本项目位于上海浦东新区竹园商贸地块, 浦东新区杨高南路378号。地块东邻规划中的竹林路, 西侧为张家浜河, 南邻杨高南路和立交桥, 北侧是规划开发的商贸区。基坑为超大型深基坑, 总面积约48 860m², 基坑总延长950m, 上交所、中金所、中国结算区域基坑开挖深度分别为27.90, 27.90, 27.10m。纯地下室普遍区域开挖深度为26.50m;设备落深区基坑开挖深度为28.06m;连廊电梯井区域基坑开挖深度为27.10m。整个基坑可分为塔楼顺作区、纯地下室逆作区及金融剧院区。其中塔楼顺作区由上交所塔楼顺作区、中金所塔楼顺作区及中国结算塔楼顺作区组成。基坑总平面如图1所示。

本工程基坑开挖范围内需要疏干的土层主要为第②层粉质黏土、第③夹层黏质粉土、第③层淤泥质粉质黏土、第④层淤泥质黏土和第⑤层粉质黏土。其中第③层淤泥质粉质黏土含水量41.2%, 第④层淤泥质黏土含水量49.2%, 呈流塑态, 第⑤层粉质黏土含水量36.3%, 呈软塑~流塑态。潜水含水层土体含水量均较高。若不采取合理措施降低其含水量, 会造成基坑底面积水, 直接影响基坑开挖面上的施工。还会影响开挖土体的稳定性, 容易引发坑内流水流砂、放坡失稳等问题。

为了进行全面的基坑降水渗流分析及制定合理的基坑降水技术方案, 需建立关于本基坑工程降水的水文地质物理模型及数值分析模型, 在此基础上进行基坑降水渗流分析与设计计算, 以检验井结构设计的合理性与降深的效果好坏来综合确定井的深度与井的数量, 同时预测基坑降水对周边地下水的渗流影响。

依据本工程专项水文地质抽水试验所得成果, 将现阶段的止水帷幕 (外墙53m、内墙约45m) 和抽水井设计参数 (井深45m和48m) 赋予模型中, 采用三维数值模拟技术分别预测3幢塔楼区和纯地下室降水引起坑内外地下水水位降深情况 (分区降水) 。对塔楼区域建立三维数值模型计算结果如图2所示。

根据数值计算结果, 塔楼基坑在各工况下分区域所开启降压井可以满足分阶段的基坑水位降深需求。基坑开挖至底时, 坑外杨高南路下立交区域最大水位降深约4.9m, 雨水泵房区域最大水位降深约为4.2m, 沉井结构处最大水位降深约3.5m。

传统的真空降水工法在基坑开挖期间由于随基坑开挖暴露出的滤水管漏气, 基坑开挖后真空度逐渐丧失, 而超强真空降水井在基坑开挖期间搭设辅助操作平台进行管理, 上部无滤管可以保证持续的抽水和较缓的真空度衰减, 降低人工操作强度。针对本工程, 对于顺作开挖区域, 仅在基坑开挖至底时滤水管暴露出来, 大大减少了在基坑开挖期间的基坑降水时间, 降水效果明显增强。由于超强真空降水井较高的负压真空, 使降水井单井涌水量显著增大可以减缓水力漏斗坡度。降水井数量的减少方便了基坑土方开挖, 也减少了人工操作强度。不同降水方法负压对比如图3所示。

根据各部位的支撑形式和地下水渗流数值计算的结果分析, 按照400m²确定一口超强真空降水井, 各部位布设井数如表1所示。

由于本工程周边环境复杂且较敏感, 杨高南路有雨水泵房 (距离地墙约8m) , 东侧有杨高路下立交 (距离地墙约35m) 。基坑开挖和坑内降水很可能对周边产生一定的不可逆转的影响, 因此首先必须预测基坑施工降水对周边地下水影响, 采取必要的防治措施保证基坑施工安全合理的进行, 确保建筑项目的顺利完成。

图4为基坑浇筑底板前塔楼区区域⑦层降水引起地面沉降的等值线云图。

将上图沉降等值线数据化, 如表2所示。

为对比分析坑外承压水水位变化情况, 设置小口径 (孔径400mm, 管径108mm) 水位观测孔和孔隙水压力计2种形式。承压水位观测点共14个, 孔隙水压力监测孔共4个, 深度设置为35m, 按照进入⑦_1-2砂质粉土层约2m进行控制。

群井抽水试验期间, 因为出水量大, 地面沉降变化趋势较明显, 沉降分布形式与水位降深形式大体一致, 由抽水中心向周边扩散, 并且呈现非线性衰减, 说明沉降主要因抽取地下水所引起。此外, 漏斗中心的偏差表明沉降受到一定程度上的外界干扰。

根据群井抽水试验成果以及基坑降水对周围环境沉降影响的预测综合分析, 为控制基坑顺作和逆作分阶段实施长时间减压对周围环境的影响, 基坑止水帷幕等厚水泥土搅拌墙深度53m, 可形成有效的悬挂式隔水边界。图5为塔楼区TC1测点的地下水位变化。可以看出动态水位下降的比较平稳, 45d后由于基坑工程进入尾声, 完整降水也趋于结束, 因为地下水的各向补给, 所以水位略有回升。

根据减压降水效果的复核结果, 坑内减压降水时杨高南路和雨水泵房侧承压水最大水位降幅达5.3m。结合周边环境变形控制的要求, 暂定在坑内减压降水引发杨高南路和雨水泵房侧坑外水位降幅达3.0m时启动坑外回灌。

利用前期建立的水文地质三维渗流模型进行抽灌一体数值分析, 分析结果如图6所示。

从图6可以得出结论, 在坑外回灌的作用下, 塔楼区坑外承压水位比不回灌减少约2.5m;在基坑深部承压含水层中的止水帷幕隔水效果良好的情况下, 回灌井回灌水量以水平渗透为主, 回灌效果明显;回灌井由于回灌水量的限制, 其影响半径较小, 其回灌水位回弹较明显区域主要集中在回灌井附近;抽灌同时进行时, 在帷幕隔水性能良好的情况下, 由于止水帷幕显著的水平向隔水效应, 其对坑内水位的回升造成的影响相对较小。

选取TC1, TC2, TC3, TC4, TC5号沉降观测点 (见图6) 绘制沉降曲线, 如图7所示。

监测点的沉降曲线形态类似, 塔楼南侧TC1, TC2, TC3沉降极值在-3~-5mm, 塔楼北侧TC4, TC5为-7~9mm, 说明基坑北侧沉降量小, 南侧沉降量大。这是由于在基坑北侧有一5层旧有建筑, 从而形成较大的坑边超载。因此在基坑降水工程中, 基坑周边环境情况应特别注意, 尤其是存在建筑物或超载的应特别重视防范。

1) 超强真空降水井均需要搭设平台进行管理, 超强真空降水井井口需安装真空表, 真空度读数不得低于0.07MPa, 并安装水位自动控制仪。

2) 超强真空降水井在基坑开挖过程中须严格保持滤料通畅, 滤料遭到土方掩埋时须及时进行清理。

3) 超强真空降水井在基坑开挖过程中, 暴露出的实管若存在漏气现象, 须及时包膜进行封闭。

4) 超强真空降水井须安装流量设备进行计量。

5) 超强真空降水井安装的潜水泵深度须高于内管进水口约20~30cm。

6) 单向阀应安装在抽水泵出水管, 防止断电停机水倒流, 也防止水泵叶轮因倒转损坏, 避免不抽水时造成空气通过水管漏进井内而引起真空度的损失。

本工程为超深超大基坑, 降水的难度与未知的风险都很大, 为了保证施工的顺利进行, 结合以往的基坑降水经验开发了一套“基坑疏干降水风险控制系统” (见图8) 。该系统依托4个相关的技术专利构成, 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。

以上系统实现了降水运行风险控制由自动化向智能化的转变, 且经类似风险较大的工程实践, 取得了很好的效果。

1) 超强真空降水井比普通的真空降水井单井涌水能力强, 疏干面积大, 可以有效减缓水力漏斗坡度降水井数量的减少方便了基坑土方开挖, 也减少了人工操作强度。

2) 在基坑深部承压含水层中的止水帷幕隔水效果良好的情况下, 回灌井回灌水量以水平渗透为主, 可以起到一定的回灌效果;回灌井附近回弹比较显著;抽灌同时进行时, 由于止水帷幕显著的水平向隔水效应, 其对坑内水位的回升造成的影响相对较小。

3) 在基坑开挖过程中应用了一套“降压井运营风险控制系统”。系统采用无线通讯技术和传感器技术配合专家评估系统, 对降承压水风险进行实时控制, 具有创新性, 实际施工中效果良好。