懸掛式圍護(hù)深基坑外地下水回灌技術(shù)的研究

上海建工二建集團(tuán)有限公司 上海 200080

0 引言

隨著上海深基坑工程規(guī)模不斷擴(kuò)大、深度加深，承壓水對(duì)深基坑施工的安全威脅越來(lái)越大[1-4]。對(duì)此，一般采用圍護(hù)或止水帷幕隔斷承壓水含水層，可以有效控制承壓水對(duì)基坑的影響，但投入的費(fèi)用也非常高。而采用懸掛式圍護(hù)，結(jié)合坑內(nèi)按需降壓的措施，可以有效降低圍護(hù)費(fèi)用，但是抽取承壓水會(huì)導(dǎo)致含水層或鄰近含水層的可壓縮夾層壓縮，引起地面沉降[5]。在敏感區(qū)域基坑圍護(hù)外側(cè)，采用地下水回灌技術(shù)來(lái)減少減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響是一種可選擇的手段。實(shí)踐證明回灌技術(shù)一定程度上可以減少對(duì)周邊環(huán)境的影響，但盲目使用也會(huì)產(chǎn)生一定的次生災(zāi)害，需要引起高度重視。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

背景項(xiàng)目位于上海市小陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)，建筑由2 棟超高層建筑和商業(yè)裙房組成，基坑面積為18 000 m2。建筑設(shè)4 層地下室，裙樓區(qū)域開挖深度20.30 m，塔樓區(qū)域開挖深度23.25～28.30 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，深度為36.60 m，不隔斷承壓水層，水平圍護(hù)為4 道混凝土支撐。

1.2 水文地質(zhì)概況

本場(chǎng)地是典型的小陸家嘴地區(qū)的砂性土質(zhì)，其中，第7層草黃色粉性土、砂土層深度約29 m；第9層灰色砂土層深度約75 m。第7層和第9層承壓水貫通。根據(jù)抽水試驗(yàn)的結(jié)果，第7層初始承壓水水頭埋深為6.9 m。地質(zhì)情況如圖1所示。

圖1 地質(zhì)剖面

本工程基坑開挖深度按20.3 m考慮，承壓水位埋深按6.9 m考慮，驗(yàn)算承壓含水層的上覆土重與承壓水頭之比小于1.05，因此需采取相應(yīng)的降水防護(hù)措施，確?；影踩?/p>

1.3 問題分析

本工程承壓水問題非常突出，地下連續(xù)墻插入比僅為0.77，插入承壓含水層僅7～8 m，而承壓含水層厚度超過(guò)60 m。降壓抽水時(shí)，地下連續(xù)墻下部的滲流路徑較短，且承壓水補(bǔ)給速度很快，因此必須布置足夠數(shù)量的降壓井，確保抽水速度大于補(bǔ)給速度，從而保證坑底突涌穩(wěn)定性[6]。另一方面，地下連續(xù)墻插入深度太小，坑內(nèi)降壓時(shí)，坑外相當(dāng)大范圍的承壓水位下降，可能引起周邊道路、管線、建（構(gòu)）筑物的沉降，因此應(yīng)采取地下水回灌措施，人為抬高坑外承壓水水位。

2 地下水回灌方案

2.1 回灌井布置

根據(jù)分析計(jì)算，坑內(nèi)布設(shè)31 口降壓井（含3 口觀測(cè)井備用井），坑外布設(shè)6 口觀測(cè)井；在沿基坑南側(cè)和東側(cè)方向，有需要重點(diǎn)保護(hù)的管線和建筑，按10 m左右的間距，距地下連續(xù)墻3 m左右共布設(shè)12 口、深度50 m的回灌井（圖2）。

圖2 基坑回灌井布置

2.2 回灌井工藝

回灌井成孔Φ650 mm，濾管材料為纏絲濾管，夾層內(nèi)充填礫砂。內(nèi)層濾管Φ219 mm，外層濾管Φ325 mm。井口外圍回填材料一般不能采用普通黏土回填，應(yīng)采用素混凝土回填，回填高度5 m。因回灌時(shí)有壓力，要求井管周圍止水效果比較好，能夠承受一定壓力，回灌井止水材料為黏土球[7]。

回灌時(shí)要求排出井內(nèi)空氣，防止產(chǎn)生氣泡阻擋回灌水，并在井口蓋板上安裝排氣閥，當(dāng)水從排氣閥大量出水后，才可以關(guān)閉排氣閥。

回灌后因回灌井內(nèi)產(chǎn)生一定量氣泡，大量氣泡聚集在濾管周圍會(huì)阻止回灌水進(jìn)入含水層中，因此必須定期對(duì)回灌井進(jìn)行回?fù)P沖洗。

2.3 回灌壓力

為了確定回灌壓力，進(jìn)行了動(dòng)態(tài)回灌試驗(yàn)。本次回灌試驗(yàn)進(jìn)行了3 個(gè)等級(jí)試驗(yàn)，回灌壓力從0.05～0.15 MPa，待每個(gè)階段水穩(wěn)后進(jìn)行下一階段的回灌，動(dòng)態(tài)回灌試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 動(dòng)態(tài)回灌試驗(yàn)結(jié)果

由表1可知，回灌開始后，承壓水位緩慢回升。當(dāng)壓力從0.10 MPa增加到0.15 MPa穩(wěn)定后，最終承壓水頭上升了0.03 m，回灌量變化較小，水位變化較小，而且壓力達(dá)到0.15 MPa后井管周邊有輕微涌水現(xiàn)象，因此回灌壓力優(yōu)選0.10 MPa。

本次回灌系統(tǒng)采用水泵抽取地下水，然后通過(guò)水箱安裝加壓泵對(duì)水體自然壓力補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行回灌，回灌系統(tǒng)加壓示意見圖3。

圖3 回灌加壓示意

回灌井上安裝壓力表及流量計(jì)，灌水量與壓力要由小到大，逐步調(diào)節(jié)到適宜壓力。

3 回灌效果計(jì)算

通過(guò)對(duì)比回灌前后基坑周圍地面沉降數(shù)值，來(lái)判斷回灌的效果。初始承壓水水頭埋深為6.9 m，群井抽水單井出水量約475.2 t/d，回灌井單井回灌量120 t/d，第⑦層砂質(zhì)粉土及粉砂滲透系數(shù)平均值 ：水平為3.4 m/d，豎向?yàn)?.34 m/d。采用Visual Modflow軟件進(jìn)行地面沉降數(shù)值計(jì)算[8]。

本次沉降計(jì)算針對(duì)基坑開挖后所需要的最大安全降深的工況進(jìn)行沉降計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見圖4和圖5。不開回灌井時(shí)地面沉降17 mm，回灌時(shí)地面沉降13.6 mm，地面沉降量減小20%，可以滿足控制要求。

圖4 降水引起地面沉降分布等值線（單位：mm）

圖5 回灌降水后地面沉降分布等值線（單位：mm）

4 實(shí)際運(yùn)行效果

4.1 第一階段回灌

當(dāng)基坑開挖地層土體（裙房、塔樓及其局部小深坑），坑內(nèi)外承壓水水頭分別為－16.55～－19.78 m和－14.85～－16.99 m時(shí)，坑外開啟6 口回灌井。采取加壓0.10 MPa回灌，每口回灌井回灌量平均約為5 m3/h?；毓? d后，坑外觀測(cè)井水位上升40～100 cm。

加壓回灌后，回灌一側(cè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)日變化量突然增大，日最大變形值由每天的0.2～0.5 mm，突然增大到3.0～7.0 mm，對(duì)應(yīng)部位地下連續(xù)墻接縫處產(chǎn)生了滲漏情況。P3～P5為地下連續(xù)墻變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，地下連續(xù)墻變形日增量最大值如圖6所示?；毓? d后決定停止回灌。

圖6 地下連續(xù)墻變形日增量最大值變化

4.2 第二階段回灌

當(dāng)基坑開挖塔樓深坑，坑內(nèi)外承壓水水頭分別為－29.0～－29.3 m和－21.87～－23.01 m時(shí)，坑外地表及管線日變化量加大，開啟坑外12 口回灌井，采取自然回灌，前期每口回灌井回灌量平均約為1.2 m3/h，后期回灌量趨于穩(wěn)定，回灌量約1 m3/h。自然壓力回灌一個(gè)月后，坑外觀測(cè)井水位穩(wěn)定上升60～90 cm，地下連續(xù)墻變形無(wú)明顯變化。

回灌側(cè)圍護(hù)設(shè)計(jì)計(jì)算變形值為60 mm，回灌后實(shí)際變形值104 mm，回灌前管線日沉降變形量1.1～1.2 mm，回灌后日沉降變形量0.4～0.5 mm，后期則產(chǎn)生上浮現(xiàn)象，上浮量為0.6～0.7 mm/d，最終管線沉降值為7.0～8.0 mm，個(gè)別點(diǎn)最大沉降值16 mm，沒有發(fā)生管線安全事故，道路無(wú)明顯可見的沉降和開裂現(xiàn)象，回灌達(dá)到了預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

（a）對(duì)懸掛式圍護(hù)深基坑施工，采取地下水回灌措施可以減少坑內(nèi)減壓降水對(duì)周邊環(huán)境的影響，但會(huì)增加圍護(hù)結(jié)構(gòu)本身的變形值?；毓鄬?duì)坑外承壓水水位的變化影響不大。

（b）采用加壓回灌時(shí)，井位與圍護(hù)之間要保持足夠的間距，以減少對(duì)圍護(hù)產(chǎn)生附加的壓力，而實(shí)際施工由于受紅線控制影響，很難做到。同時(shí)回灌壓力不宜過(guò)大，宜在0.1 MPa左右，避免井管本構(gòu)或墻底土體產(chǎn)生破壞，形成豎向或水平向的水徑通路。

（c） 采用自然壓力回灌可以有效減少對(duì)圍護(hù)墻體的影響。按抽灌平衡原則，回灌井應(yīng)加密布置，數(shù)量應(yīng)為最大同時(shí)開啟降壓井?dāng)?shù)量3～5 倍。

（d）對(duì)于大型基坑，地下連續(xù)墻的插入深度應(yīng)有足夠的保證，即使不能隔斷承壓水含水層，也要確保墻底和降壓井井底之間有足夠的距離。