上海北横通道中山公园工作井超深基坑的减压降水设计与验证

王新新 郑刘卫 吴初兴

1. 上海建工集团工程研究总院 上海 201114；2. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；3. 上海长凯岩土工程有限公司 上海 200433

1 工程概况

北横通道中山公园工作井位于上海市中山公园内，为北横通道主线中间过站井。工作井基坑平面尺寸为82.0 m×24.0 m，面积约2 000 m2，周长约200 m；周边场地标高2.5～3.0 m，开挖深度约31.0 m；围护结构采用地下连续墙（墙厚1.0 m，埋深58.8～65.3 m）；基坑底部下伏⑦1层承压含水层；地下连续墙墙底位于⑧2层承压含水层（图1、图2）。

工作井地下水主要有赋存于浅部土层中的潜水，赋存于⑤1T、⑤3T层中的微承压水及赋存于⑦层、⑧2层及⑨层中的承压水（⑧2层与⑨层连通）。根据上海地区经验，微承压水水位一般低于潜水位，年呈周期性变化，埋深3.0～11.0 m；承压水水位一般低于潜水位，年呈周期性变化，埋深3.0～12.0 m。因⑤1T及⑤3T层呈透镜体状分布，分布范围极小，故本次主要针对⑦层、⑧2层（与⑨层连通）的承压水水头埋深。勘测期间，第⑦层承压水水位埋深为4.80～6.35 m，第⑧2层承压水水位埋深为4.40～9.41 m。同时，参考邻近项目抽水试验，第⑦层承压水的水位埋深为6.09～6.10 m。根据经验，场地内第⑦层承压水的水头年变化量约在1 m之内，故第⑦层承压水水头埋深取4.80 m，第⑧2层承压水水头埋深取5.00 m。

图1 中山公园工作井平面

图2 中山公园工作井剖面

2 中山公园工作井超深基坑降水特点分析

1）工作井基坑开挖深度31 m，基坑下伏的⑦1层承压含水层顶板埋深较浅，以勘探钻孔Q1J56为例，承压含水层埋深为30.5 m，承压水水头埋深取5.0 m，基坑开挖直接揭穿该层含水层，因此需要将该层承压水水位降至坑底以下1 m。

2）工作井基坑止水帷幕采用厚1.0 m地下连续墙，墙深58.47～64.97 m，整个墙底基本未进入或进入第⑧2层粉砂层中2 m左右，未隔断基坑内外承压含水层之间联系，工作井基坑及坑底亦面临⑧2层承压水突涌风险。同时，⑧2层与⑨层连通，使得基坑的降水工况更加复杂。

3 中山公园工作井超深基坑减压降水设计

3.1 基坑坑底抗突涌稳定性分析

中山公园工作井基坑挖深31 m，坑底下伏的⑦1层承压含水层顶板最浅埋深为30.5 m（钻孔Q1J56），基坑开挖直接揭穿该承压含水层。因此，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。

基坑底板抗突涌稳定条件采用式（1）计算。由式（1）可知：当基坑底板至承压含水层顶板之间土的自重压力与该承压水含水层顶板处的承压水顶托力的比值大于等于安全系数FS时，基坑坑底满足抗突涌安全条件。

式中：PS——承压含水层顶面至基底面之间的上覆土 压力；

PW——初始状态下（未减压降水时）承压水的顶 托力；

hi——承压含水层顶面至基底面间各分层土层的 厚度；

γsi——承压含水层顶面至基底面间各分层土层的 重度；

H——高于承压含水层顶面的承压水头高度；

γw——水的重度，工程上一般取10.00 kN/m3；

FS——安全系数，一般取1.05～1.20，本工程取1.05。基坑坑底抗突涌稳定性计算如图3所示。

图3 基坑坑底抗突涌稳定性计算示意

第⑦层承压水初始水头埋深以4.80 m计算，承压含水层顶板埋深为30.5 m（钻孔Q1J56），由式（1）计算得到基坑开挖的临界深度为15.50 m，整个基坑开挖深度超过15.50 m时，需对第⑦层承压水进行减压降水处理；当基坑开挖至坑底31.0 m时，⑦层承压水的安全水位埋深为32 m，⑦层承压水的降深幅度为27.2 m。

第⑧2层承压水初始水头埋深以5.0 m计算，承压含水层顶板埋深为61.8 m（钻孔Q1J63），由式（1）计算得到基坑开挖的临界深度为28.67 m，整个基坑开挖深度超过28.67 m时，需对第⑧2层承压水进行减压降水处理；当基坑开挖至坑底31.0 m时，⑧2层承压水的安全水位埋深为9.0 m，⑧2层承压水的降深幅度为4.0 m。

3.2 基坑降水设计原则

1）上部潜水采用真空疏干深井形式。为避免提前降⑦层承压水，疏干井减少井深到27 m（不进入⑦层），针对开挖范围内存在的较厚黏土层，采用真空疏干深井，分段设置过滤器。

2）考虑地下连续墙完全隔断了⑦层承压水，采用坑内布设独立减压深井方式，根据稳定性验算结果，按需降低承压水水头。

3）考虑地下连续墙进入⑧2层深度较浅，隔水效果不明显，故⑧2层与⑨层承压水采用坑外布设减压深井方式，根据稳定性验算结果，按需降低承压水水头。

3.3 降水井设计

根据3.1节第⑦、⑧2层承压水基坑坑底抗突涌稳定性计算结果，采用三维渗流模型对降水井进行布设。三维渗流计算模型符合以下假定：第⑦层承压水初始水头埋深为4.80 m，⑧2层承压水初始水头埋深为5.00 m；地下连续墙止水帷幕深度为32.90～58.47 m；降水运行过程中减压深井的单井涌水量平均为120～240 m3/d；根据实际工况，分层进行独立降水。

在坑内布置第⑦层减压深井时，井深按43 m考虑，过滤器为33～42 m；降水深井均采用钢管井，孔径650 mm、井径273 mm。经三维渗流模型计算：基坑开挖过程中，第⑦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，需要布置减压降水井6口（含1口观测备用井）。

在坑外布置第⑧2层减压深井时，井深按68 m考虑，过滤器为61～67 m；降水深井均采用钢管井，孔径650 mm、井径273 mm。经三维渗流模型计算：基坑开挖过程中，第⑧2层承压水水位控制在满足基坑稳定性验算条件下时，需要布置减压降水井4口（含1口观测备用井）。

因此，根据三维渗流模型计算确定中山公园工作井基坑降水井布设如图4所示。

图4 中山公园工作井基坑降水井平面布置

中山公园工作井具体降水井类型及数量如下：

1）基坑内布置8口疏干井（含1口观测井），井深27 m，编号S1—S7、SG1。

2）基坑内布置⑦层减压井6口（含1口观测井），井深43 m，编号Y1—Y5、YG1。

3）基坑外布置⑧2、⑨层减压降水井4口（含1口观测备用井），井深76 m，编号W1—W3、WG1。为了检验⑧2与⑨层的连通性，增加1口⑧2层观测井W4，井深65 m。

4）基坑外布置⑦层观测井5口，井深43 m，编号G1—G5。

4 中山公园工作井抽水试验

在中山公园工作井基坑开挖前进行了抽水试验。成井结束水位稳定后，现场取得的水位初始埋深（地面标高取＋3.0 m）如下：潜水层水位平均埋深为2.90 m，⑦层承压水水位平均埋深为4.52 m，⑧2与⑨层承压水水位平均埋深为4.15 m。抽水试验的主要设备及其参数见表1。

表1 抽水试验主要设备与参数

4.1 ⑦层承压水抽水试验

4.1.1 ⑦层承压水单井抽水试验

单井抽水试验时，降压井Y3下入QX25-50-5.5内装式潜水深井泵，观测井YG1、G1、G2的水位降深曲线如图5所示。

图5 YG1、G1、G2水位降深曲线

根据Y3单井抽水试验的结果，水泵流量25 t/h，当抽水约80 min后出现断流。坑内观测井YG1水位由初始水位4.54 m迅速下降到8.96 m并保持下降趋势，短期内坑外观测井G1、G2水位无明显变化。单井试验表明：基坑内的⑦层承压水，能在短期内迅速下降，并出现断流，本工程围护结构止水效果明显。

4.1.2 ⑦层承压水群井抽水试验

群井抽水试验时，坑内降水井Y1、Y3和Y4井抽水，坑内降水井Y5、Y2和观测井YG1的水位降深曲线如图6所示。

根据Y1、Y3和Y4群井抽水试验结果，Y1井动水位40.08 m（流量3.2 t/h）、Y3井动水位38.28 m（流量4.5 t/h）、Y4井动水位39.12 m（流量5.35 t/h）并趋于稳定。坑内观测井静水位：YG1井35.4 m、Y2井36.40 m、Y5井33.96 m并趋于稳定。群井抽水试验表明：通过启动3个降水井，在48 h内可以把基坑内的⑦层承压水迅速降低到坑底31 m以下，围护结构止水效果明显。

群井抽水试验时，坑内降水井Y1、Y3和Y4井抽水，坑外G1、G2、G3、G5的水位降深曲线如图7所示。

图6 Y2、Y5、YG1水位降深曲线

图7 G1、G2、G3、G5水位降深曲线

根据Y1、Y3和Y4群井抽水试验结果，抽水试验期间G1由初始值4.79 m下降到了4.87 m，降幅0.08 m；G2由初始值4.31 m下降到了4.55 m，降幅0.24 m；G3由初始值4.10 m下降到了4.23 m，降幅0.13 m；G5由初始值4.90 m下降到了5.00 m，降幅0.10 m。群井抽水试验表明：通过启动3个坑内降水井，坑外观测井水位下降0.08～0.24 m，坑内降水时坑外水位有一定的下降。开挖期间，应加强坑外水位监测，当发现场观测井突然水位下降时，应立即排查原因；发现坑内有异常时，及时采取应急预案。

群井抽水试验时，坑内降水井Y1、Y3和Y4抽水降⑦层承压水期间，坑外的⑧2层承压水降水井W1—W4、观测井WG1的水位降深曲线如图8所示。

观测结果表明：在坑内⑦层承压水抽水期间，⑧2层承压水位变化不明显，可认为本工程⑦层与⑧2层之间的⑧1层黏土为隔水层。

4.1.3 ⑦层承压水停抽水试验

停止降水井Y1、Y3和Y4抽水后，坑内降水井Y2、Y5和观测井YG1的水位回弹曲线如图9所示。

图8 W1—W4、WG1水位降深曲线

图9 Y2、Y5、YG1水位回弹曲线

试验结果表明：在坑内⑦层承压水停止抽水后，3 d内坑内原来未抽水的观测井静水位回弹幅度1.66～3.50 m，坑内原来抽水的降水井动水位回弹幅度4.92～39.19 m，坑内水位回弹缓慢，表明坑外仍有少量补给。

4.2 ⑧2层承压水抽水试验

4.2.1 ⑧2层承压水群井抽水试验

群井抽水试验时，坑外降水井W1、W2、W3、W4抽水，观测井WG1的水位降深曲线如图10所示。

图10 群井抽水时WG1水位降深曲线

群井抽水试验结果：通过W1、W2、W3、W4降水井的分阶段启动抽水，观测井WG1水位由初始4.15 m下降到9.22 m，降幅达5.07 m。结合本工程实际施工工况，当基坑开挖到31 m，抗突涌稳定系数取1.05时，要求把本工程⑧2层承压水降低到8.86 m以下。试验结果表明：当把基坑外的4个降压井开启时，能满足本工程安全系数取1.05时的降压要求。

4.2.2 ⑧2层承压水群井停抽水试验

群井抽水试验时，坑外降水井W1、W2、W3、W4停止抽水后，观测井WG1的水位降深曲线如图11所示。

根据试验结果可知：当停止W1—W4抽水时，观测井WG1水位迅速回弹，5 h内基本回弹到了初始水位。因此，在⑧2层降压井启动后，应现场备用发电机，确保实现双电源供电，5 min内自动切换电源。

图11 停止抽水后WG1水位降深曲线

5 结语

本文针对中山公园工作井超深基坑开挖过程中面临的⑦1、⑧2、⑨层承压水的管控难题，通过理论分析与计算，确定了合理的基坑降水设计方案，通过抽水试验验证了方案的合理性。主要结论如下[1-7]：

1）考虑到围护结构已经隔断了⑦层承压水，在围护结构止水性能良好的情况下，采用坑内布设独立减压深井方式，采用钢管井，孔径650 mm、井径273 mm、井深43 m，过滤器为33～42 m，共6口（含1口观测井）。⑦层承压水单井抽水试验表明：基坑内的⑦层承压水能在短期内迅速下降，并出现断流，表明工程围护结构止水效果明显，坑内布置5个降压井和1个观测井，能满足有2个备用井、1个观测井的要求。

2）⑧2层承压水降水井W1—W4群井抽水试验结果表明：当开足坑外4个降压井时，能满足安全系数取1.05时的抗突涌稳定性要求；但当降水井损坏时，考虑超深基坑坑底土体回弹量可能较大，为确保工程的安全，应考虑在坑外增加2口应急备用井。

3）当⑧2层承压水降水井W1—W4停止抽水时，观测井WG1水位迅速回弹，5 h内基本回弹到了初始水位，为防止现场断电等造成⑧2层承压水水位回弹，当⑧2层降压井启动后，现场应配备双电源供电，并确保5 min内自动切换电源。