魏 祥，梁志荣，罗玉珊
（上海申元岩土工程有限公司，上海 200011）
当前城市地下空间建设和开发如火如荼，基坑开挖深度和规模越来越大，对邻近建构筑物、既有重要管线的保护要求也越来越高，特别是沿江沿海地区还面临深层地下水控制问题，对基坑工程的设计、施工和投资都颇具挑战[1-2]。上海市位于长江三角洲入海口，遍布高灵敏度、高压缩性的较厚软土层（多为淤泥质土），这层具有触变性和流变性的软土，是导致基坑围护体变形、内力增大的主要土层[3]。相对隔水的软土层将地下水分为三层：上部的潜水层、中部的微承压水含水层和深部的承压水含水层。
而沿江沿海区域，潜水（微）承压水水头较高且与江海有密切的水力联系，故上海软土地区临江临海基坑工程中地下室的控制是基坑工程中的重中之重[2-4]。
为有效解决深基坑中的深层承压水问题，止水帷幕通常采用落底式以有效隔断承压水，减小基坑降水对周边环境的不利影响。目前已有的超深止水帷幕工艺有超深三轴水泥土搅拌桩、地下连续墙、双轮铣深搅工艺水泥土搅拌墙和TRD水泥土搅拌墙等，也已在一些深大基坑工程中取得了较好的实践效果[2,5]。然而，由于施工深度上限、垂直度控制技术等问题，较少运用至超深基坑落底式止水帷幕的设计中。针对软土地区临江深大基坑工程中的地下水控制难题的实践分析和实测数据还非常有限。
本文结合上海某临江深大基坑工程中采用的超深双轮铣深搅工艺水泥土搅拌墙止水帷幕+现场抽水试验+承压水数值分析+信息化设计施工等多重手段结合的地下水综合控制技术，详细讨论分析了其中的设计、施工期间地下水控制关键技术和实施效果，以期为相关工程的设计咨询提供参考和借鉴。
项目位于上海市中心城区，临近黄浦江。总用地面积48390 m2，整体设置两层地下室，地上拟建多栋12～18层住宅商办楼。本项目基地形状很不规则，基坑开挖面积约40902.6 m2，周边延长米约1208 m，基坑普遍开挖深度约10.25～10.65 m，基坑规模大，风险控制难度高。
1.1 周边环境条件
项目周边环境如图1所示，场地东侧、北侧、东南侧均靠近市政道路及多条市政管线，东南侧距离黄浦江仅51 m，东侧有多栋居民楼（6层，浅基础），南侧西部紧邻多栋多层厂房，距离围护内边线最近仅4.6 m。整体上，本项目环境保护要求高，基坑变形控制要求严格。
图1 基坑周边环境及地质情况分区示意图Fig.1 Plan view of environment of excavation and division of engineering geology
1.2 工程地质概况
场地所在区域地貌类型为长江三角洲入海口东南前缘滨海平原，典型土层分布如图2所示，表1所列为土层各主要物理力学指标。基坑开挖深度范围内分布有较厚的填土、浅层障碍物和易变形的淤泥质黏土层，对基坑的变形控制不利。
图2 典型土层剖面图Fig.2 Typical geological profile of site
勘察期间实测的潜水水位埋深在1.20～1.75 m之间。本项目场地东侧分布有较厚的①3层黏质粉土。这层土俗称“江滩土”，为黄浦江演变时期河水冲刷沉积形成，形成年代较长。本项目①3层起伏变化大，厚度变化1.6～15.9 m不等，土层渗透系数大，易产生流砂、管涌。
另外，场地内赋存的微承压水主要为⑤2层砂质粉土和第⑤3夹层砂质粉土夹黏土（局部分布，见图1），承压水含水层为⑦层，经初步计算[6-7]，基坑存在微承压水稳定性不足的问题。
由于项目场地紧邻黄浦江，赋存于透水层的潜水、承压水均与黄浦江有一定的水力联系，设计时应考虑基坑开挖时江水补给的不利工况，这对本项目地下水控制、止水帷幕质量都提出了新的挑战。
本项目基坑形状不规则，开挖面积大、开挖深度深。基坑总面积超4.09万m2，土方量达43.5万m3，基坑形状不规则，基坑规模较大，地下室施工周期长，开挖后易产生蠕变变形，施工影响范围较广。
同时，项目场地东南侧距离黄浦江仅51 m，地质条件复杂，水量较丰富，深层地下水与黄浦江水力联系明显，潜水和承压水控制难度均较大。
2.1 承压水稳定性分析
当坑底抗承压水稳定性不满足要求时，将导致基坑突涌的发生。为防止这一险情的发生，需对承压水稳定性进行分析计算，并根据分析结果，采取针对性的承压水控制措施。
项目场地的微承压水主要为第⑤2层和⑤3夹层，承压水含水层为第⑦层，各承压水层层顶最浅埋深分别为19.28 m、28.64 m和38.0 m。根据上海地区的区域资料，微承压水埋深一般在3～11 m，低于潜水水位，并呈周期性变化[7]。因紧邻黄浦江，为确保安全及设计精细化，现场增设抽水试验复核勘察期间水位结果，⑤2层层微承压水水位埋深在3.6～3.8 m之间。对场地不同区域不同挖深的基坑坑底抗承压水稳定性进行分析，计算分析结果见表2。结果显示，坑底普遍区域抗⑤2层微承压水稳定性均不满足规范要求（Ky<1.05），而坑底抗⑤3夹和⑦层(微)承压水稳定性满足要求，故需要进行⑤2层微承压水专项承压水控制。
表2 承压水稳定性计算结果Table 2 Calculation results of confined water stability
2.2 超深止水帷幕设计
为达到地下水控制目标，通常综合考虑场地地质条件、开挖深度和周边环境情况等因素，酌情采取隔渗或降水的深基坑地下水控制手段；
具体方案大体上分为3类：①开放性降水；
②悬挂式帷幕+降水：仅增加坑外地下水的绕流路径，不完全隔断承压水；
③全隔渗+降水：采用竖向落底式止水帷幕，相当于完全隔断承压水，断开基坑内外水力联系，基坑内相当于疏干降水[4-5]。
考虑到该项目基坑开挖面积大、开挖深度深，工程地质和水文地质条件复杂等问题（浅层砂性土厚达16 m，深层承压水存在突涌风险），项目基坑开挖期间的地下水控制是重中之重。尤其是场地紧邻黄浦江，水量较丰富，一旦基坑发生突涌，造成的人员伤亡和财产损失不可小觑。若设计采用悬挂式止水帷幕，则基坑工程降压降水将会引起坑外土体较大沉降，对周边环境保护不利[6-7]。比选分析宜采用落底式止水帷幕，隔断⑤2层微承压水含水层。考虑到局部第⑤3夹层与第⑤2层间存在连通及越流补给，为确保安全，根据地质剖面展开图中各土层的分布情况，局部⑤3夹层区域也应隔断，而整个微承压水含水层起伏较大，厚度约6～21 m，止水帷幕需长达30.0～44.5 m才能隔断微承压水。
经济法是对我国法律在经济管理方面的补充，它是我国维护经济健康长远发展的保护神。一方面，它结合全球经济发展得出的规律，对我国经济走向进行了实时的宏观调控，帮助我国经济更好地融入国际经济体系并在全球经济发展中取得了傲人的成绩。另一方面，经济法也规范了企业运营的操作方式，不仅避免了大规模的恶性竞争，还保证了人民群众的基本利益。此外，在经济法作用下我国经济的高速发展切实提高了我国在国际上的影响力与综合竞争力，体现了我国社会主体制度的优越性。综上，经济法在我国经济的发展过程中起着不可替代行的作用。
三轴水泥土搅拌桩受机械限制其最大施工深度一般为30 m，而通过加接钻杆的超深三轴水泥土搅拌桩技术，因其施工功效和隔水效果在深厚含水粉砂层中大打折扣，成桩质量难以保证；
对比分析TRD、MJS、超深三轴等止水技术质量、造价后，工程引入超深双轮铣深搅（简称SMC）工艺水泥土搅拌墙技术[2,4]。作为等厚水泥土搅拌墙施工技术的一种，SMC主要原理是通过钻杆下端的一对液压铣轮，以水平轴向旋转对原地层进行铣、削、搅拌，同时掺入固化液，与原位土体充分搅拌混合后，形成矩形槽段改良土体[8]。考虑项目成本控制，SMC止水帷幕水泥掺量18%，桩长根据⑤3夹层和⑤2层土层情况分别为34.5 m、39.5 m和44.5 m不等，依地质条件采用差异化桩长，止水桩底确保进入下部隔水层1.2 m以上（剖面参见图3）。
2.3 基坑内降水及变形控制设计
结合软土地区承压水控制经验，在止水帷幕的隔水基础上，针对潜水坑内设计布置165潜水疏干井，针对微承压水坑内布设37口⑤2层微承压水降压井，坑内布置10口承压水位观测井兼应急备用井，确保基坑开挖期间自身和周边环境的地下水问题风险可控。
对于开挖深度深、临近江边水量充沛的基坑，严格控制变形亦是减少超深止水帷幕开叉变形风险的重要措施。而本项目基坑规模超4万m2，整体形似狭长手枪（东西向长约428 m，南北向宽约191 m），若采用整体开挖的方式，基坑暴露时间过长，尤其是长边中心区域累计变形过大，对于基坑的安全控制十分不利。结合已有工程经验，设计将基坑分为东、西两个区域先后开挖施工，待东侧先开挖分区基坑出正负零后，后开挖分区方可开挖施工[9]。分区施工可从空间上减少基坑长边的长度，设置分隔桩相当于在长边人为设置支点，对于空间效应和变形控制有益。同时，分区施工，先后开挖，两个分区的施工过程相对独立，也避免了大面积土方开挖带来的应力释放、地面沉降、坑底隆起等问题。
针对项目地下水控制难点，为确保环境安全，项目最终采用顺作方案，支护采用钻孔灌注桩+超深SMC水泥土搅拌墙止水帷幕+两道钢筋混凝土内支撑的形式。对环境敏感的重点保护区域，进行了有针对性的加强设计：设置三轴水泥土搅拌桩墩式加固于基坑内边以提高被动土压力，从而减小围护变形，控制基坑隆起。典型围护结构剖面图参见图3。
图3 典型围护结构剖面图Fig.3 Typical section of retaining structures
3.1 超深SMC止水帷幕成墙试验及检测
在软土地区的基坑实践中，SMC工艺多用于地下连续墙槽壁加固、SMW工法等支护中，桩长大多小于40 m，特别是临江区域相关资料和数据更是有限[4]。而在上海软土地区临江基坑采用深达44.5 m的SMC水泥土搅拌墙落底止水帷幕，本项目尚属首次，正式施工前需进行试成墙以验证适合本项目土层的相关工艺参数。SMC工艺等厚水泥土搅拌墙试成墙厚度为700 mm，试成墙深度不小于39.5 m（⑤3夹层缺失区）和44.5 m（⑤3夹层分布区）。试成墙采用普通硅酸盐水泥（P.O 42.5级），水灰比1.2，单幅墙宽2800 mm，相邻幅墙体搭接宽度≥400 mm垂直度小于1/200，以确保止水帷幕连续性和搭接质量。在本项目临江软土地区，SMC工艺施工单台设备施工工效较高，每天可成槽8～9幅。下沉、提升速度应根据土层和地区经验调整，约0.5～0.8 m/min。
超深SMC等厚度水泥土搅拌墙施工完成后，止水帷幕达到28d龄期后，由第三方进行钻孔取芯检测。结果显示，无侧限抗压强度达到0.82～1.19 MPa，芯样均匀性好（见图4），均满足设计要求的0.8 MPa及相关规范要求。另外，渗透性检测表明，芯样的渗透系数k均不大于9.45×10-8cm/s，满足工程的设计隔水要求。
图4 超深双轮铣深搅（SMC）水泥土搅拌墙芯样照片Fig.4 Core sample of super deep constant-thickness cement soil wall constructed by Soil Mixing Cutter method
3.2 抽水试验和观测井动态调整降压施工
为避免基坑发生流砂、突涌，项目于基坑开挖施工前对现场进行了群井试抽水试验，以验证止水帷幕的封闭性。坑内群井抽水试验过程中，短期内坑外潜水和承压水观测井水位变化均不大，说明止水帷幕无明显开叉或漏水点。
结合前期的抽水试验结果，采用Aquifer Test软件分析、确定微承压水层水文地质参数（结果见表3）；
抽水井个数和抽水量大小应根据基坑开挖深度和承压水头埋深要求进行控制：按抽水试验期间实测水头埋深3.6 m计算，基坑开挖至深度9.55 m时，上覆盖土压力164.2 kPa，基坑处于承压水稳定临界状态；
当基坑开挖至深度大于9.55 m时，需开启⑤2层降压井降压，至承压水的顶托力减小到安全值后才可停止降水，即公式Σγsi·h≥γw·H·Fs，其中Fs为抗承压水头稳定性安全系数（一般Fs取1.05）[6-7]。而本项目紧邻黄浦江，汛期施工应加强承压水水头观测，并根据水头动态调整降压降水施工方案，按需降水，基坑降压降水运行控制表见表4。
表3 抽水试验水文地质参数Table 3 Results of hydrogeological parameters from pumping test
表4 基坑降压降水流程控制Table 4 Process of excavation decompression
3.3 数值分析预测承压水施工影响
通过数值模拟计算，可预测降压井施工期间基坑周边承压水水头情况[10-11]。图5为承压水头降深预测等值线图（负值表示承压水水位降低），由图可知：①本项目先开挖分区基坑内布置26口降压井，降水30天后水位已经稳定，基坑各部承压水水头下降到安全水位高度，坑外水位变化不明显。②而后开挖分区基坑内布置11口降压井，降水30天后水位已经稳定，基坑各部承压水水头下降到安全水位高度，坑外水位下降约1.2 m。坑内减压降微承压水引起的坑外沉降相对较小，根据压缩模量及分层总和经验法计算降承压水引起的周边沉降约为2.6 mm。施工期间，可利用数值分析信息化动态指导调整降水施工。为减小承压水降水对紧邻建构筑物的影响，根据信息化监测数据，分析梳理变形速率/累计值异常点位，通过数值模拟关闭、开启附近降压井，预测模减压降水引起的周边地面沉降，并据此及时调整降水施工工况及降压井开启工况设计，按需降水，不得一次性、长时间、大范围、大降深，确保基坑安全及周边环境安全。
图5 承压水头降深模拟预测等值线图（单位：m）Fig.5 Contour map of final drawdown prediction of confined water level
3.4 基坑施工情况及承压水控制效果
因工程水文地质条件复杂，规模大且环境保护要求高，施工风险大，故而信息化施工在施工期间举足轻重：设计、施工和参建各方根据监测数据，动态复核基坑及周边环境的安全，合理调整施工工序与工艺。图6为基坑开挖过程中东南侧靠近黄浦江先开挖分区的坑外承压水水位随时间变化情况。项目自开始2016年12月挖土至2018年3月地下室结构全部完成，坑内抽降地下水施工期间，坑外承压水的水位保持基本稳定，最大降深约在1.5 m以内。其中临近江边一侧的承压水水位观测点（WYS21、WYS22）因与黄浦江的水力联系密切，水位降深较小，这与三维非稳定流地下水模型预测的数据基本一致。施工过程中的坑内外水位观测数据、降压井启、停止、流量施工记录等数据结果展示，表明该临江深大基坑承压水控制效果良好。
图6 坑外承压水水位监测变化情况 靠近东南侧黄浦江分区Fig.6 Variation of confined water level outside excavation
基坑邻近建筑物测点累计水平位移平均值为24 mm，累计竖向位移平均值33 mm，围护墙体累计最大位移平均值为46 mm。“大坑化小坑”等设计措施，可有效控制基坑变形和减小基坑长宽比，有利于确保止水帷幕的连续封闭，同时减小坑外不均匀沉降，与一些学者的研究成果吻合[2,4]。计算和实测数据均表明，多面结合的地下水控制技术有效地控制了复杂地下水问题，预测并验证了承压水控制设计的效果，可在设计、施工期间动态调整降水方案，有效地保护了周边敏感环境，为基坑安全保驾护航。
本文依托上海某临江深大基坑工程，详细分析了其地下水控制设计、施工过程中的承压水控制要点和关键技术，总结形成了一套超深双轮铣深搅（SMC）工艺水泥土搅拌墙止水帷幕+现场抽水试验+承压水数值分析+信息化设计施工等多重手段结合的地下水综合控制技术。主要结论如下：
（1）工程首次在上海软土地区临江基坑中采用深达44.5 m的超深双轮铣深搅（SMC）工艺水泥土搅拌墙止水帷幕。取芯检验证明芯样均匀性好，强度和渗透系数满足设计要求。此次超深双轮铣深搅（SMC）止水帷幕的成功，其垂直度、搭接长度等参数可为今后软土地区临江基坑工程设计施工提供数据参考。
（2）本工程紧邻黄浦江，基坑规模大、形状不规则，水文地质条件复杂、地下水控制难度高，周边环境保护要求高，从基坑支护结构设计角度出发，采取了“大坑化小坑”分区设计、增加围护桩刚度、设置被动区加固等措施控制基坑变形，可有效控制基坑变形和减小基坑长宽比，有利于确保止水帷幕的连续封闭，同时减小坑外不均匀沉降进一步确保止水帷幕封闭连续，成功的保护了周边敏感环境。
（3）临近基坑深层地下水与黄浦江水力联系明显，地下水控制难度大、要求高。通过现场抽水试验、三维非稳定流地下水模型模拟预测承压水施工影响，结合现场试桩、取芯检测、渗透性检测、开挖前群井抽水试验验证止水帷幕质量及封闭性，为设计和施工提供重要依据，及时动态调整降水设计和施工方案，按需降水。实测数据表明，本工程多面结合的临江基坑地下水控制技术的效果是可靠有效的，该软土地区临江基坑地下水控制的成功实践可为临江基坑落底式止水帷幕相关工程实践提供技术参考。
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