深层降水是上海近10年来出现的新措施,由于深基坑的开挖,使下部含水层承压水顶板上平衡压力降低,易引起基坑突水,造成各种地下工程的施工事故。为此开展了深层降水作业,经10年发展,已能满足各项地下工程的安全施工。 深层降水是指因深基坑开挖,使下部承压水顶板以上的土层变薄,如果承压水层顶板以上土层,减薄到其自重不足以与作用在承压含水层顶板上的水头相平衡时,即发生基坑突水。为防止出现这一现象,必须采用降低下部承压水头的措施。深层降水降低下部承压水水头,不但含水层会发生变形,而且必然会引起顶板以上土层中孔隙水压力的变化,特别是上部的软土层,引起土体变形,这对附近一些特殊建(构)筑物及管线的影响不可忽视。
上海的深层降水,是随着基坑开挖深度不断加深,而为工程界所逐渐认识的。1985年,浦东煤气厂过江管线嫩江路竖井在开挖到25米时,基坑底部土层裂开,大量地下水与粉细砂涌入坑内,连续墙下沉,为防止事故扩大,不得不向竖井内灌水,施工中断。经上海勘察院打井5口,抽水降低承压水头后才顺利开挖,干封底,压重完成后终止降水。至此,深基坑施工的深层降水,才普遍为上海工程界所重视。
1985年,上海勘察院承担了黄浦江上游引水工程2、4、7号竖井施工的深层降水工作。这些竖井分别连结浦东、浦西过江输水管线顶管工程的施工井和接收井,位于南市水厂的5、7号井正处于上海市Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ层含水层的连通区,含水层36~140米,要求降低承压水头25米。在降水过程中,竖井附近的建(构)筑物发生的沉降和差异沉降在允许范围内。根据已有资料,先打1口井和几个观测孔,进行抽水试验后,调整井群、观测孔的布置,考虑到测定含水层的各向异性、导水系数、储水系数、越流参数等,根据抽水试验得到的参数,竖井中心及周边水位降的计算值与实际值误差在20厘米左右,达到很高的精度。在110天的抽水过程中,除了竖井的围护结构——连续墙因深入含水层,沉降17毫米外,停抽水残余沉降仅4.5毫米,其他各观测点的沉降值和差异沉降,均在允许范围内,没有发生环境问题。
1990年,上海勘察院承担人民广场地下变电站深基坑施工深层降水。人民广场地下变电站位于市中心,竖井直径60米,开挖深度达23.8米,离竖井20~30米左右,有一根直径700毫米上水管通过,附近一些建(构)筑物对沉降也十分敏感。为控制深层降水引起的地面沉降,除了布设地面变形的监测网外,还监测主要软土层孔隙水压力的变化和各层土分层变形观测。井群按含水层厚度变化的轴线方向,以对称方式布置,同时调节抽水量,以控制连续墙的不均匀沉降。在降水过程中,随基坑开挖深度的加深逐级超前降水,以减小总的沉降量。对沉降敏感的建(构)筑物附近建立水力屏障,控制其沉降量。采取这些措施后,被保护的建(构)筑物都在允许的沉降量范围内,以直径700毫米上水管线为例,最大沉降点为5.7毫米,一般为2.4毫米。人民广场深层降水工程1992年被评为上海市优秀勘察一等奖。
1988年,同济大学地下工程系结合黄浦江上游引水工程4号竖井深层降水地面沉降的监测资料,运用粘弹性理论,建立了因下部承压水抽水引起地面沉降的三维数学模型,求解数学模型,得到的地面沉降和回弹曲线,比运用弹性理论得到的,更接近于实测曲线。研究取得的成果可定量计算下部承压水抽水引起的地面沉降,改变了一般采用一维固结理论进行估算的方法。