地下水抽灌一體化對基坑周邊環(huán)境的保護

佘佳貝

(上海陸家嘴金融貿(mào)易區(qū)聯(lián)合發(fā)展有限公司，上海 200126)

0 引言

近年來隨著城市地下空間資源利用的不斷發(fā)展，建筑基坑的開挖深度也同步加大基坑止水帷幕滲漏和地下水帶來的風險日益增加。尤其針對長三角沿海軟土地區(qū)，本身的水文地質條件很差，當基坑止水帷幕出現(xiàn)滲漏后，基坑外側地下水會源源不斷供給至基坑內，導致坑外地表沉降，對周邊環(huán)境造成不同程度的損壞。高效應對此問題，并響應國家綠色環(huán)保號召、節(jié)約工程成本至關重要。

上海某建筑基坑項目在開挖前進行微承壓水生產(chǎn)性抽水試驗，通過試驗結果分析，基坑止水帷幕存在滲漏缺陷。如果不妥善應對，后續(xù)基坑內進行減壓降水運行時，坑外地下水位將有所下降，進而導致坑外地表發(fā)生沉降，影響周邊建筑物等環(huán)境的安全。針對止水帷幕存在的缺陷，一般采取止水帷幕修補措施，但是造價過高不經(jīng)濟而且對施工工期影響較大。因此通過建立模型分析計算并模擬實踐效果的手段，提出一種新型多系統(tǒng)相結合的抽灌一體化施工工藝，與傳統(tǒng)應急回灌工藝相比，改良了回灌井結構并結合水質處理、自動化控制系統(tǒng)，提高了回灌效果，適用性更廣，更為高效、綠色環(huán)保，同時節(jié)省了人力、物力，提高了經(jīng)濟效果。

1 工程概況

上海市某建筑基坑項目位于上海市浦東新區(qū)，總建筑規(guī)模約410 261 m2，其中地上計容面積約264 222 m2，地上不計容面積約2 665 m2,地下不計容面積約143 373 m2。主要功能定位為商業(yè)、辦公、酒店功能，本項目包括四個地塊及其地下空間和地上連橋。

本文所涉及的基坑為其中一個地塊，總建筑面積103 611 m2，地上建筑面積73 393 m2，地上計容建筑面積72 679 m2，地上不計容建筑面積714 m2。開挖面積為14 396 m2，普挖區(qū)開挖深度為11.85 m，局部深坑達到15.05 m，采用兩道混凝土支撐。基坑采用φ900@1 100 mm鉆孔灌注樁作為圍護結構，樁底埋深26 m；外排800厚TRD止水帷幕，墻底埋深40 m。周邊環(huán)境復雜保護要求較高，以南側距離基坑僅有10 m的上海某學校作為本地塊施工過程中的重點保護對象。基坑平面圖見圖1。

本項目場地位于古河道沉積區(qū)，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，分布較穩(wěn)定，具有成層分布的特點。可劃分為7個主要層次，地基土分布自上而下分別為：第①1層雜填土；第②層灰黃色粉質黏土；第③層灰色淤泥質粉質黏土；第④層灰色淤泥質黏土；第⑤層根據(jù)土性差異可劃分為⑤1,⑤2,⑤3層3個亞層，第⑤2層又可分為第⑤2-1層、⑤2-2層和⑤2-3層3個次亞層，第⑤3層又可分為第⑤3-1層、⑤3-2層和⑤3-3層3個次亞層，第⑤1層灰色黏土、第⑤2-1層為灰色砂質粉土、第⑤2-2層為灰色粉質黏土夾黏質粉土、第⑤2-3層為灰色粉砂、第⑤3-1層為灰色粉質黏土、第⑤3-2層為灰色砂質粉土夾粉質黏土、第⑤3-3層為灰～深灰色粉質黏土；第⑦層灰色粉砂；第⑨層灰色粉砂。基坑圍護剖面圖見圖2。

場地內存在第⑤層微承壓水，其中第⑤2-2層與第⑤2-1層、第⑤2-3層存在一定的水力聯(lián)系，且第⑤2-2層為弱透水層不具備微承壓性。第⑤3-1層可作為隔水層，但因試驗場地內⑤3-1層部分缺失或層厚較薄，故⑤2-3層與⑤3-2層存在直接水力聯(lián)系。水文地質參數(shù)見表1。

表1 水文地質參數(shù)

2 工程重難點

2.1 降水設計

降水設計目的：降低承壓含水層的承壓水水頭，將其控制在安全埋深以內，以防止基坑底部發(fā)生突涌，確保施工時基坑底板的穩(wěn)定性。盡量減少由于減壓降水引起的地表沉降以及降水對周邊建(構)筑物的不利影響。控制降水引起地面沉降，避免產(chǎn)生較大差異沉降。

降水設計分析：本地塊基坑底面設計標高以下存在第⑤2-1層、⑤2-3層以及⑤3-2層微承壓水。隨著基坑開挖深度的增加，基坑底部距離承壓含水層頂板距離逐漸減小，承壓含水層頂板處的上覆土壓力也隨之減小；當基坑開挖到一定深度后，承壓含水層上部土壓力可能小于含水層中承壓水頂托力，導致基坑底部抗突涌穩(wěn)定性不足引發(fā)坑底突涌。必須有效控制承壓水水頭埋深，防止基坑發(fā)生突涌事故。本工程安全系數(shù)取1.1，承壓含水層水頭埋深分別取4.5 m,5 m,6 m，對⑤2-1層、⑤2-3層以及⑤3-2層進行抗突涌穩(wěn)定性驗算。基坑開挖深度與安全水頭埋深對應關系見表2。

從表2中得出，本地塊只需要考慮降低⑤2-1層微承壓含水層水位。根據(jù)擬建場地的工程地質與水文地質條件、基坑圍護結構特點以及開挖深度等因素，本次設計采用軟件Visual ModFlow進行三維滲流數(shù)值法計算[1]，為降水設計與施工提供理論依據(jù)。本計算方法已成功應用于長三角、珠三角等多地的深大基坑工程的降水工程。經(jīng)過計算，在滿足最大設計降深要求時，坑內布置第⑤2-1層減壓降水井12口(含3口觀測備用井)；坑外第⑤2-1層微承壓水水位觀測井共10口；坑外學校側第⑤2-1層微承壓水回灌井的布設按照間距20 m/口，共布置9口回灌井。降水運行坑內預測基坑水位埋深等值線和降水井平面布置圖分別見圖3,圖4。

表2 基坑開挖深度與安全水頭埋深對應關系

2.2 抽水試驗

鑒于主體基坑止水帷幕已隔斷第⑤2-1層微承壓含水層，但整個基坑的降深量較大。為減少降水對周邊環(huán)境的不利影響，掌握準確的地下水位信息，在基坑開挖施工前開展現(xiàn)場生產(chǎn)性抽水試驗，坑內減壓井K1～K9作為抽水井，同步記錄坑內觀測井BG1～BG3和坑外觀測井G1～G10的水位數(shù)據(jù)。試驗過程坑內、外水位埋深歷時曲線,見圖5，圖6。

抽水試驗結果：本次群井抽水試驗過程中，坑內觀測井水位可以達到最大設計要求降深；坑外水位普遍下降0.3 m～0.7 m。

抽水試驗結果分析：本基坑止水帷幕已隔斷第⑤2-1層微承壓含水層，理想狀態(tài)下坑內進行減壓抽水，坑外水位不應發(fā)生變化。根據(jù)本次生產(chǎn)性抽水試驗數(shù)據(jù)顯示，坑外水位普遍有所下降，初步判斷地墻存在滲漏缺陷，應采取應對措施以避免后期開挖過程中坑內長時間減壓運行導致坑外地表沉降，損壞周邊環(huán)境[2]。

3 施工工藝流程

基坑開挖過程中，坑內降水嚴格遵循“分層降水”“按需降水”的原則[3]，隨著基坑開挖深度的加深逐步進行減壓抽水開啟減壓井井數(shù)根據(jù)現(xiàn)場水位情況進行適當調整，確保水位處于安全狀態(tài)但不可超降。

坑外采用常壓抽灌一體化工藝，回灌工作與基坑正式開挖承壓水降壓同時進行，做到同抽同灌。回灌水量根據(jù)實際水位的變化及時調節(jié)，保持抽、灌平衡。既要防止回灌導致坑外水位大幅抬升以至超過初始水位，滲入基坑內對基坑降水造成不利影響，又要防止回灌量過小使地下水位失控影響回灌效果。基坑回灌采用常壓自動控制回灌裝置，即確保回灌井內水頭始終處于初始水位位置，一旦地下水位下降，回灌裝置便立刻啟動，對其進行回灌補水，確保水頭穩(wěn)定。回灌過程每日觀測回灌井周邊水位觀測井變化情況[4]，同時準確及時記錄回灌水量，基坑抽水量的變化情況，每日對記錄數(shù)據(jù)進行分析整理，及時掌握回灌運行情況。此外回灌期間重點加強對上海某學校回灌區(qū)域地表沉降監(jiān)測頻次，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調整基坑降水和地下水回灌。

3.1 回灌水質處理系統(tǒng)

地下水回灌對水質要求較高[5]，出現(xiàn)污染的水質嚴禁進行回灌，而以傳統(tǒng)的應急回灌方法多采用市政自來水作為回灌用水[6]，既浪費了資源，又不經(jīng)濟。為響應國家綠色環(huán)保號召，節(jié)約工程成本，本項目通過回灌系統(tǒng)與水質處理系統(tǒng)相結合工藝，直接利用坑內減壓井抽出的地下水通過水質處理系統(tǒng)凈化處理達標后作為回灌水源，實現(xiàn)抽灌一體化的地下水循環(huán)利用，既綠色環(huán)保、避免了地下水資源浪費又節(jié)約了市政自來水的使用成本。

原水水質中的Fe2+會引起沉淀堵塞，嚴重阻塞濾網(wǎng)，通過處理水質可改善這一問題，并可以有效去除鐵、錳等離子及其他有害雜質。水質處理系統(tǒng)圖見圖7。

3.2 自動化控制系統(tǒng)

抽灌一體化工藝對日程監(jiān)測和控制的要求較高，減壓運行期間需要24 h不間斷監(jiān)測[7]，而傳統(tǒng)應對方式過于依賴人工去逐個測量控制，效率較低且精準性較差，當出現(xiàn)緊急情況下不能及時反應。本項目結合自動化控制系統(tǒng)，平臺間無線對接，實現(xiàn)遠程可視化控制。遠程監(jiān)控系統(tǒng)圖見圖8，圖9。

通過預設水位控制裝置，當回灌井內水位低于控制標高時，回灌裝置自動控制開啟進行回灌；當回灌井內水位高于控制標高時，回灌裝置自動控制關閉。始終確保坑外地下水位處于穩(wěn)定狀態(tài)，既可以防止少灌導致的坑外地面沉降控制效果差，又可以防止多灌產(chǎn)生的地面抬升。回灌自動控制系統(tǒng)見圖10。

3.3 回灌井結構改良

由于回灌井濾管結構部分已進入微承壓水區(qū)域，微承壓水對濾管、濾網(wǎng)會產(chǎn)生較大壓力，要求濾管和濾網(wǎng)有足夠的強度。傳統(tǒng)回灌井濾管構造多采用橋式濾管，濾管強度較高，但孔隙率較低僅可達到15%。而單井回灌量主要取決于濾管的孔隙率，為提高回灌井的回灌效果，對傳統(tǒng)濾管結構進行改良，由原來的橋式濾管改良為圓孔濾管加方格鋼絲網(wǎng)組合結構，孔隙率可以達到30%,既保證了濾管具有足夠抵抗壓力水破壞的強度，又提高了濾管的孔隙率，進而增加了單井回灌效果。橋式濾管和改良后圓孔濾管示意圖見圖11，圖12。

通過對兩類不同濾管結構的回灌井進行現(xiàn)場實際回灌試驗數(shù)據(jù)對比分析，對比情況見表3。

表3 回灌試驗數(shù)據(jù)對比

根據(jù)回灌井濾管改良前后實驗數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，當兩類濾管長度和直徑相同時，單井回灌量與濾管孔隙率有關，濾管孔隙率越大，單井回灌量越大。

3.4 結果分析

本工程自開挖底板階段開始坑內減壓抽水運行，同步進行坑外回灌運行。抽灌一體化運行過程中對坑內外觀測井水位、坑外沉降變形等進行加密監(jiān)測。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計：坑內9口減壓井平均日抽水量為216.32 m3；坑外9口回灌井平均日回灌量為83.65 m3。通過對坑外數(shù)據(jù)分析，每日坑內外抽灌量基本可以保證坑外水位平衡，同時控制坑外地面沉降并在一定幅度內對坑外地面略有提升[8]，保證了上海某學校的安全。運行水位歷時曲線見圖13。

根據(jù)圖13可以看出當基坑開挖至底板階段時，坑內開始進行減壓抽水達到設計要求安全水位，坑外同步進行地下水回灌，坑外觀測井水位始終保持穩(wěn)定平衡狀態(tài)，未發(fā)生水位急劇下降趨勢。說明抽灌一體化工藝的同抽同灌效果較明顯，基本可以保證坑外水位不下降。基坑南側學校側地表沉降歷時曲線見圖14。

根據(jù)圖14第三方監(jiān)測單位針對基坑南側學校的地面沉降歷時曲線分析，可以看出當基坑開挖至底板階段前，沉降數(shù)據(jù)有持續(xù)下降趨勢，下降幅度約為0 mm～8 mm。當基坑內開始進行減壓運行抽水，同步坑外進行地下水回灌后，一段時間內上海惠靈頓外籍人員子女學校地面沉降數(shù)據(jù)有回升趨勢，回升幅度約為4 mm，后續(xù)沉降數(shù)據(jù)始終保持穩(wěn)定狀態(tài)。說明抽灌一體化工藝對于坑外地面沉降的控制效果較為明顯，可以控制減壓抽水過程中對坑外環(huán)境的影響，在一定范圍內還可以起到抬升坑外地面的作用，使得本項目在止水帷幕滲漏的情況下保證了基坑和周邊環(huán)境的安全。

4 結語

1)通過本項目的成功案例，證實在基坑止水帷幕滲漏的情況下，采用“抽灌一體化”措施對周邊環(huán)境保護的效果極為明顯，節(jié)省工程成本，可以為后續(xù)類似項目作為參考。

2)驗證了采用軟件Visual ModFlow進行三維滲流數(shù)值法計算在降水設計應用中的合理性，通過設計和施工相結合，更能發(fā)揮其作用。

3)基坑開挖施工前生產(chǎn)性抽水試驗是非常必要的，可以提前有效檢驗止水帷幕的封閉效果，進而采取合理、經(jīng)濟應對措施。

4)水質處理系統(tǒng)在本項目回灌系統(tǒng)中發(fā)揮巨大作用，既綠色環(huán)保又節(jié)省工程成本，可以指導后續(xù)類似項目。

5)自動化控制系統(tǒng)在抽灌一體化系統(tǒng)中的應用極為有價值，可以高效、精準控制施工，并能及時發(fā)現(xiàn)突發(fā)情況，節(jié)省人力物力，符合信息化時代發(fā)展方向。

6)證實了回灌井濾管結構的改良，可以有效大幅提高單井回灌效果，為后續(xù)類似回灌項目提供依據(jù)。