软土地区深基坑多层地下水处理措施分析

姚武松 （上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

根据国家的建设规划，上海作为中国国际经济、金融、贸易和科技创新中心，城市地下空间的开挖利用逐渐更大、更深化。近年来建设的商业综合体、轨交等深大基坑普遍达到了地下四～五层。上海地区是典型的长江三角洲冲击平原，是海拔相对较低的滨海城市，地处软土地区，具有潜水、微承压水和承压水等丰富的多层地下水，地下水处理成为深大基坑最为显著的问题。在工程建设过程中，如何有效地处理开挖范围内的软弱黏性土、避免深层承压水突涌，确保基坑安全施工，同时减小降水对周边环境影响，是设计和施工过程中需侧重考虑的问题[1]。

本文以上海市某深基坑为例，采用分层降水+回灌的方式处理地下水，满足基坑开挖的同时，避免多抽、超降对周边环境造成影响。采用新型工艺气动真空疏干降水处理上部软弱黏性土，深层未完全隔断的承压水采用减压井悬挂式减压降水，结合抽灌一体化技术对周边环境进行保护处理的思路，进行基坑降水的设计和施工工作[2]。本文对软土地区深基坑多层地下水的典型案例进行总结和归纳，以供类似工程参考和借鉴。

1 工程简介

1.1 工程概况

上海某城市快速路新建工程整体呈东西走向，采用地道+高架的组合形式，建设规模为双向6 车道。工程基坑包含工作井和明挖区间，基坑长195.00m、宽24.40m，挖深13.71～28.11m。围护型式采用0.8m/1.2m 厚的地墙，墙深31～52m，4～5 道混凝土支撑+钢支撑支护。坑内采用裙边加固和抽条加固进行淤泥质软土处理。整体采用明挖顺作法施工，局部采用盖挖法施工。工程周边临近多个小区和办公区，特别是基坑南侧环境较复杂，建筑距离基坑约8～20m，位于1 倍开挖深度范围内，普遍为天然基础和桩基础，并且基坑周边管线也较为复杂。基坑安全等级为一级，环境保护等级为二级。

1.2 工程地质和水文地质

工程所处位置按地貌单元划分属于滨海平原地貌类型。地面以下85m 以内分布的土层自上而下依次为①1 层杂填土、②1 层粉质粘土、②3A 层粘质粉土、③层淤泥质粉质粘土、④层淤泥质粘土、⑤1 层粉质粘土、⑥层粉质粘土、⑦1层砂质粉土、⑦2 层粉细砂、⑧1 层粉质粘土夹粉砂、⑧1T 层粉质粘土与粉砂互层、⑨粉细砂层。

地下水主要为赋存于浅部土层中的潜水和深部的第⑦层、⑧1T 层、⑨层的承压水。潜水含水层水位埋深一般为2.1～2.3m，受潮汐、降水量、季节、气候等因素影响而变化。对工程有影响的承压水主要为第⑦层承压水，层厚约32m，水位呈周期性变化，实测水位埋深3.82m。

基坑落底于第⑤1 层和⑥层，开挖范围内主要为软弱粘性土，具明显触变及流变特性，并且渗透系数较小，短时间内难以疏干。坑底临近揭穿第⑦层承压水，承压水具有突涌的风险，需进行减压处理。围护采用地墙作为止水帷幕，墙底位于第⑦2 层，进入承压水10～22m，未完全隔断承压水，属于悬挂式减压降水，坑内减压降水期间必然引起坑外水位的下降，从而导致周边环境的沉降。为减小坑内降水期间坑外的水位变化，需采取有效的保护措施，可采用加深地墙隔断承压水或回灌的措施进行保护，从施工难度、工期长短和经济性考虑，回灌是最经济、简单且有效的措施[3]。

2 技术难点

2.1 难点分析

为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量，基坑开挖范围内主要为淤泥质软弱粘性土，具有较明显的触变及流变特性，在动力作用下土体强度极易降低。第②3A 层为粘质粉土层，含水层丰富，粘性土含量较高，开挖过程中易出现流砂现象。

基坑下伏承压含水层主要为第⑦层，存在突涌风险，含水层较厚，渗透系数较大。围护结构未完全隔断第⑦层承压含水层，属于悬挂式减压降水。

基坑周边环境较复杂，受减压降水的影响。

基坑开挖深度较深，悬挂式减压降水风险相对较大，现场需配备双电源，预防停电产生承压水突涌的现象，同时做好信息化施工并及时预警。

2.2 处理措施

对开挖范围内的潜水采用新型降水方式气动真空进行疏干降水，同时确保基坑开挖前预降水时间不少于20天。

利用Visual ModFlow 建立水文地质概念模型，进行三维渗流数值法计算分析，在基坑内布设第⑦层减压降水井，基坑开挖过程中分层按需降低承压水水头，确保基坑安全。

基坑外侧布置第⑦层承压水回灌兼观测井，进行抽灌一体化运行，减小减压降水对周边环境的影响。

现场施工配备具有自动切换功能的备用电源；水位监测采用自动化监测，实行信息化施工，进行水位监测和预警。

2.3 基坑抗突涌稳定性验算

基坑开挖面以下存在第⑦层、⑧1层和⑨层承压含水层，必须进行基坑突涌稳定性分析。开挖过程中，有效控制承压水水头埋深，防止基坑发生突涌事故。通过计算可知，基坑不满足第⑦层抗突涌验算，需对第⑦层减压，临界开挖深度为13.98m。基坑底板距离第⑦层承压含水层顶1.68m，隔水层不到2.00m，为确保基坑安全，开挖至大底板时需将第⑦层水头降至坑底以下1.00m，安全水头埋深29.11m，需降深25.29m。经计算第⑧1层和⑨层临界开挖深度为29.71m，基坑满足抗突涌验算，无需对第⑧1 层和⑨层进行减压处理。

3 降水井设计

3.1 疏干井布置

为确保基坑顺利开挖，需降低基坑开挖深度范围内的土体含水量，本工程需要疏干的层位包括①1 杂填土、②1 粉质粘土、②3A 层粘质粉土、③淤泥质粉质粘土、④淤泥质粘土、⑤1 粉质粘土。根据上海区域工程经验，坑内疏干深井数量确定公式为：

式中：n-井数(口)；A-基坑需疏干面积(m2)；a井-单井有效疏干面积(m2)。

基坑总面积3577m2，分4 个坑施工。开挖范围内需要疏干的层位主要为淤泥质软弱粘性土和粘质粉土，根据地区经验综合考虑疏干管井单井有效疏干面积按约200m2/口布置，且井深不进入第⑥层（俗称“硬壳层”），设置1m 沉淀管、分段设置过滤器，过滤器避开支撑和底板，平面位置避开支撑、栈桥、加固、工程桩。共布置真空疏干深井19 口，其中2 口20m、5 口22m、4 口24m、8 口26m。孔径650mm，井径273mm，钢管材质，外包单层60 目密目网，滤料选用中粗砂，采用黏性土封孔。

3.2 坑内减压井和观测备用井布置

根据拟建场地的工程地质与水文地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，降水设计采用软件Visual ModFlow 进行三维渗流数值法计算，为降水设计与施工提供理论依据。

地下水渗流系统符合质量守恒定律和能量守恒定律；含水层分布广、厚度大，在常温常压下地下水运动符合达西定律；考虑浅、深层之间的流量交换以及渗流特点，地下水运动可概化成空间三维流；地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。

综上所述，模拟区可概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。模拟区水文地质渗流系统通过概化、单元剖分，即可形成为地下水三维非稳定渗流模型[4]。

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散得到数值模型，以此为基础编制计算程序，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布。

图1 离散模型网络三维图

根据模拟计算结果，坑内减压井共布置11 口，井深设置为40m、44m、45m、47m，孔 径 650mm，井 径273mm。钢管材质，外包单层60 目密目网，滤料选用中粗砂，滤料上部填筑不少于5m的粘土球并采用黏性土封孔。

在基坑土方开挖过程中，挖机可能会挖坏或碰坏降水井，运行过程中也可能会出现水泵故障等情况，导致无法正常运行。因此在以上降水计算的基础上，应在坑内设置约20%的应急备用井。同时，降水过程中，基坑内水位观测非常必要，根据开挖进度分级降水，做到按需降水、降水最小化。确保水位控制满足基坑安全需要的同时减少降水对周边环境的影响。根据分区概况，坑内共布置4 口第⑦层承压水观测兼备用井，井深40m、44m、45m，孔径650mm，井径273mm，井结构同坑内减压井。

3.3 坑外回灌兼观测井布置

基坑周边环境较复杂，止水帷幕未隔断第⑦层承压水，属于悬挂式减压降水。在后期基坑开挖过程中坑内长时间、大幅度抽降承压水，必将引起坑外地面沉降变形。

为减少坑内减压降水对周边环境的影响，坑外需布置承压水回灌兼观测井。坑外水位或环境监测达到降水预警值时及时开启回灌，通过抽灌一体化运行，减缓沉降变形，减小对周边环境的影响。

在基坑北侧按照30m/口间距布置第⑦层承压水回灌兼观测井，基坑南侧按照10m/口间距进行布置，共布置25口，其中19 口井深45m，6 口井深54m、孔径650mm、井径273mm。

4 降水运行

4.1 真空疏干井运行

本工程采用气动真空降水进行疏干处理。气动降水工艺是一种利用压缩气体动能排水的新型降水工艺。该工艺通过抽水控制中心连接空压机和土体疏干井，一台空压机最多可连接4 个控制箱，每个控制箱可连接12 口土体疏干井。启动抽水时，抽水控制中心控制空压机输入压缩空气将井内地下水排出井外；井内液面降低后，抽水控制中心可自动停止该降水井输气，通过真空加快地下水汇集。通过降水控制柜的调配，使多口疏干井可以同时形成负压和气举降水以达到疏干土体的效果。基坑开挖期间现场气动降水共使用1 台真空泵，真空泵功率22kW，同时带动12 口疏干井抽真空，真空度可达到0.07MPa，满足设计要求，疏干效果很好。

真空疏干深井预降水应在基坑开挖前20d 或更早进行，以保证有效降低开挖土体中的含水量，确保基坑开挖施工的顺利进行。并加真空运行，加快集水效率和扩大单井影响范围。井管随土方开挖逐层切割，并及时恢复真空运行。原则上24h 连续加真空运行，确保基坑开挖至大底板时水位控制在基坑底板面以下0.5～1.0m。

4.2 减压井运行

承压水根据开挖工况分层按需降水，降水最小化。基坑临界开挖深度为13.98m，开挖第1～4 道支撑时无需开启，开挖第5 道支撑时需开启减压降水，一直运行至基坑大底板浇筑完成且满足抗承压水稳定后再停止抽水，累计抽水85天。

减压井抽水运行期间，40m 减压井平均单井出水量10m³/h，44m/45m 减压井平均出水量20～44m³/h。群井效应下坑内减压井的出水量会随周边水头下降而减小，主要是由于坑内水头的下降会导致抽水井周边水压力下降，从而引起抽水井进水能力发生改变，可见抽水井的出水能力受井边水压力的影响。根据本工程对抽水井出水量和同层观测井静止水头数据的对比分析，发现抽水井的出水量衰减量和周边水头高度减小量成正比。

图2 出水量与观测井水头高度的关系图

4.3 回灌井运行

由于本项目属于悬挂式减压降水，坑内外存在较强的水力联系，为减小降水对周边环境的影响，采用抽灌一体化技术来维持坑外水位稳定、减缓沉降变形[5]。

抽灌一体化系统包括抽水系统、水质处理系统和回灌系统。坑内抽出的地下水经水质处理系统处理满足回灌水质要求后，回灌至坑外回灌井内，通过人工补给地下水来维持承压水水头的稳定。回灌井内安装自动回灌控制装置，实现自动化控制，同时进行定期回扬维护处理。

回灌运行期间平均单井回灌井约2～4m3/h，最大总回灌量约30～50m3/h，约占坑内抽水量的30%～50%。回灌运行期间坑外水位基本处于稳定状态，周边环境沉降监测未超过报警值，达到了回灌的目的，起到了回灌保护的作用。

4.4 运行安全保障措施

①生产性抽水试验

基坑开挖前进行现场生产性抽水试验，验证群井降水效果是否满足设计要求，检验止水帷幕的隔水效果，检验排水系统是否满足最大排水需求。根据试验结果深化降水设计，细化降水运行方案。

②双电源保障

由于本项目属于悬挂式减压降水，坑内外水力联系较强，根据现场试验情况，减压井停抽30min，水位恢复68.63%，水位恢复迅速。为预防停电引起基坑内水位迅速回升造成基坑突涌现象，减压降水运行期间应对运行水泵配置两路电源，一路市电、一路发电机。常用的市电停电后备用发电机自动启动。根据现场运行水泵情况，现场配备1 台120kW 发电机，并且发电机具备可自动启动功能，配备备用电源智能切换系统，双电源自动切换控制时间不应超过1min。定期进行断电切换演练，确保备用电源可以在应急情况下正常运转。

③降水自动化监测

本工程降水风险较大，水泵损坏后短时间内来不及更换，备用井内提前下好备用水泵，随时可应急开启。水位观测至关重要，采用水位自动监测系统实时监测水位，可远程监控、显示水位，水位异常达到报警值时及时预警。

5 结论

上海区域等软土地区上部潜水采用气动真空降水具有一定的可行性，相比传统降水更加安全、环保。

悬挂式减压降水结合围护结构和水文地质参数，利用Visual ModFlow 建立水文地质概念模型进行三维渗流数值法计算分析较为科学准确。群井效应下抽水井出水量会随水头高度降低而成比例减小。

通过回灌措施可有效地维持坑外水位稳定，起到保护周边环境的作用。

合理的安全保障措施可有效地减小基坑的风险，确保安全施工。