邻近高速铁路,30,m,深基坑承压水控制关键技术

陈 鹤（上海东华地方铁路开发有限公司 ，上海 200071）

随着基坑越挖越深，风险越来越大，承压水已逐渐成为基坑开挖阶段最大的风险源，既危害基坑的安全，又危害周边环境的安全。尤其是在高速铁路附近，承压水的控制更为重要。对于邻近高速铁路深基坑施工来说，坑外水位降深幅度应尽可能小，以确保基坑开挖和坑内降水期间不造成高速铁路沉降；
坑内基坑开挖期间又要按需降水，以控制基坑底的稳定。为了控制降承压水的施工风险和对高速铁路的影响，必须从设计、施工、监测等多环节来控制风险。

上海轨道交通市域机场联络线 JCXSG-2 标 2 号风井，为盾构接收井兼中间风井，基坑深 30.22 m，位于沪昆高铁与李莘联络线夹角地带，围护结构距离沪昆高铁线路中线最小净距离为 27 m。邻近高速铁路建造如此深的基坑，国内外尚属首次。

1.1 工程概况

基坑长 30.4 m，宽 25.4 m，围护结构采用地下连续墙，墙深 64 m，靠近高铁侧地下连续墙为 1.5 m 厚，其他三侧为 1.2 m 厚。沿基坑深度方向共设置 8 道支撑，包括 3道混凝土支撑和 5 道钢支撑，底板厚度 1.5 m。

1.2 工程地质条件

本工程属于滨海平原地貌类型，土层分布情况见表 1。

表1 土层分布

1.3 工程水文条件

地下水有潜水-微承压水和承压水两种类型。潜水-微承压水主要赋存于 ①1填土层（潜水）、④1 粉砂夹粉质黏土层（微承压水），稳定水位埋深为地表下 0.3～1.5 m。承压水位于 ⑦1 粉砂夹粉质黏土层、⑦2 粉砂层，两者相互贯通，视为同一承压含水层，稳定水位埋深 6.04～6.62 m。

2.1 隔水设计

采用嵌入式止水帷幕，基坑围护结构穿过承压水层，进入隔水层一定深度，可以有效隔断承压水。在这种情况下，只需确保围护结构止水效果，将降承压水简化为基坑内疏干，基本可以解决降承压水对周边环境的影响。机场线 2 号风井处 ⑦1、⑦2 层存在承压水，⑦2 层底埋深 78 m，⑨1中细砂层同样属于透水层，无法施作嵌入式止水帷幕隔断承压水。为了达到隔水的效果，采用在围护结构底部墙趾处施作人工隔水层的方式，即在地下连续墙底部采用 φ3 500@2 200 的 N-JET 工法桩进行满堂加固处理。隔水层加固厚度 6 m，隔水层底位于地下连续墙底以上 1 m 处。隔水层施工完成后，通过地下连续墙预留的压浆管道对地下连续墙与隔水层的接缝处进行压浆处理，保证隔水层与围护结构接缝处无渗流通道。

围护结构墙缝止水也是有效隔绝承压水的关键。接缝处地连墙外侧上部利用槽壁加固时的三轴搅拌桩、下部采用RJP 工法桩，将墙缝进行完全封闭。直径 2 400 mm 的 RJP工法桩加固深度为地下连续墙槽壁加固桩底至地下连续墙墙底,上部穿越三轴搅拌桩时引孔实施,竖向与搅拌桩有不小于1 m 的搭接。

2.2 基坑底隔水层稳定性分析

基坑开挖后，由于承压含水层覆土层厚度变薄，覆土的压力降低。当覆土压力小于或等于承压含水层的顶托力时，承压水将可能使基坑底面产生隆起，严重时使土体被顶裂产生渗水通道，从而发生基坑突涌。图 1 为基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图，采用式（1）判别基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌稳定的状态。

图1 基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图

式中：Ps—承压含水层顶面至基坑底面之间的覆土压力，kPa；

Pw—初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力，kPa；

hi—承压含水层顶面至基坑底面间各分层土层的厚度，其和等于图 4 中的 h，m；

图4 坑外潜水水位变化曲线图

γsi—承压含水层顶面至基坑底面间各分层土层的重度，kN/m3；

H—承压含水层顶面的承压水头高度，m；

γw—水的重度，取 10 kN/m3；

Fs—安全系数，本工程取 1.05。

本工程采用地下连续墙、墙缝设三轴搅拌桩＋RJP 工法桩的方式阻断侧向水的渗流路径，墙趾处设置 6 m 厚 N-jet封底隔水层阻断底部承压水。基坑最大开挖深度 30.22m，对于底部承压水，需验算封底隔水层以下⑦2层的抗突涌稳定性，验算结果见表 2。根据水文地质勘察报告，承压水位埋深 6.04～6.62 m，初始水位按地下 6.00 m 计算。计算结果表明，基坑开挖至基底时抗突涌安全系数大于上海市工程建设规范 DG/TJ08—61—2018《基坑工程技术标准》要求的1.05，满足要求。

表2 隔水层抗承压水突涌稳定性验算结果

2.3 降水设计

本工程虽有 N-jet 封底隔水层隔断承压水，但考虑到坑内降水幅度较大，同时对 N-jet 封底效果缺乏有效的检测手段，故在坑内设置降水井对 ⑦1、⑦2 层进行封闭式降水，井底设置在 N-jet 封底隔水层以上。开挖第一～四道支撑时，坑内仅需疏干上层的潜水，将水位降至开挖面以下 1 m。开挖第五～八道支撑时，对坑内 ⑦1、⑦2 层按需降承压水。开挖至基底时，已经挖至⑦1层，需将水位降至坑底以下 1 m。对基坑各开挖工况进行抗承压水突涌稳定性进行验算，计算结果见表 3。

表3 各开挖工况抗承压水突涌稳定性验算结果

2.3.1 疏干井布设

基坑开挖施工时，需疏干开挖范围内土层中的水，保证基坑开挖的顺利进行。基坑疏干面积 772 m2，单井有效抽水面积 200 m2，设置疏干井数量 4 口。为减少对承压水层的影响，疏干井滤管不可以进入 ⑦1 层，同时考虑到 ⑥1 粉质黏土层为硬土层，故将疏干井的滤管底设在 ⑥1 层顶，疏干井深度为 25 m。

2.3.2 降压井布设

本工程承压水位于 ⑦1、⑦2 层，在坑内布设降压井进行封闭式降水。开挖至基底时，已挖至 ⑦1 层，需将水位降至坑底以下 1 m，水位降深达到 25.22 m，根据工程经验，需布设 2 口降压井，滤管长度 15 m，滤料层顶设置在 ⑥1层底，井深为 48 m。

2.3.3 坑内观测兼备用井布设

基坑中布置 5 口观测兼备用井。基坑的四边且靠近支撑的地方均匀布设 1 口井，中心处布设 1 口井。观测井底部不深入 N-jet 封底层，井深为 45 m、56 m 的两种观测井，分别观测 ⑦1、⑦2 层水位情况。

2.3.4 坑外观测井布设

在基坑外，布设深、浅不同类型的观测井分别观测地下连续墙及封底隔水层周围情况。其中 41 m 井 2 口，64 m 井及 71 m 井各 1 口。

2.3.5 坑外应急回灌井布设

坑外布设 10 口应急回灌井，布设在靠近高铁一侧，井间距 15 m，井深 53 m。布设 2 口坑外观测兼备用回灌井，井深 53 m。

止水帷幕及 N-jet 封底层施工完成后，在基坑开挖之前，进行抽水试验，检验降水效果、分析坑内抽水时引起坑内外水位变化情况、以及评价地下连续墙及封底层对承压水的封闭效果。

3.1 初始水位观测

试验前对试验井点进行水位观测，初始水位情况见表4。坑外 ⑦层初始水位埋深为 5.42～6.66 m；
坑内 ⑦ 层水位因洗井影响未恢复至初始水位，降深计算时坑内井点初始水位埋深统一按场我范围内平均值 5.66 m 计。

表4 试验观测井初始水位埋深一览表

3.2 抽水试验

Y 1、Y 2 两井抽水 35.1 h，坑内 ⑦1 层、⑦2 层水位埋深为 32.00～32.10 m，安全水位控制埋深 31.20 m，满足基坑开挖至坑底时水位控制要求。此时，坑外观测井下降幅度为0.04～0.18m。试验观测井水位降深情况见表 5。

表5 试验观测井水位降深情况一览表

Y 1、Y 2 两井抽水 35.1 h，Y 1 出水量约为 219 m3，平均流量约为 6.24 m3·h-1，Y 2 出水量约为 309 m3，平均流量约为 8.80 m3·h-1。抽水试验开始后，流量随抽水时间整体呈逐步减小的趋势。开始第一小时流量为 15.7～18.9 m3·h-1，往后逐渐减小至 4.5～5.5 m3·h-1左右。图 2 为试验抽水井流量变化图。

图2 试验抽水井流量变化图

3.3 回水试验

停抽后，恢复试验历时 34.5 h，经过 30 min 坑内井水位恢复了 0.4%～1.3%，经过 1 h 恢复了 0.9%～2.5%，经过 5.0 h 恢复了 6.3%～10.3%，经过 12 h 恢复了14.4%～19.6%，经过 18 h 恢复了 19.3%～23.4%，经过 24.5 h 恢复了 25.4%～26.9%，经过 34.5 h 恢复了36.1%～38.6%。恢复速率较慢，恢复程度较低。

4.1 疏干运行控制

基坑开挖前，提前 15 d 开启疏干井，加载真空负压疏干开挖土体，开挖过程中保持持续抽水，疏干开挖范围内土体并降低其水位在开挖面以下 1 m。采用真空泵抽气和潜水泵抽水的方法降低潜水位，4 口井配备 1 台真空泵，每口井单用一台潜水泵，潜水泵和真空泵同时开启，抽水期间真空管路的真空度 ＞-0.065 MPa。

4.2 减压降水运行控制

为减少降水对周围环境的影响，随开挖深度的逐渐加大，坑内逐步降低承压水头。基坑开挖至临界深度前一周，加强对承压含水层初始水位的观测，根据实测的初始水位调整降压运行工况。通过智能化水位观测系统，密切关注坑内外水位变化情况。承压水降深控制见表 6。

表6 基坑开挖阶段承压水降深一览表

4.3 回灌井运行控制

坑外承压水位降幅报警值为 0.5 m，当降幅接近报警值或有明显下降趋势时，应及时启动应急回灌井，回灌后水位控制在初始水位附近。回灌水源优先采用自来水，水源不充足时可考虑基坑内抽出的承压水。本基坑开挖至第七道支撑深度，坑外承压水位有明显下降趋势，开启回灌井回灌，水位稳定在初始水位 ±20 cm，直至底板浇筑完成。图 3 为坑外承压水水位变化曲线图。

图3 坑外承压水水位变化曲线图

5.1 坑外潜水位监测

坑外设置 8 个潜水位观测孔，从基坑开挖初期进行跟踪观测，直至基坑底板浇筑完成。由观测数据可知，潜水位变化很小，变化范围 ≤30 cm，说明受坑内降水影响较小，围护结构止水良好。图 4 为坑外潜水水位变化曲线图。

5.2 墙顶竖向位移

地连墙顶部设置 10 个观测点，观测墙顶竖向位移。从基坑开挖以来，随着坑内土体减少，地下连续墙整体呈上浮趋势，底板施工完成后,上升速率减小，趋于稳定，最大上浮量 7.5 mm。支撑拆除、主体侧墙施工过程中，出现回弹趋势,回弹量 2 mm 左右，随着水位的稳定，变化速率越来越小，并逐渐稳定。图 5 为围护体顶部竖向位移变化曲线图。

图5 围护体顶部竖向位移变化曲线图

5.3 高速铁路桥墩竖向位移

沪昆高铁 141#、142# 桥墩各设置 3 个观测点，观测桥墩竖向位移。基坑施工期间，141#、142# 桥墩竖向变化量均 ＜2 mm，说明封底隔水、围护结构止水良好，坑内降水对高铁桥墩影响较小。图 6 为高铁桥墩竖向位移变化曲线图。

图6 高铁桥墩竖向位移变化曲线图

本工程采用隔水和抽灌一体化的综合设计，采用地下连续墙、墙缝三轴搅拌桩＋RJP 工法桩的方式阻断侧向水的渗流路径，墙趾处设置 6 m 厚 N-jet 封底隔水层阻断底部承压水，坑内设置降水井进行封闭式降水，坑外设置回灌井确保水位稳定。基坑开挖之前，进行抽水试验，初步评估降水对坑内外的影响。基坑施工期间，坑内封闭式降水，坑外及时进行回灌，全过程对水位、基坑支护结构、高铁桥墩进行观测。从设计、施工、监测多方位综合控制承压水对基坑开挖的影响，进而减小对邻近高铁的干扰，基坑围护结构和高铁变形均在控制标准要求范围内，确保了基坑施工和高铁运营安全，为今后类似工程提供借鉴。