超深地下空間的地下水補償應用

朱 剛

上海建工一建集團有限公司 上海 200434

對于在含有深厚承壓水層地質條件下的深基坑工程，由于止水帷幕不能完全阻隔承壓含水層，故坑內大幅度降排水會引起坑外水位下降，繼而對周邊環境產生一定程度的不利影響。作為預案，在城市敏感區域降排地下水時，通常采用對基坑外的地下水進行補償的方法，使降排地下水對周邊環境的影響降低。但地下水補償具有敏感度高、補償深度大、補償范圍集中、快速等顯著特征。

上海徐家匯中心虹橋路地塊4-1區超深基坑采用深75 m地下連續墻為基坑圍護結構，由于沒有隔斷承壓含水層，故形成懸掛式止水。工程周邊環境復雜，分布有大量地下管線，尤其是基坑北側，為運行中的軌道交通9號線區間隧道，距離基坑僅30 m，因此降水設計及降水運行必須同時兼顧基坑自身安全和周邊環境安全。本項目降水設計采用抽-灌一體化方法，達到了預期效果[1-3]。

1 工程概況

徐家匯中心虹橋路地塊項目位于上海市徐家匯商業區，南鄰虹橋路、西鄰宜山路。場地北側為軌道交通9號線，東側緊鄰軌道交通11號線（圖1），周邊分布有較多的地下管線。圍護體為超深地下連續墻，深度為75 m，坑內設置7道混凝土支撐，基坑最大開挖深度達到35.20 m。

圖1 徐家匯中心虹橋路地塊平面示意

2 工程地層概況

場地地基土均屬于第四紀沉積物，擬建場地均位于古河道沉積區。從結構特征、土性和物理力學性質上的差異出發，土層可劃分為11個工程地質層及若干亞層。場地內第⑦1層砂質粉土及⑦2層粉砂屬第Ⅰ承壓含水層，第⑨層粉砂屬第Ⅱ承壓含水層，第層屬第Ⅲ承壓含水層。場地內第Ⅰ及第Ⅱ承壓含水層相連通。場地下伏的承壓含水層分布穩定、連續，層頂埋深44 m左右，復合含水層厚度超過50 m，含水層深厚并處于連通狀態。4-1區基坑地下連續墻深75 m，墻趾已進入第⑨層約8 m。由于承壓含水層厚度大，故地下連續墻未能隔斷承壓水，形成懸掛式止水帷幕。

3 未補償狀態下的試驗抽水

4-1 區基坑內共布置32口降壓井。試驗期間，利用坑內12口井進行群井抽水，坑內觀測井水位降至地面以下40 m，水位已降至基底以下，達到基坑所需的安全水位。但本工程北側軌道交通9號線區間隧道變形速率有所加大，經各方同意停止試驗抽水。計劃進行第2次試抽水，要求坑內水位控制到地面以下安全水位埋深31 m左右。

第2次試抽水時，坑內10口井的水量平均為15 m3/h，坑內水位控制在地面以下31 m左右（降深25 m），滿足基坑承壓水安全水位要求。坑外水位降深平均值為2 m，水位比較均勻。第2次抽水試驗期間，坑外第⑦層水位變化幅度約為坑內的8%，說明圍護體對承壓含水層的繞流作用明顯。坑外水位整體變化較為均勻，沒有異常點出現，判定圍護體封閉性良好。考慮到抽水試驗時間比較短，降水對周邊環境的影響還沒有完全體現出來，且第1次抽水試驗已對軌道交通9號線的影響比較大，所以本工程的降水必須考慮地下水補償措施，做到抽-灌一體化運行。

4 抽-灌一體化設計

以徐家匯中心虹橋路地塊4-1區域深基坑為研究對象，對基坑開挖深度大、承壓含水層厚、周邊環境復雜條件下的回灌補充系統進行分析與研究。基于現場抽水、回灌試驗，建立地下水-止水帷幕共同作用的三維滲流模型，調整參數，使得模擬計算的結果與現場試驗結果接近。然后在該模型基礎上，探索滲透系數、繞流路徑對回灌補償的水量、灌抽比等的影響，以更好地指導工程設計。

回灌井與軌道交通車站、區間隧道間凈距5～15 m，井深58 m，過濾器長度12 m，后期回灌均采用自然回灌。根據現場抽水試驗及回灌試驗，自然回灌時，單井回灌量2～3 m3/h，占坑內單井抽水流量的1/4～1/3。

回灌井啟動標準：坑內降水后應同步啟用回灌井。

回灌井停止標準：基坑內大底板全部施工結束并施工到B4（地下4層）板后，坑內抽水大部分停止，坑外水位恢復到初始值時可關閉回灌井。

根據地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，抽-灌目的層為承壓含水層，將其概化為三維空間上的非均質各向異性水文地質概念模型。

根據研究區的幾何形狀以及實際地層結構條件，對研究區進行三維剖分。地下水系統的垂向運動主要是層間的越流，三維立體結構模型可以很好地解決越流問題；地下水系統的輸入、輸出隨時間、空間變化，參數隨空間變化，體現了系統的非均質性，但沒有明顯的方向性，所以參數概化成水平向各向同性。綜上所述，模擬區可概化成非均質水平向各向同性的三維非穩定地下水滲流系統。模擬區水文地質滲流系統通過概化、單元剖分，即可形成地下水三維非穩定滲流模型。

4-1 區域周邊環境復雜，距離軌道交通9號線約30 m，設計時主要考慮重力補償方式回灌。經過三維滲流模型計算，坑外布置3排回灌井（圖2）：在小坑內布置1排回灌井，在區間隧道與小基坑之間布置1排回灌井，在隧道外側布置1排回灌井。如此可以有效控制北側軌道交通9號線區域水位降和沉降。

圖2 坑外3排回灌井布置示意

5 抽-灌一體化狀態下的降水運行

徐家匯中心虹橋路地塊4-1區布置4只回灌集水箱，規格為24 m3（6 m×2 m×2 m），每8口回灌井合用1只集水箱，水源由抽水井向集水箱供水。在集水箱出水口連接回灌水總管，直徑100 mm，回灌水總管上再分出8根支管，支管直徑約50 mm。支管由三通連接，其上安裝閘閥，可調整出水量，將水回灌至井內。回灌水源主要由抽水井直接提供，抽水井因長期抽水，故回灌水體干凈、無固體物質，能達到關于回灌水的技術要求。基坑內降水井排管至集水箱，為回灌井提供回灌水源。

坑內降水嚴格按照按需降水原則進行，回灌與抽水同步進行。第1次抽水試驗時，軌道交通9號線一側水位下降2～3 m，正式運行階段因實行抽-灌一體化措施，坑外觀測井水位基本上沒有變化，說明回灌效果明顯，同時對坑外軌道交通9號線的沉降控制非常有利。

6 周邊環境控制效果分析

4-1 區基坑在實施過程中，完全遵循按需降水原則，分層降水，將水位控制在安全水位（30 m左右），從而確保基坑未發生突涌風險，同時有效控制了坑外的水位（6.00～6.50 m），基本上水位降深不超過0.5 m（圖3）。

根據監測數據，軌道交通9號線區間隧道沉降值在降水期間累計不超過2 mm，基本上未出現明顯的沉降量，滿足了基坑北側軌道交通9號線的沉降控制要求，達到了超預期效果。

圖3 4-1區基坑內、外水位運行示意

7 結語

1）抽水可降低基坑突涌風險，回灌可確保基坑周邊環境安全，抽-灌一體化協調應用在工程中得到充分運用，達到了超預期效果。

2）對于重大工程可利用三維滲流模型對抽-灌一體化進行設計。

3）建議回灌措施盡量與坑內抽水同步運行。

4）承壓水控制應遵循按需降水原則。