为基坑底至承压含水层顶板间距离；γs为基坑底至承压含水层顶板间土的重度；H为承压水头高度至承压含水层顶板的距离；γw为水的重度，取10 kN/m3；Fs是抗突涌安全系数。

考虑周边环境问题，降压运行按照安全系数1.05进行控制，当基坑开挖深度等于或大于15.0 m时需考虑对⑦层进行降压处理。各基坑底板抗突涌验算结果见表3。

表3 各基坑⑦层降深需求统计

5.2 承压水减压井平剖面设计

本工程基坑内降压抽水井86口，18口备用兼观测井，坑外42口水位观测兼应急回灌井（其中8口位于天主教堂三边），如图2、图3所示。

考虑到围护深度及降压幅度要求，A、F、J降水井按井深41～43 m考虑，滤管10～12 m，滤管底位于埋深40～42 m处，GL、T降水井按井深45～47 m考虑，滤管6～16 m，滤管底位于埋深44～46 m处，G2降水井按井深37 m考虑，滤管6 m，滤管底位于埋深36 m处。

图2 基坑降压井平面

图3 基坑内降压井剖面

5.3 承压水试抽水试验

1）根据抽水试验结果，试验期间场地实测⑦层初始水位埋深为5.26～6.06 m（以地面标高计，对应标高为－6.46～－5.66 m），即在安全系数1.05下，当开挖深度超过15.0 m，需要开启⑦层降压井进行抽水。

2）单井出水量大，为15～50 m3/h，实际运行期间降水井安装回流阀以控制单井出水量，严格做到按需降水，使降水最小化。

3）结合基坑开挖工况，确定了不同开挖阶段降压井的开启数量及控制安全水位。

4）群井停抽后，坑内⑦层水位恢复速率较快，5 min恢复比率为12.4%～23.1%，10 min恢复比率为21.5%～28.2%，20 min恢复比率为43.2%～48.6%，30 min恢复比率为52.6%～59.1%，60 min恢复比率为71%～75.5%，120 min恢复比率为78%。基坑实际开挖阶段配置的一台自启动发电机应不间断进行演练，确保发电机的正常使用。

5.4 降水影响预测及应急回灌措施

通过地下水三维渗流模型的建立及试验参数校核，预测坑内降深满足设计要求时，坑外建筑物处最大水位降深达到了0.99～5.60 m，水位降深幅度大（表4），为减小坑内降水对坑外的影响，应在基坑周边有针对性地布设应急回灌井。

6 承压水运行控制

在承压水试抽水试验结束后，为控制施工风险，配置了ICDR系统，其具备水位无线远程数字化监测、工程降水智能预警、备用电源智能应急以及水位-减压井开启智能控制等4大功能。依据“分层降水、按需降水、降水最小化”原则，制订了后期土方开挖各阶段的降压井运行计划表并按计划执行，以T基坑为例，详见表5。底板完成后，为进一步减小坑内降深幅度，制订回筑阶段降压井运行计划，并根据群坑抽水耦合效应，以基坑内安全水位为控制依据，减小基坑内水位降深对坑外各建（构）筑物的影响。

表4 降水后坑外相应环境处的最大水位降深预测值

表5 基坑开挖阶段降压运行计划

7 结语

针对上海市黄浦区小东门街道616、735街坊地块项目（北地块）基坑特点，分析了基坑所面临的承压水综合治理风险，通过建立地下水三维非稳定流数值模型，模拟预测减压降水对周边环境的影响，并通过前期专项水文地质试验及现场承压水试抽水试验，提出了合理的降水设计及运行方案，制订了相应的配套措施并实施，达到了预期控制目标。通过本工程实践，得到以下几点结论：

1）本工程应严格按照“分层降水、按需降水、降水最小化”原则，充分利用“墙井作用机理” 进行承压水综合治理，从现场降水试验、沉降预测、实时监测、动态施工管理这4个环节保证周边建（构）筑物的安全。

2）充分考虑基坑群在同步与交错施工状态下的群坑抽水耦合效应，尽量缩短抽水时间，有效控制降水对周边环境的影响。