软土地区超大规模深基坑群承压水控制
0 引言
根据上海市软土地区地层特点，下伏相邻承压含水层在多个区域存在相互连通或水力联系的情况，越来越多的深基坑遇到承压水突涌和降水引起的环境保护问题。随着城市地下空间的开发利用进入快速增长阶段，基坑工程呈现面积越来越大、开挖越来越深的特点。城市综合体等重大工程同时施工，各工程基坑相互关联，形成复杂的基坑群。与单一基坑相比，基坑群建设周期长、体量大、工况复杂，在减压降水施工过程中面临更显著的周边环境安全问题及基坑相互影响问题。而目前对基坑工程承压水控制的研究基本仍以单个基坑为研究对象，对于大体量基坑群同步降水施工过程中的叠加耦合效应等未充分考虑。基于此，以上海地区某超大规模深基坑群项目为例，以围护-降水一体化设计为思路，研究降水方案的设计。
1 工程概况
该项目地处上海市中心城区，邻近黄浦江，将建设集办公、商业、酒店、住宅于一体的综合体建筑群。基坑总开挖面积约14.3万m2，中部被现状市政道路划分为南北两大地块，北地块包括A,F,T,J,G 5个地块，南地块包括B,C,H,K,I 5个地块，设置2～4层地下室，基坑开挖深度为11.5～25.9m。周边环境复杂，同时存在历史保护建筑、轨道交通区间隧道、市政地下通道、周边棚户区民宅、地下管线等大量保护对象。设计将南地块划分为7个分区，北地块划分为8个分区(见图1)，其中GL区采用逆作法施工，其他区均为顺作法施工。
拟建场地位于古河道地层沉积区，勘察揭露地层自上而下依次为(1)1杂填土、(1)3江滩土、(2)粉质黏土、(3)淤泥质粉质黏土、(4)淤泥质黏土、(5)1-1黏土、(5)1-2粉质黏土、(6)粉质黏土、(7)1砂质粉土、(7)2粉细砂、(9)粉砂。
2 水文地质条件
2.1 水文地质参数确定
场地内地下水丰富，下部存在第1承压含水层(第(7)层)和第2承压含水层(第(9)层)，受古河道切割影响，含水层埋深起伏较大，由于第(8)层土缺失，第(7),(9)层土直接相连，即第1,2承压含水层贯通，水文地质条件复杂，不具备隔断条件。本工程部分基坑开挖深度大，普遍存在承压水问题，且因开挖深度、环境保护要求不同，减压降水需求及坑外降深控制差异较大。
为保证基坑安全并控制环境影响，施工前对南北地块分别开展专项水文地质勘察。根据实测结果及各分区水文地质特征，第(7)1层承压水位埋深取6.1m，第(7)2层承压水位埋深取6.6m。结合试验数据反演得到水文地质参数(见表1)，可作为后期降水模拟计算的依据。
表1 承压含水层反演参数
群井抽水试验期间，第(7)1层完整井单井稳定出水量约5.61m3/h，第(7)1,(7)2层混合井单井稳定出水量为15～26 m3/h。针对不同的减压降水幅度，需选用第(7)1层完整井或第(7)1,(7)2层混合井。后续进行基坑降水设计时，考虑群井及止水帷幕的影响，需对试验期间单井稳定出水量进行适当折减。
2.2 各分区承压水控制需求
依据水位埋深建议值，对各分区承压水控制需求进行分析，除开挖深度较浅的C,G2区无需减压降水外，其他分区基坑均存在承压水突涌问题。由于各分区基坑开挖深度不同，对减压降水的需求差异较大，可分为3类，如表2所示。
表2 各分区减压降水需求
第1类分区仅在深坑处采取减压降水措施;第2类分区在最后1层土方开挖前开启降压井，降压幅度中等;第3类分区开挖深度最大，降压幅度最大，且GL区为逆作法施工，减压降水周期长。
3 降水设计
3.1 围护-降水一体化设计
根据基坑抗突涌稳定性验算，第(7)1层临界开挖深度为15.7m，第(7)2层临界开挖深度为18.4m。承压含水层上部第(7)1层厚约5～7m，因为第1类分区仅在深坑区域小幅减压降水，所以设置第(7)1层完整井即可满足需求;对于开挖较深的第2,3类分区，需采用第(7)1,(7)2层混合井，因滤管长度直接影响单井出水量，对于开挖深度较大的基坑，尚需结合围护及开挖情况适当加长滤管进入第(7)2层的深度(见图2)。根据减压降水需求选择合理的减压井深，充分体现按需减压降水的原则，避免承压水超降，有利于减少降水对周边环境的影响。
采用围护-降水一体化设计思路，将围护止水帷幕与减压井结合，根据不同的坑内外承压水控制需求选取合理的悬挂止水帷幕与减压井深度关系组合，在最大程度上发挥止水帷幕的侧向隔水作用。
K,I区坑外无重点保护对象，周边环境相对宽松，落深区减压降水范围及幅度相对较小，综合考虑后，采用敞开式降水;B1,B2区虽为局部小幅减压降水，但紧邻地铁区间隧道，坑外承压水控制需求极为严格，需采用悬挂式降水;其余分区均为整体减压降水，降幅大、周期长，对周边环境的影响显著，也采用悬挂式降水。结合本工程承压含水层厚度，为有效增加渗流路径、减小过水断面，悬挂式降水中设计止水帷幕底部低于减压井底部6～10m，典型分区止水帷幕及减压井底部埋深如表3所示。
表3 止水帷幕及减压井底部埋深
3.2 基坑降水地质概念模型
结合上述分析，建立三维地下水渗流模型，采用有限差分数值法计算各基坑减压降水施工所需的减压井数量，验证差异化按需减压降水设计中悬挂止水帷幕长度的可靠性。
根据分区水文地质概况，将整个松散沉积层作为整体进行计算，并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。为克服边界不确定性带来的计算结果随意性，遵循定水头边界应远离源、汇项的原则，在计算区水平方向以基坑中心为起点，将东、南、西、北4个方向上最远边界各扩展500m，四周均按定水头边界处理;在计算区竖向将上覆潜水含水层、弱透水层及下伏深层承压含水层组计入模型参与计算，并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。模型概化后的含水层自上而下依次为潜水含水层、弱透水层、第(7)1承压含水层、第(7)2承压含水层。坑内减压井是唯一的排泄路径。
3.3 基坑群降水数值模型分析
将基坑群全部纳入渗流模型中进行分析计算，研究区模型尺寸定为1 500m×1 500m，竖向分为5层。借助三维数值模拟软件，采用差分法进行离散，并建立基坑群差异化耦合降水数值模型。
在降水分析过程中明确各分区施工顺序尤为重要。根据进度计划，将本工程分为3期施工，第1期进行减压降水的为A,K区，第2期为J1,T1,B1,H区，第3期为GL,F,B2区。同一施工期内的基坑按同步或交叉施工工况考虑，由于施工间隔较长，故不考虑前期降水的干扰。通过控制各分区内减压井运行时间实现同步或交叉施工工况的模拟。利用前期试验参数反演值对基坑降水进行数值分析，计算得到各期降水完成后坑内外稳定地下水位等值线图。
通过模型计算，当开启适当数量的减压井时，第(7)层普遍区域水位降深可满足要求，计算结果如表4所示。由表4可知，在满足坑内降深需求的前提下，坑外水位降深普遍较小，表明本工程采用差异化降水的设计方法可靠，降水对周边地面沉降的影响可控。
表4 坑内外水位计算结果
4 实际运行分析
4.1 减压降水效果分析
基于降水设计计算结果，现场对各区进行减压降水施工，第1期施工A,K区，第2期施工J,T1,B1,B2,H区，第3期施工GL,F,B3,I区。实际施工工况与设计阶段计算工况基本一致，除GL逆作区外，其他分区地下室均已施工完成。
正式减压降水前进行生产性试验，与勘察阶段群井试验相比，降水参数有所差异，其中单井稳定出水量的减小较明显，减小幅度约为25%，第(7)1层完整井单井平均出水量约为4.5m3/h，第(7)1,(7)2层混合井单井出水量为15～20m3/h，设计已考虑此因素并进行了折减;此外，达到目标降深所需的时间显著缩短，勘察阶段群井试验历经约10h水位趋于稳定，而生产性试验仅需2h左右水位趋于稳定，表明悬挂式止水帷幕可有效发挥作用，延长渗流路径，并显著减小渗流补给过水断面。
在整个工程实践过程中，降水实际运行效果良好，有效降低坑内承压含水层承压水水头，防止承压水突涌，确保开挖安全。
4.2 周边水位变化对比分析
降水施工过程中对坑内外水位进行实时监测，选取不同减压降水模式或同步减压降水时对环境影响最为典型的基坑进行分析。
1)止水帷幕深度对减压降水的影响
B1,K区减压降水需求相同，但依据周边环境选取不同的止水帷幕深度。根据数值分析，减压降水施工完成后K区坑外水位降深约4.0m,B1区约2.5m，表明止水帷幕深度较大时的坑外降水效果明显。
坑外实测水位数据验证了理论计算结果的可靠性，二者水位降深趋势基本一致。实测数据显示，当坑内水位降深相同时，B1区坑外水位降深<2m，而K区坑外水位降深达3.6m(见图3)，可知B1区水位降深较小，从而保证其坑内达到目标水位时，坑外水位下降不会引起严重的地面沉降等环境问题。综上所述，采用围护-降水一体化设计时，合理选择止水帷幕和减压井的深度关系，对改变水流方向、增加渗流路径和控制坑内外水位下降具有显著效果。
图3 K,B1区坑外实测水位降深对比曲线
2)T1,H区相互影响和加强分析
基坑群在同步与交叉施工状态下，地下水渗流场产生相互影响，T1,H区基坑距离最近处仅35m，在二者降水影响半径范围内，同步降水工期重叠长达55d，根据基坑群耦合模拟计算结果可知，二者叠加效应最突出，共同影响区域内水位降深达6.5m。
预测结果在实际施工中得到验证。根据H区坑外实测水位降深变化曲线(见图4),H区坑外水位观测点分布如图5所示，受T1区同步减压降水施工的影响，北侧距T1区最近处的观测点HCW1实测水位降深达7.3m，北侧距T1区稍远的观测点HCW2实测水位降深为5.2m，而位于T1区影响范围外的南侧观测点实测水位降深仅为3.5～3.8m。此外，与H区开挖深度、止水帷幕和减压井参数等一致但未受邻近基坑干扰的A区实测坑外水位降深为3.6m，也表明H区北侧水位降深的增加是受T1区同步减压降水施工的影响。
综上所述，本工程采用的耦合降水计算模型与以往将各基坑独立设计的模型相比，更符合实际情况，可提前判断同步或交叉降水施工产生的渗流场叠加效应对坑外水位降深的影响。
5 结语
1)在超大规模基坑群同步或交叉施工工况下，通过前期专项抽水试验进行环境水文地质评价，采用围护-降水一体化设计思路，合理选择止水帷幕和减压井的深度关系，有效发挥止水帷幕的侧向隔水作用，针对不同开挖深度的基坑做到差异化降水。
2)基坑群同步或交叉悬挂式减压降水存在明显的叠加耦合效应，对周边环境的影响较大。相比单一基坑独立设计再线性叠加影响，耦合数值模型计算可适当优化减压井数量，提高降水风险前期评估的准确性。
3)工程实践证明，耦合降水数值模型计算结果可靠，通过预分析地下水渗流场的变化，为实际减压降水提供重要依据，做到按需减压降水，最大限度降低减压降水对环境的影响。
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