關于承壓水降水及回灌運行階段性分析及總結(jié)

毛新杰

（中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

在城市建筑物密集區(qū)周邊基坑開挖施工過程中，當?shù)叵鲁袎核怀^基礎底部或基礎埋深較大時，基坑就存在突涌的風險；當承壓水降水過大時，會引起周邊建筑物沉降[1]。不同地區(qū)的地質(zhì)條件不同，地下水滲透系數(shù)也會不一樣。在沖積平原地區(qū)，經(jīng)常出現(xiàn)深厚的強透水地層[2]。在該地質(zhì)條件下開挖基坑，若通過設置止水樁等措施將地下水層完全截斷，不但造價極高，而且施工及其困難。通過抽排基坑內(nèi)承壓水，同時對基坑外部進行地下水回灌，不但施工經(jīng)濟，而且施工相對來說較為簡單，所以降水開挖是城市內(nèi)深基坑施工一項重要技術措施[3]。

1 工程概況

某地鐵站標準段基坑深度約25.16m，坑底位于第⑤下標層灰色粉質(zhì)粘土層中，采用明挖順做法施工。圍護結(jié)構選擇1200mm厚地下連續(xù)墻（采用十字鋼板接頭），墻長50m，墻趾位于第⑦2層細砂層中。本車站地質(zhì)分布情況自上而下為：①1雜色雜填土層、②1灰黃色粉質(zhì)粘土、③t灰色砂質(zhì)粉土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層、④灰色淤泥質(zhì)粘土層、⑤11灰色粘土層、⑤1t灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土、⑤31b灰色粉質(zhì)粘土、⑤4粉質(zhì)粘土、⑦12灰黃色砂質(zhì)粉土。土層滲透系數(shù)詳見表1。

表1 土層滲透系數(shù)

根據(jù)實際勘察的地勘報告得知，⑤1t層為微承壓水含水層；⑦、⑧2層為承壓含水層。根據(jù)往常上海市工程實踐結(jié)果記錄，（微）承壓水水位埋深每年規(guī)律性變化，具有周期性，⑤1t層微承壓水一般埋深為3.0～11.0m，⑦12、⑦2層承壓水一般埋深為3.0～12.0m，⑤1t層灰色砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)粘土厚度較薄，其上部的⑤11和下部的⑤12層均為相對隔水層，⑤1t層的含水量是有限的，一般情況下，它造成的危害比上海⑤2層分布區(qū)域要小[4]。

2 承壓水減壓設計現(xiàn)狀

在止水帷幕深度為50m的情況下，在滿足最大設計降深要求時，經(jīng)過降水模型計算[5]，基坑內(nèi)設8口降壓井、2口觀測井、3口備用井，均勻分布于基坑內(nèi)部。坑外靠近國脈苑小區(qū)設置9口回灌井用來保護重點建構筑物。

根據(jù)降水模型初步計算，車站Y7-8井內(nèi)安裝額定流量為10m3/h抽水泵、Y7-3～Y7-4、Y7-6～Y7-7井內(nèi)安裝額定流量為25m3/h抽水泵；Y7-1～Y7-2、Y7-5井內(nèi)安裝額定流量為50m3/h抽水泵。通過降水實驗觀察最終確定，車站Y7-7～Y7-8井內(nèi)安裝額定流量為10m3/h抽水泵、Y7-3～Y7-4、Y7-6井內(nèi)安裝額定流量為25m3/h抽水泵；Y7-1～Y7-2、Y7-5井內(nèi)安裝額定流量為50m3/h抽水泵。

在坑內(nèi)承壓水減壓達到設計要求的情況下[6]，經(jīng)過降水模型計算，坑外降水深度計算結(jié)果詳見表2。

表2 減壓降水引起坑外最大承壓水位降深計算結(jié)果 單位：m

通過實際降水實驗：群井抽水23h后，觀測井GN1～GN2穩(wěn)定水位埋深分別為22.78m（降深13.37m）、24.56m（降深15.11m），滿足基坑開挖至底時各部位的安全水位埋深需求[7]。同時對坑外觀測井YG2、YG7～YG9進行水位觀測，Y7-1～Y7-8抽水后YG2水位埋深為13.07m（降深3.69m）；YG7水位埋深為13.05m（降深3.88m）；YG8水位埋深為12.20m（降深2.85m），YG9水位埋深為12.82m（降深3.48m），水位變化詳見圖1。

圖1 車站群井降水抽水23h坑內(nèi)外水位變化情況

通過降水實驗，可以看出坑內(nèi)承壓水減壓達到設計要求時，僅23h時間內(nèi)，國脈苑小區(qū)處承壓水降深幅度最大就能達到3.88m，這對國脈苑小區(qū)建筑物保護是不利的。

3 針對承壓水降水現(xiàn)狀采取措施

通過上述承壓水降水設計現(xiàn)狀及降水實驗效果，可以看出城市內(nèi)建筑群距離基坑較近的建筑物易受到基坑承壓水減壓的影響，正常采取承壓水降壓及回灌，不利于穩(wěn)定控制基坑內(nèi)承壓水的降壓及回灌井回灌的效果[8]。針對承壓水降水現(xiàn)狀采取如下改進措施。

3.1 細化“按需降水”內(nèi)容，合理控制降壓井開啟時間

基坑承壓水開始降水在基坑開挖至第五道支撐混凝土支撐（深度16m左右）后開啟Y7-2、Y7-5、Y7-7三口降壓井，承壓水位下降至11m時繼續(xù)后續(xù)基坑開挖。當基坑開挖至19m左右時（第六道支撐鋼支撐底），開啟Y7-3、Y7-6兩口降壓井，承壓水位下降至16.5m時繼續(xù)后續(xù)開挖。當基坑開挖至22m左右時（第七道支撐鋼支撐底），開啟Y7-1、Y7-4、Y7-8三口降壓井，直至底板施工完成。每口降壓井根據(jù)實際開挖現(xiàn)狀，在開挖前2天開啟運行，保證開挖時地下水位已滿足設計規(guī)范要求，同時每口降壓井均加裝流量表及回水閥。通過回水閥控制承壓井運行過程中的出水量，從而避免降水經(jīng)開啟導致局部降水量過多失控的情況，比如Y7-6這口井開啟時，實際出水量為25m3/h，跟據(jù)現(xiàn)場工況，Y7-6這口井僅需要出水量10m3/h就能滿足目前的施工要求，就可以通過回水閥對出水量進行調(diào)節(jié)控制。進一步完成按需降水的細化。

降壓井運行時，不斷對回灌井進行監(jiān)測，前期回灌盡量采用常壓控制水量進行回灌[9]。當回灌井水位降低后，立即加大回灌水量，保證坑外水位穩(wěn)定。降壓井開啟后，項目為保證開挖期間降壓井正常運行，全天24h輪班對基坑內(nèi)降壓井進行巡視。以保證意外發(fā)生時，人員可以第一時間處理故障。

3.2 引進新技術，自動控制水位

引進全新“降水井自啟動監(jiān)控系統(tǒng)”和“自啟動發(fā)電機”。“降水井自啟動監(jiān)控系統(tǒng)”可以全天候?qū)崟r監(jiān)測水位變化情況，當水位發(fā)生異常時自動開啟備用井，保證基坑內(nèi)水位穩(wěn)定。通過自動監(jiān)測手機終端，管理人員可以隨時觀察并進行水位分析，做出合理的指令。“自啟動發(fā)電機”可以在市政電網(wǎng)斷電時自行啟動，直接對降壓井供電。在設備運行源頭進行保障，如圖2所示。

圖2 雨水收集箱及自啟動電源

3.3 基坑開挖全過程坑外回灌

基坑外充分利用地下承壓水排出水進行坑外回灌，將承壓排出水注入回灌井里（圖3），通過井管滲透使周邊水位升高，回灌補給上升的水位稱為回灌水位hc（如圖4所示），只有回灌井中的補給水位與地下水位之間形成一個水壓差，注入回灌井里的水才有機會滲透流入含水層[10]。當水的滲透流入的水與注入的水保持平衡時，水位就不再繼續(xù)變化，保持水位穩(wěn)定狀態(tài)，這樣在回灌井周邊就存在一個穩(wěn)定的錐形水位，這個錐形水位與降水時存在的水位漏斗形狀相似，只是兩者的方向恰巧是相反的。補給水位hc與原地下水位H的差值，稱為水位升幅Sc[11]。

圖3 回灌原理

圖4 工程地下水回灌井原理

坑外補充的水位回灌數(shù)量與承壓水含水層的滲透系數(shù)有相當緊密的聯(lián)系，不同的地質(zhì)的承壓水層滲透性能各不一樣，坑外回灌水量相差也比較大。所以滲透性能好的地質(zhì)能較好地進行回灌施工，假定土層滲透系數(shù)一定，怎樣確保坑外井的回灌水量是保證坑外回灌效率的重要因素，而且隨著時間的變化，井管的不斷老化也會大大影響坑外水的回灌效率。當回灌滲透效率因井老化而使回灌滲透量減少時，需要采用活塞清洗、回揚及加壓回灌（圖5）等方法來確保坑外建筑物處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 加壓回灌裝置

為保證回灌井回灌量，管理人員對回灌井每天進行四次水位監(jiān)測，每天分析各井回灌量，對于回灌量減少的回灌井，重點增加回揚次數(shù)，其他回灌井按照方案要求每周進行一次回揚，確保坑外回灌量滿足坑外水位。在回揚效果不明顯時，會采用活塞對回灌井進行洗井回揚[12]，洗井完成后及時大水量回灌，降低洗井對周邊的影響。

在后期，回灌井濾管滲水效果不明顯時，采用加微壓方式回灌保證回灌井回灌水量。采用微壓方式既可以增加滲水量，還可以減少回灌壓力對地墻的作用力。從而保證后期坑外水位穩(wěn)定合理。

4 運行結(jié)果分析

車站開挖至基坑底部時，坑內(nèi)地下水位降低深度達到16.4m，峰值日出水量在4500m3左右，所以承壓水降水對周邊環(huán)境的影響是巨大的。為補充由坑內(nèi)水位下降而造成的周邊水位下降的情況，自降壓井運行開始時就開啟坑外回灌井，來保持坑外水位。坑外回灌井在峰值時日回灌量達400m3，后期日回灌量也能達到200m3左右。基坑西側(cè)設置了兩口回灌井，由于場地西側(cè)距離周邊建筑較遠，故此井未進行回灌。未進行回灌的井在基坑見底時水位下降了6m左右，而進行回灌的井內(nèi)水位（基坑見底時）只下降不到2m。所以回灌井能有效的確保基坑東側(cè)國脈苑小區(qū)的3棟居民樓的安全穩(wěn)定。

車站自開挖至今，已完成底板全部施工作業(yè)，車站深27.5m，長160m，開挖底板回筑完成時，墻體下部水平位移測斜率1.23‰；周邊建筑物沉降、地表沉降、立柱隆起等監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足設計要求，狀態(tài)可控。各項降水措施有效保護了基坑周邊建構筑。

5 結(jié)語

降承壓水是明挖深基坑開挖施工過程中重點關注的風險因素，過量降水將會造成周邊環(huán)境沉降異常；降水量不足則會造成基坑突涌。基坑適量按需降水，是一個基坑施工的關鍵。城市軌道交通不斷地迅猛發(fā)展，城市內(nèi)明挖深基坑成為一項較為常見施工，怎樣確保在建筑物密集區(qū)的市中心實現(xiàn)降水并將周邊壞境變化量調(diào)整到最低，已經(jīng)是每個施工單位最需要解決的重大事項。通過本次深基坑降水的分析和總結(jié)，可以為同類承壓水降水施工提供經(jīng)驗支持。