機場樞紐近磁浮區域超深基坑地下水控制技術

張 寧

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

隨著上海城市地下空間建設的飛速發展，基坑開挖越來越深，周邊環境越來越敏感，基坑開挖涉及的承壓含水層越來越多。這些含水層構成了一個厚度大、滲透性差異明顯的復合承壓含水層組。如何綜合有效管控超深基坑中出現的復合承壓含水層組，已成為上海地區超深基坑明挖建設中必須解決的一個關鍵技術問題。很多情況下，承壓含水層無法完全隔斷或經濟上不具有可能性，例如在上海⑦層與⑨層連通區域和⑤2與⑦層連通區域，含水層深達百米以上，此時采用單一的降水管井方案已經遠遠不能達到基坑安全施工的目標，創新應用圍護+ 降水綜合設計的理念，綜合地進行復合承壓含水層組的管控，既能滿足基坑開挖要求，又能達到周邊環境保護的目的。

1 工程概況

機場聯絡線浦東機場站位于T1 航站樓與T2 航站樓之間，即上海浦東機場的交通主干道—迎賓大道的正下方。車站為城際列車和市域列車共線?？空?，是地下二層單島加越行站，主體長557m，寬35 m，總建筑面積達約4.6 萬m2，見圖1。北側為景觀水池，南側為在建旅客過夜用房，西側為P1 停車庫，東側為磁浮及軌交二號線。車站范圍內存在大量涉及機場運營的重要管線，車站上方還有三座人行連廊、空港賓館上匝道、長途客運站需進行拆除，周邊環境非常復雜，同時項目施工期間需保證機場運營需求，機場不停航施工要求高。

圖1 浦東機場站平面示意圖

浦東機場站車站主體劃分為3 個基坑（一區、二區、三區），采用地墻+明挖支撐的圍護體系。在機場核心區實施深基坑，施工難度大，車站主體結構與磁懸浮樁基礎距離僅為26.5 m，對周邊環境保護要求也極高，磁浮公司對項目基坑施工要求：“樁基處水位降幅不得大于1.0 m”。

2 工程地質及水文地質

2.1 工程地質概況

根據項目勘察報告，基坑最大鉆探深度為85.0 m，場地北端為正常沉積區（靠一區區域），南端為古河道沉積區（靠二區區域），在現場勘探深度范圍內，從上到下可以分為為六個大層以及若干亞層。底板以上土層為①1層填土層、②3層灰色黏質粉土、③層灰色淤泥質粉質黏土、③T層灰色砂質粉土、④層灰色淤泥質黏土，底板及底以下土層為⑤1層灰色黏土、⑤3-1層灰色黏土、⑤3-3層灰色粉質黏土夾粉土、⑦2層粉砂、⑨層粉砂。

2.2 水文地質概況

擬建場地揭露的地下水分為賦存于淺部土層中的潛水以及⑦層和⑨層的承壓水。

根據地質勘探資料和地區經驗，淺層潛水年平均高水位埋深0.5 m，年平均低水位埋深為1.5 m。承壓含水層主要有⑦1層黏質粉土、⑦2層粉砂、⑨1層粉砂和⑨2層礫砂層，⑦層的承壓穩定水位平均埋深6.68 m。

一區、三區地墻墻趾位于⑦2層粉砂，二區地墻墻趾位于⑤3-1層粉質黏土。本工程地層受古河道切割影響，南北向地質條件起伏大。淺層②3、③T砂性土較厚，約7 m。④層淤泥質土厚且深，層底埋深約19.5～22.5 m。⑥、⑧層缺失，承壓水⑦、⑨層聯通。地質縱剖面見圖2。

圖2 地質縱剖面圖

2.3 地質與水文特點分析

（1）淺部分布厚約4.5 m 的②3層黏質粉土和1.8 m 厚的③T層砂質粉土，在動水作用下易發生流砂，需進行疏干降水處理。

（2）⑤3-1層粉質黏土分布在二區和三區，受古河道切割影響，由北往南該層厚度由0 m 增大至32 m；⑤4層粉質黏土僅局部呈透鏡體分布，厚度約3 m；在基坑南段分布⑤3-3層粉質黏土夾粉土，與下伏⑦2層粉砂直接連通。

（3）其下分布⑦1層黏質粉土和⑦2層粉砂，為第一承壓含水層。⑦1層僅在一區分布，厚約2.8 m；⑦2層粉砂層由北往南埋深變大，含水層組厚度超過30 m；該層在約66～75 m 范圍分布⑦2T-2層粉砂夾粉質黏土夾層，滲透性相對較小。

（4）其下分布第⑨層粉細砂層，⑦層、⑨層連通。⑨層底下分布第⑩層粉質黏土隔水層。根據地質縱剖面圖，基坑底部落在⑤1層粉質黏土，圍護墻趾則插入⑦2層粉砂層，未隔斷承壓含水層。

（5）古河道區⑤3-1層弱透水層厚度變化極大，由北往南厚度由約0 m 增大到約32 m，使得下伏⑦層承壓水起伏很大，層頂埋深由約30 m 變化到約63 m，使得坑內降深幅度差異較大。

（6）結合以上考慮，針對性的進行圍護+ 降水方案綜合設計，綜合進行復合承壓含水層的管控。

3 圍護結構設計

浦東機場站本體的支護形式為厚1000 mm 地墻(局部落深部位1200 mm），與內襯墻按照疊合墻設計，見圖3、圖4。

圖3 地下連續墻平面示意圖

圖4 地下連續墻剖面示意圖

車站本體基坑選擇明挖法，土方開挖流程為順做法，基坑平均深度23～26 m，沿基坑深度方向設置六道支撐（端頭井設置七道支撐），基坑內設兩道封堵墻。先實施北側一區基坑和南側二區基坑，再實施中間三區基坑。其中一區、三區和封堵墻地下連續墻采用套銑接頭，二區為十字鋼板接頭，墻縫均采用RJP 止水。

地墻作為隔水帷幕，主要作用是隔斷基坑內外的地下水聯系或者增加基坑內外地下水繞流的路徑。為此，地墻深需要滿足隔斷坑內外潛水及承壓水聯系的要求，或進入隔水層足夠深度以形成可靠的隔水邊界。本工程承壓水⑦、⑨層聯通，滿足隔水要求的地下連續墻深度需遠大于基坑結構穩定計算要求的入土深度，將極大增加建設成本，綜合多方面考慮，一區和三區地墻底部分別設置構造段,即通過增加隔水帷幕長度達到滿足隔水深度要求的目的。

4 降水控制設計

4.1 初步方案

（1）設置疏干井降低基坑內的潛水

本工程坑內加固較多，基本將淤泥質土置換，故車站基坑的降水井單個抽水面積選擇上取280 m2?？紤]水力降落漏斗的存在，疏干井一般深入至基坑開挖底面以下6 m 左右，井深為30 m，其中一區因⑦層埋深較淺，為確保疏干井不揭穿承壓水，井底于⑦層頂保持3 m 以上距離，井深為27 m。

（2）設置降壓井降低承壓含水層水頭，滿足抗突涌需求

本次基坑減壓降水采用懸掛式隔水帷幕+ 降水一體化設計，一區止水帷幕東側75 m、西側65 m，降水井深為42 m，濾管深度為32～41 m；靠近三區井深47 m，濾管深度為37～46 m；三區止水帷幕東側65 m、西側60 m，靠近一區降水井深為47 m，濾管深度為37～46 m；三區中部區域井深50 m，濾管深度為37～46 m。三區近二區處及二區范圍內不布置降壓井,見表1 及圖5。

表1 降水井工作量統計表

圖5 承壓水降水井平面示意圖

（3）采用地下水綜合控制技術，控制和減小坑外降深和沉降，保護環境

坑內降壓井根據基坑開挖實施按需降水（見圖6）。因東側磁懸浮沉降控制要求極高，需控制坑外水位降深小于1 m，主要于一區和三區北側坑外東側靠近磁懸浮一側布設回灌井（見圖7）?；毓嗑嚯x基坑和磁浮約10 m，為增提高回灌效果以更好地控制沉降變形，并考慮回灌水部分進入坑內對坑內降水的影響，回灌井濾管深度設計為50 m 與60 m 交錯布置，主要考慮對⑦層進行回灌?；毓嗑g距按照15 m布置，共布置回灌井21 口及6 口觀測井。

圖6 坑內承壓水降水井剖面示意圖

圖7 坑外回灌井及承壓水觀測井剖面示意圖

4.3 抽水試驗及分析

（1）基坑開挖前需進行抽水試驗，現以一區抽水試驗進行分析，見表2 和圖8～圖11。

表2 抽水試驗過程

圖8 單井試驗期間坑內及坑外觀測井水位埋深曲線

圖9 群井試驗期間坑內及坑外觀測井水位埋深曲線

圖10 抽灌試驗各抽水井流量變化及回灌總流量變化曲線

圖11 抽灌試驗坑內及坑外水位埋深曲線

（2）抽水試驗結論分析

a. 坑內開1Y3 單井抽水，流量12.3 m3/h，坑內降壓觀測井水位降至埋深14.49 m，降深6.51 m，坑外水位降深0.13 m。根據試驗數據結合規范中有關計算公式應用Aquifer Test 軟件對數據進行水文地質參數的計算，見表3。

表3 ⑦2 層承壓水含水層水文地質參數

b. 坑內開啟1Y1、1Y5、1Y8 三口井抽水，總流量19 m3/h，坑內水位降至埋深22.13～22.77 m，此水位滿足基坑標準段開挖至底時⑦2層水位控制要求。

c. 坑內開啟1Y1、1Y3、1Y5、1Y8 四口井抽水，總流量28.5 m3/h，坑內水位降至埋深23.60～24.11 m，降深13.52～14.31 m，此水位滿足基坑端頭井開挖至底時⑦2層水位控制要求。此時坑外水位降深0.31～0.55 m，坑內外降深比約25～30∶1，坑內降水對坑外水位影響較小，對磁浮側的降深影響在控制要求的1 m 以內。

d. 停抽后基坑內承壓水位恢復速率較慢，停抽30 min 恢復8%，1 h 恢復12%，24 h 仍未恢復至初始值。

e. 承壓水位滿足控制要求的基坑涌水量較小，坑內降壓對坑外影響較小，停抽后坑內水位恢復緩慢，說明試驗期間圍護止水效果良好，且⑦2層垂向滲透性較差，坑內降壓時接受的補給較少。

f. 根據長期抽灌試驗，坑內開啟7 口井，總流量13 m3/h 可維持水位埋深24 m 左右，可以滿足水位控制要求，滿足基坑開挖要求?？觾人槐３只痉€定時，坑外回灌總流量6～8 m3/h，東側（回灌側）水位上升約0.5～0.9 m，西側（無回灌側）水位下降0.42～0.50 m?；毓嘈Ч己?，可確?；毓鄥^坑外水位控制要求。

5 地下水運行管控

5.1 疏干運行管控

（1）基坑開挖前20 d，首先進行坑內疏干，對降水井采取抽真空加負壓方式，此外，在基坑開挖階段，應維持連續不斷進行抽水，使得開挖階段的地下水位始終低于開挖面0.5～1.0 m。

（2）坑外潛水位觀察孔布置完成并取得初值后，疏干井方可進行正式抽水。疏干降水井需24 h 持續不斷運行。

（3）每臺真空泵可滿足3 口降水井的負壓運轉，潛水泵則按按每口井1 臺配置，即采用真空泵抽氣和潛水泵抽水聯合的方法來降低潛水水位。兩種類型泵同時運轉，在真空泵的井管與吸氣管連接處安裝真空壓力表進行監測。井管內的真空壓力應不小于0.065 MPa。

5.2 減壓降水運行管控

（1）針對減壓降水，為最大程度減少基坑降水對周圍環境以及周邊市政設施、構筑物的影響，必須按需降水。

（2）根據計算結算，當土方開挖至臨界標高時，開始對降壓井進行抽水，同時，開始對觀測井的承壓水位標高進行動態監測。詳細減壓降水工況經降水試驗驗證，本工程按表4 進行。

表4 承壓水水位控制工況表

式中：F 為基坑開挖抗突涌安全系數，不小于1.1 時，開挖穩定性滿足要求；H 為承壓含水層頂板埋深，一區取41 m，三區取51 m；rs為底板至承壓水層頂板間土層加權平均重度，取18 kN/m3；rw為地下水重度，取10 kN/m3。

（3）減壓降水運行時，應配置單獨的動力電纜線，宜配置雙路電源供電保證減壓降水運行正常。

5.3 回灌運行管控

（1）針對回灌水的水質，首先要干凈無污染，pH值控制在6.5 至7.5 區間。同時，回灌水源的亞鐵和錳的含量應當予以控制，防止回灌過程中接觸氧發生氧化形成懸浮物堵塞濾孔和反濾層?；毓嘣匆部刹捎锰幚磉^的原水（抽水井內抽出的地下水）或自來水。

（2）本工程回灌井布置位置因距離地墻較近，因此不采取加壓措施以免對圍護止水效果產生影響。

（3）坑外地下水回灌階段，需要每隔一段時間進行回抽，主要作用是抽出回灌階段產生的顆粒物以及空氣等，防止管井阻塞，以保障回灌的可持續性。

（4）回灌時，需要時刻觀察坑內深層承壓水位的變化情況，使坑內降水與坑外回灌保持動態的平衡?；毓嗑畣訔l件應根據周邊環境復雜程度以及周邊環境受地下水位下降程度影響程度而確定。

6 結果分析

在基坑承壓水降水期間，同步觀測了周邊不同距離處承壓水觀測井的水位數據。

在基坑開挖標準段坑底（坑深23 m）時，坑內降壓井總出水量約15 m3/h，標準段安全水位埋深約18 m?；娱_挖端頭落深坑底（坑深26 m）時，坑內降壓井總出水量約22 m3/h，端頭落深段安全水位埋深約23 m。磁浮側回灌井每日回灌量約70 m3，水位降深控制在0.5～0.9 m，滿足磁浮公司要求，見圖12～圖14。

圖12 坑內降壓井承壓水水位降深曲線圖

圖13 磁浮側回灌觀測井水位及總回灌量

圖14 磁浮支墩監測點沉降量累計變化曲線

目前基坑已完成結構回筑，期間同步進行了周邊環境變形監測，周邊既有建構筑物及磁浮支墩沉降沉降均滿足保護要求。

7 結語

機場樞紐核心區近磁浮范圍實施深基坑，降水施工在基坑開挖施工中扮演著非常重要的角色，尤其對于對于基坑進度和安全具有至關重要的作用。針對上海地區第一承壓含水層，超深隔水帷幕存在施工技術難度大、造價高，施工完成后還需進行可靠性隔水帷幕質量檢測等一系列問題，項目在隔水帷幕施工工藝的設計選擇上，綜合考慮基坑規模、承壓水降壓幅度要求、周邊環境保護等級等因素，創新性采用圍護+ 降水綜合設計，兼顧了基坑安全性和經濟性，利用懸掛式隔水帷幕及基坑承壓降水抽灌一體化方案，最大程度上減輕了抽取地下水對基坑周邊重要設施的不利影響，也為今后類似包含復合含水層的深基坑項目施工提供借鑒經驗。