超深地下空間的地下水補(bǔ)償應(yīng)用

朱 剛

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200434

對于在含有深厚承壓水層地質(zhì)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(nèi)大幅度降排水會引起坑外水位下降，繼而對周邊環(huán)境產(chǎn)生一定程度的不利影響。作為預(yù)案，在城市敏感區(qū)域降排地下水時(shí)，通常采用對基坑外的地下水進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，使降排地下水對周邊環(huán)境的影響降低。但地下水補(bǔ)償具有敏感度高、補(bǔ)償深度大、補(bǔ)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(qū)超深基坑采用深75 m地下連續(xù)墻為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，由于沒有隔斷承壓含水層，故形成懸掛式止水。工程周邊環(huán)境復(fù)雜，分布有大量地下管線，尤其是基坑北側(cè)，為運(yùn)行中的軌道交通9號線區(qū)間隧道，距離基坑僅30 m，因此降水設(shè)計(jì)及降水運(yùn)行必須同時(shí)兼顧基坑自身安全和周邊環(huán)境安全。本項(xiàng)目降水設(shè)計(jì)采用抽-灌一體化方法，達(dá)到了預(yù)期效果[1-3]。

1 工程概況

徐家匯中心虹橋路地塊項(xiàng)目位于上海市徐家匯商業(yè)區(qū)，南鄰虹橋路、西鄰宜山路。場地北側(cè)為軌道交通9號線，東側(cè)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(hù)體為超深地下連續(xù)墻，深度為75 m，坑內(nèi)設(shè)置7道混凝土支撐，基坑最大開挖深度達(dá)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(jì)沉積物，擬建場地均位于古河道沉積區(qū)。從結(jié)構(gòu)特征、土性和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異出發(fā)，土層可劃分為11個工程地質(zhì)層及若干亞層。場地內(nèi)第⑦1層砂質(zhì)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(nèi)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(wěn)定、連續(xù)，層頂埋深44 m左右，復(fù)合含水層厚度超過50 m，含水層深厚并處于連通狀態(tài)。4-1區(qū)基坑地下連續(xù)墻深75 m，墻趾已進(jìn)入第⑨層約8 m。由于承壓含水層厚度大，故地下連續(xù)墻未能隔斷承壓水，形成懸掛式止水帷幕。

3 未補(bǔ)償狀態(tài)下的試驗(yàn)抽水

4-1 區(qū)基坑內(nèi)共布置32口降壓井。試驗(yàn)期間，利用坑內(nèi)12口井進(jìn)行群井抽水，坑內(nèi)觀測井水位降至地面以下40 m，水位已降至基底以下，達(dá)到基坑所需的安全水位。但本工程北側(cè)軌道交通9號線區(qū)間隧道變形速率有所加大，經(jīng)各方同意停止試驗(yàn)抽水。計(jì)劃進(jìn)行第2次試抽水，要求坑內(nèi)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(shí)，坑內(nèi)10口井的水量平均為15 m3/h，坑內(nèi)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(yàn)期間，坑外第⑦層水位變化幅度約為坑內(nèi)的8%，說明圍護(hù)體對承壓含水層的繞流作用明顯?？油馑徽w變化較為均勻，沒有異常點(diǎn)出現(xiàn)，判定圍護(hù)體封閉性良好。考慮到抽水試驗(yàn)時(shí)間比較短，降水對周邊環(huán)境的影響還沒有完全體現(xiàn)出來，且第1次抽水試驗(yàn)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(bǔ)償措施，做到抽-灌一體化運(yùn)行。

4 抽-灌一體化設(shè)計(jì)

以徐家匯中心虹橋路地塊4-1區(qū)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(huán)境復(fù)雜條件下的回灌補(bǔ)充系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究?；诂F(xiàn)場抽水、回灌試驗(yàn)，建立地下水-止水帷幕共同作用的三維滲流模型，調(diào)整參數(shù)，使得模擬計(jì)算的結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果接近。然后在該模型基礎(chǔ)上，探索滲透系數(shù)、繞流路徑對回灌補(bǔ)償?shù)乃俊⒐喑楸鹊鹊挠绊?，以更好地指?dǎo)工程設(shè)計(jì)。

回灌井與軌道交通車站、區(qū)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(jù)現(xiàn)場抽水試驗(yàn)及回灌試驗(yàn)，自然回灌時(shí)，單井回灌量2～3 m3/h，占坑內(nèi)單井抽水流量的1/4～1/3。

回灌井啟動標(biāo)準(zhǔn)：坑內(nèi)降水后應(yīng)同步啟用回灌井。

回灌井停止標(biāo)準(zhǔn)：基坑內(nèi)大底板全部施工結(jié)束并施工到B4（地下4層）板后，坑內(nèi)抽水大部分停止，坑外水位恢復(fù)到初始值時(shí)可關(guān)閉回灌井。

根據(jù)地質(zhì)條件、基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(zhì)各向異性水文地質(zhì)概念模型。

根據(jù)研究區(qū)的幾何形狀以及實(shí)際地層結(jié)構(gòu)條件，對研究區(qū)進(jìn)行三維剖分。地下水系統(tǒng)的垂向運(yùn)動主要是層間的越流，三維立體結(jié)構(gòu)模型可以很好地解決越流問題；地下水系統(tǒng)的輸入、輸出隨時(shí)間、空間變化，參數(shù)隨空間變化，體現(xiàn)了系統(tǒng)的非均質(zhì)性，但沒有明顯的方向性，所以參數(shù)概化成水平向各向同性。綜上所述，模擬區(qū)可概化成非均質(zhì)水平向各向同性的三維非穩(wěn)定地下水滲流系統(tǒng)。模擬區(qū)水文地質(zhì)滲流系統(tǒng)通過概化、單元剖分，即可形成地下水三維非穩(wěn)定滲流模型。

4-1 區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，距離軌道交通9號線約30 m，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮重力補(bǔ)償方式回灌。經(jīng)過三維滲流模型計(jì)算，坑外布置3排回灌井（圖2）：在小坑內(nèi)布置1排回灌井，在區(qū)間隧道與小基坑之間布置1排回灌井，在隧道外側(cè)布置1排回灌井。如此可以有效控制北側(cè)軌道交通9號線區(qū)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(tài)下的降水運(yùn)行

徐家匯中心虹橋路地塊4-1區(qū)布置4只回灌集水箱，規(guī)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(diào)整出水量，將水回灌至井內(nèi)?；毓嗨粗饕沙樗苯犹峁樗蜷L期抽水，故回灌水體干凈、無固體物質(zhì)，能達(dá)到關(guān)于回灌水的技術(shù)要求?；觾?nèi)降水井排管至集水箱，為回灌井提供回灌水源。

坑內(nèi)降水嚴(yán)格按照按需降水原則進(jìn)行，回灌與抽水同步進(jìn)行。第1次抽水試驗(yàn)時(shí)，軌道交通9號線一側(cè)水位下降2～3 m，正式運(yùn)行階段因?qū)嵭谐?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(shí)對坑外軌道交通9號線的沉降控制非常有利。

6 周邊環(huán)境控制效果分析

4-1 區(qū)基坑在實(shí)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?；游窗l(fā)生突涌風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)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(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，軌道交通9號線區(qū)間隧道沉降值在降水期間累計(jì)不超過2 mm，基本上未出現(xiàn)明顯的沉降量，滿足了基坑北側(cè)軌道交通9號線的沉降控制要求，達(dá)到了超預(yù)期效果。

圖3 4-1區(qū)基坑內(nèi)、外水位運(yùn)行示意

7 結(jié)語

1）抽水可降低基坑突涌風(fēng)險(xiǎn)，回灌可確?；又苓叚h(huán)境安全，抽-灌一體化協(xié)調(diào)應(yīng)用在工程中得到充分運(yùn)用，達(dá)到了超預(yù)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(jìn)行設(shè)計(jì)。

3）建議回灌措施盡量與坑內(nèi)抽水同步運(yùn)行。

4）承壓水控制應(yīng)遵循按需降水原則。