懸掛式圍護深基坑外地下水回灌技術的研究

上海建工二建集團有限公司 上海 200080

0 引言

隨著上海深基坑工程規(guī)模不斷擴大、深度加深，承壓水對深基坑施工的安全威脅越來越大[1-4]。對此，一般采用圍護或止水帷幕隔斷承壓水含水層，可以有效控制承壓水對基坑的影響，但投入的費用也非常高。而采用懸掛式圍護，結合坑內按需降壓的措施，可以有效降低圍護費用，但是抽取承壓水會導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)域基坑圍護外側，采用地下水回灌技術來減少減壓降水對周邊環(huán)境的影響是一種可選擇的手段。實踐證明回灌技術一定程度上可以減少對周邊環(huán)境的影響，但盲目使用也會產生一定的次生災害，需要引起高度重視。

1 工程概況

1.1 項目簡介

背景項目位于上海市小陸家嘴金融貿易區(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。圍護結構采用地下連續(xù)墻，深度為36.60 m，不隔斷承壓水層，水平圍護為4 道混凝土支撐。

1.2 水文地質概況

本場地是典型的小陸家嘴地區(qū)的砂性土質，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。根據抽水試驗的結果，第7層初始承壓水水頭埋深為6.9 m。地質情況如圖1所示。

圖1 地質剖面

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，因此需采取相應的降水防護措施，確保基坑安全。

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60 m。降壓抽水時，地下連續(xù)墻下部的滲流路徑較短，且承壓水補給速度很快，因此必須布置足夠數量的降壓井，確保抽水速度大于補給速度，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，坑內降壓時，坑外相當大范圍的承壓水位下降，可能引起周邊道路、管線、建（構）筑物的沉降，因此應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

根據分析計算，坑內布設31 口降壓井（含3 口觀測井備用井），坑外布設6 口觀測井；在沿基坑南側和東側方向，有需要重點保護的管線和建筑，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，夾層內充填礫砂。內層濾管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，應采用素混凝土回填，回填高度5 m。因回灌時有壓力，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]。

回灌時要求排出井內空氣，防止產生氣泡阻擋回灌水，并在井口蓋板上安裝排氣閥，當水從排氣閥大量出水后，才可以關閉排氣閥。

回灌后因回灌井內產生一定量氣泡，大量氣泡聚集在濾管周圍會阻止回灌水進入含水層中，因此必須定期對回灌井進行回揚沖洗。

2.3 回灌壓力

為了確定回灌壓力，進行了動態(tài)回灌試驗。本次回灌試驗進行了3 個等級試驗，回灌壓力從0.05～0.15 MPa，待每個階段水穩(wěn)后進行下一階段的回灌，動態(tài)回灌試驗結果見表1。

表1 動態(tài)回灌試驗結果

由表1可知，回灌開始后，承壓水位緩慢回升。當壓力從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，而且壓力達到0.15 MPa后井管周邊有輕微涌水現象，因此回灌壓力優(yōu)選0.10 MPa。

本次回灌系統采用水泵抽取地下水，然后通過水箱安裝加壓泵對水體自然壓力補償的方法進行回灌，回灌系統加壓示意見圖3。

圖3 回灌加壓示意

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

3 回灌效果計算

通過對比回灌前后基坑周圍地面沉降數值，來判斷回灌的效果。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層砂質粉土及粉砂滲透系數平均值 ：水平為3.4 m/d，豎向為0.34 m/d。采用Visual Modflow軟件進行地面沉降數值計算[8]。

本次沉降計算針對基坑開挖后所需要的最大安全降深的工況進行沉降計算，計算結果見圖4和圖5。不開回灌井時地面沉降17 mm，回灌時地面沉降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 實際運行效果

4.1 第一階段回灌

當基坑開挖地層土體（裙房、塔樓及其局部小深坑），坑內外承壓水水頭分別為－16.55～－19.78 m和－14.85～－16.99 m時，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，坑外觀測井水位上升40～100 cm。

加壓回灌后，回灌一側圍護結構日變化量突然增大，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，對應部位地下連續(xù)墻接縫處產生了滲漏情況。P3～P5為地下連續(xù)墻變形監(jiān)測點，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

當基坑開挖塔樓深坑，坑內外承壓水水頭分別為－29.0～－29.3 m和－21.87～－23.01 m時，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。自然壓力回灌一個月后，坑外觀測井水位穩(wěn)定上升60～90 cm，地下連續(xù)墻變形無明顯變化。

回灌側圍護設計計算變形值為60 mm，回灌后實際變形值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，后期則產生上浮現象，上浮量為0.6～0.7 mm/d，最終管線沉降值為7.0～8.0 mm，個別點最大沉降值16 mm，沒有發(fā)生管線安全事故，道路無明顯可見的沉降和開裂現象，回灌達到了預期效果。

5 結語

（a）對懸掛式圍護深基坑施工，采取地下水回灌措施可以減少坑內減壓降水對周邊環(huán)境的影響，但會增加圍護結構本身的變形值。回灌對坑外承壓水水位的變化影響不大。

（b）采用加壓回灌時，井位與圍護之間要保持足夠的間距，以減少對圍護產生附加的壓力，而實際施工由于受紅線控制影響，很難做到。同時回灌壓力不宜過大，宜在0.1 MPa左右，避免井管本構或墻底土體產生破壞，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圍護墻體的影響。按抽灌平衡原則，回灌井應加密布置，數量應為最大同時開啟降壓井數量3～5 倍。

（d）對于大型基坑，地下連續(xù)墻的插入深度應有足夠的保證，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。