富水砂卵層基坑封閉降水與回灌工程關鍵技術

胡冰冰，路林海，李 罡，王會剛，孫捷城

（濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250000）

1 研究背景

濟南素以泉水而聞名天下，濟南市民像愛護眼睛一樣保護著泉水。為滿足經濟發展需要，地下空間開發勢在必行。然而，地下空間開發前需要充分考慮工程建設對泉城地下水的影響[1-5]。

濟南某深基坑工程位于泉城地下水保護區域，地下水資源豐富，含水層滲透性較好，滲透系數高達200 m/d。如何確保基坑降水施工安全，同時又避免對坑外地下水環境的干擾，是工程施工的難點。國內外專家大致從兩個方面研究上述問題的解決方案：一方面，研究如何最大限度地阻隔基坑內外水力聯系，如濟南第二垃圾處理廠110 kV發電網工程[6]、東營市東銀大廈工程[7]等均采用了封閉降水技術，較好控制了基坑降水問題；另一方面，研究如何采取補償措施，彌補基坑降水對周邊地下水的干擾影響。早在上世紀80年代，Urban等[8]開發出一套滲水陰溝、土工織物相結合的地下水回灌系統用于保護地下水，俞建霖等[9]對地下水回灌設計方法進行了研究。目前，基坑降水回灌技術仍存在抽灌分離、回灌效率低、運維成本高等難題。

2 基坑工程概況

2.1 基坑概況

基坑工程位于濟南市槐蔭區劉長山路路中，基坑總長340.95 m；開挖深度，標準段為17.4 m，端頭井為19.4 m；開挖寬度，標準段為20.7 m，端頭井為25 m。基坑工程采用明挖法施工，圍護結構采用深29 m、直徑1 000 mm的套管咬合鉆孔灌注樁，并作為側向止水帷幕。基坑工程北部距山東省郵電學校教學樓約30 m，距濟南理工中等職業學校教學樓約26 m，南部毗鄰大片農田，基坑平面位置如圖1所示。

圖1 基坑平面Figure 1 Pit engineering plan

2.2 地質條件

據勘察報告，場地地面標高約41 m，地質剖面與基坑車站位置關系如圖2所示。自地面往下，地層巖性依次為雜填土層、黃土層(⑦)、粉質黏土層(⑧)、砂卵石層(⑧1、⑩1)、粉質黏土層()、砂卵石層(1)、粉質黏土層()，各土層的物理力學參數如表1所示。場地范圍內地下水主要分為3層：潛水層，水位標高27.99～29.57 m，地層巖性主要為粉黏⑧層；第一承壓含水層，水位標高27.85～28.76 m，地層巖性主要為卵石⑧1層、⑩1層；第二承壓含水層，水位標高28.06～28.89 m，地層巖性主要為卵石1層。

圖2 地質剖面Figure 2 Geological cross section

表1 各土層水文地質參數Table 1 Stratum parameters

2.3 風險分析

基坑范圍內存在多層厚度較大的砂卵石層，滲透系數大，富水性極強，卵石⑧1層與⑩1層連通厚度達12 m左右，卵石⑩1層下存在粉質黏土層，但厚度變化較大，最小厚度只有0.5 m，因此卵石⑩1層與卵石1層存在極大的連通可能。

基坑降水任務主要是對基坑范圍內第一承壓含水層進行疏干，達到坑內水位降至基底以下1 m的效果。在抽水試驗時，第一承壓水完整井的單井涌水量為96～108 m3/h，涌水量較大，基坑內降水難度較大，東端頭井為盾構機始發井，存在地下水突涌風險。此外，僅有側向止水帷幕作用，基坑降水易對山東省郵電學校、濟南理工中等職業學校等周邊建(構)筑物產生較大影響。

3 基坑封閉降水

本工程采取的基坑封閉降水技術主要如下：一是基坑底部采用弱隔水層加固技術，針對粉質黏土層厚度變化不均勻、存在地下水突涌風險的特點，對該層土進行注漿加固，增強隔水效果；二是在基坑端頭井采取加固及減壓降水技術，對盾構隧道一定范圍的土體進行加固處理，并設置輔助降水井，必要時減壓降水。

3.1 基坑底部弱隔水層加固關鍵技術

3.1.1 理論分析

本基坑安全等級為一級，根據《建筑基坑工程技術規范》取安全系數為1.6；為防止第二承壓水水頭壓力破壞粉黏土層土體，該層土最小厚度應為M=(124×1.6)/94≈2 m。因此，當粉黏土層小于2 m時，采取注漿加固措施，確保該層土厚度大于2 m。

3.1.2 方案優化

根據上述理論分析結果，采用基于有限差分原理的數值模擬工具MODFLOW，預測基底弱隔水粉黏土層加固實施效果，并進一步優化加固方案。

分別針對如表2所示的3種工況進行計算模擬，結果如圖3～5所示。由圖3可見，未加固工況下，僅左側約1/3基坑長度水位埋深在19 m以下，基坑降水后效果較差；由圖4可見，加固120 m工況下，除中間約1/3基坑長度外，坑內其他區域水位埋深均在19 m以下，因此加固120 m時，需對基坑中間風險較大的區域采取局部加深加固等措施；由圖5可見，加固200 m工況下，基坑內水位埋深均在19 m以下，基坑開挖施工安全性最高。根據以上的計算分析結果，確定基底弱隔水粉黏土層加固范圍為200 m。

表2 模擬工況Table 2 Subsoil reinforcement plan

圖3 未加固工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 3 Head contour of confined aquifer without reinforcement

圖4 加固120 m工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 4 Head contour of confined aquifer with 120-m consolidation

圖5 加固200 m工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 5 Head contour of confined aquifer with 200-m consolidation

3.1.3 質量控制

考慮到袖閥管注漿法能夠以較大的壓力，將漿液通過注漿芯管有效地注入巖土層中，所以選取該工法進行加固。為保障袖閥管注漿在富水砂卵層的施工質量，應對以下幾方面重點控制。

1) 鉆孔及注漿順序優化。鉆孔時，先鉆周邊孔，再由外向內逐步鉆孔。注漿時，應由外向內進行，先對加固范圍線上的鉆孔進行注漿，阻斷漿液漏失通道后，再逐步加密注漿孔，將區域中部的注漿壓密，每排注漿孔按照隔一跳一的施工順序注漿。當地下水流速較大時，應從水頭高的一端開始注漿。

2) 套殼料管控要點。套殼料一般由黏土和水泥配制而成，配比范圍為水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88，漿液比重約為1.5，漏斗黏度24～26 s，注漿用水pH值不得小于 4。套殼料凝固時間和強度增長速率控制在2～5 d內可灌漿。

3) 止漿工藝管控要點。灌漿前要嚴格把控止漿工藝質量，待孔口段止漿料凝固后才能灌漿。止漿工藝施工時，在孔口上部2 m孔段壓入止漿固管料，止漿固管料采用速凝水泥漿，水∶水泥=1∶1.5，可采用水玻璃或氯化鈣作為速凝劑，止漿料的待凝時間控制在2～5 d以內。

4) 注漿質量管控要點。嚴把漿液配制質量，水灰比一般為1∶1；水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶1；漿液配制時水溫不得超過30～35℃，并且在注漿液體靜止狀態下，漿液不得暴露于陽光下。精細調控袖閥管注漿壓力，開環壓力控制在0.35 MPa，且注漿壓力自下而上可適當調大，控制在2.0～3.0 MPa。

3.2 端頭井加固及減壓降水關鍵技術

為防止盾構井始發時出現地層坍塌或突涌漏水，采取始發處盾構隧道周圍土體加固，并設置封閉止水帷幕，布設輔助降水井，必要時進行含水層降水減壓。

3.2.1 注漿加固及封閉止水帷幕方案

如圖6所示，在盾構隧道結構周圍3 m范圍內，用高壓旋噴樁進行注漿加固，形成復合土體。高壓旋噴樁采用雙重管施工工藝，布置為φ800@600，高壓旋噴樁加固體長度9 m。

封閉止水帷幕采取素混凝土咬合灌注樁圍堵與高壓旋噴樁補強相結合的方案。素混凝土咬合灌注樁直徑800 mm，間距600 mm，樁底位于隧道結構以下6 m，混凝土設計強度等級為C20。

3.2.2 輔助降水井布置

輔助降水井共設置5口，平面位置布置如圖6所示。在隧道兩側加固體以外，分別布置2口輔助降水井，兩降水井的井心間距約7 m；在隧道之間加固體以外的中間位置，布置1口輔助降水井，井邊緣緊鄰基坑圍護結構，井中心距離兩側加固體邊約3 m。

圖6 端頭井加固及輔助降水井布置Figure 6 Reinforcement and dewatering well plan

3.2.3 施工質量風險點把控

在止水帷幕施工時，應重點控制素混凝土咬合灌注樁垂直度，保證相鄰樁間的有效咬合；同時，在素混凝土咬合樁與基坑圍護結構搭接處，可采用高壓旋噴樁補強，在一般平行圍護結構方向設置兩根同咬合樁樁長一致的旋噴樁，兩根旋噴樁間咬合 200 mm，并且旋噴樁同基坑圍護結構咬合 200 mm，以控制封閉效果。在輔助降水井施工時，注意對既有圍護結構的保護，一般選用管井降水井，并且宜選用反循環成孔，可適當增大泥漿黏度，以提高成井質量及降水井疏水能力。

4 基坑回灌工程

基坑工程地處濟西水源地，是濟南市泉脈的重要補源。為實現軌道交通建設與泉水噴涌和諧共生，保護泉城地下水，同時減少越流效益下基坑降水對周圍環境的影響[10]，本工程采取基坑回灌技術。

4.1 基坑回灌系統工藝原理

針對傳統回灌技術存在的抽灌分離、回灌效率低、運維成本高等缺點，研發了基坑降水回灌一體化系統及配套裝備，其系統工藝原理如圖7所示。該系統主要由集水系統、過濾系統、智控系統、加壓裝置、監測系統5個子系統組成。將降水井和回灌井連接，實現了抽灌的一體化控制，現場實施情況如圖8、9所示。

圖7 基坑回灌系統工藝原理Figure 7 Schematic of foundation pit reinjection system

圖8 回灌井布置Figure 8 Recharging well plan

4.2 回灌水水質處理關鍵技術

根據基坑回灌工程的回灌水特點，一般水質處理分為物理處理和化學處理兩種方式。物理處理，主要設置三級沉淀池，并結合粗、細濾網進行過濾，實現對白色垃圾、腐葉、砂石顆粒、泥土等大顆粒雜質的截留；化學處理，主要通過設置添加化學成分的過濾層(見圖10)，依次截留回灌水中的顆粒懸浮物、膠體、鐵銹、硅、錳、鋁等雜質。

圖9 回灌系統設備布置Figure 9 Major components of reinjection system

圖10 水質凈化過濾原理Figure 10 Schematic of water purification and filtration

4.3 水位聯動回灌關鍵技術

為更精確地控制回灌井的回灌量，實現對周圍環境的“無干擾式”回灌，減少回灌量過大而導致的地表隆起，防止因回灌量不足而導致的差異沉降。在觀測井設置水位自動觀測系統(見圖11)，根據基坑周圍的觀測井水位變化趨勢，動態調整回灌井的回灌量，實現單個回灌井的精細化、智能化控制。

圖11 水位自動監測系統Figure 11 Automatic water level monitoring system

4.4 自動加壓回灌關鍵技術

當需要加壓回灌時，通過變頻式恒壓泵、壓力傳感器，建立恒壓自動控制系統，可實現指定壓力下回灌的自動控制，實現自動化加壓回灌。自動加壓系統如圖12所示。

圖12 自動加壓回灌系統Figure 12 Automatic pressurized reinjection system

4.5 回灌井施工關鍵技術

回灌井的成井質量直接影響回灌系統的回灌能力。為實現良好的回灌效果，首先應根據地質條件，優化回灌井結構，設置合理的過濾器長度、直徑及材質等[11]，然后嚴格控制填料級配，精細化止水段施工，確保止水抗壓效果。過濾器一般選用橋式濾水管或雙層纏絲過濾器(見圖13)；過濾器上部止水段回填時，宜選用優質黏土球封堵，厚度一般約5 m；黏土球上部至地面部分一般采用袖閥管注漿并回填，控制袖閥管注漿壓力不超0.2 MPa。

圖13 雙層纏絲過濾器Figure 13 Double-wound filter

5 應用效果分析

由基坑開挖期間地面沉降變化情況(見圖14)可以看出，地表沉降累計變化最大值為-11.11 mm，遠小于控制值(-26 mm)，周圍地表無隆起、塌陷等現象，表明本項目選用的基坑封閉降水與回灌工程關鍵技術能較好地滿足富水砂卵石地層基坑工程建設的需求。

圖14 基坑開挖期間地面沉降Figure 14 Land subsidence during excavation of foundation pit

6 結語

依托濟南地區富水砂卵石層基坑降水與回灌工程實例，介紹了基坑封閉降水與回灌施工關鍵技術。

1) 基底弱隔水層對基坑開挖存在較大風險，采取袖閥管注漿進行加固，其中200 m的加固方案更為合理。

2) 在基坑端頭井位置，采取了盾構隧道結構周圈3 m范圍的土體加固，并設置封閉止水帷幕進行輔助降水，能夠有效防止地層坍塌或突涌漏水。

3) 研創了基坑降水回灌一體化系統及配套裝備，解決了傳統回灌技術存在的抽灌分離、回灌效率低、運維成本高等問題。

4) 提出了基坑回灌關鍵技術創新點，有效的回灌水質處理系統、水位聯動回灌、自動加壓回灌，對實現基坑回灌工程綠色化、信息化、智能化有極大推動作用。