濟南軌道交通工程基坑降水與回灌概述

申丹丹

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟南 250031）

引言

濟南泉域地處魯中山地的北緣，地形南高北低，變化顯著。南部為綿延起伏的山區(qū)，絕對標(biāo)高為500～600 m；中部為山前傾斜平原，絕對標(biāo)高一般為25～50 m；北部有燕山期侵入的輝長巖體分布。

軌道交通工程沿線地形南高北低，自起點至大學(xué)城站附近地形起伏較大，地下段沿線地形起伏較小。工程屬山前沖洪積平原地貌，場地地勢較低，地形較平坦，鉆孔孔口地面標(biāo)高為31.25～33.46 m。

1 工程概況

本站標(biāo)準(zhǔn)為地下二層島式站臺車站，為遠(yuǎn)期軌道交通某線換乘預(yù)留條件，換乘節(jié)點段為地下三層站，車站有效站臺寬度為14.0 m，長度為120 m。車站結(jié)構(gòu)規(guī)模總長514.09 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬22.7 m，盾構(gòu)井段寬27 m，換乘節(jié)點段車站寬40.7 m。車站結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段高度13.5 m，頂板覆土厚度約為3.0 m，標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深約16.5 m，換乘節(jié)點段底板埋深約26.0 m。車站主體采用明挖法施工。見圖1，基坑總長約516.40 m，分為3-3換乘段、1-1標(biāo)準(zhǔn)段及2-2段盾構(gòu)加寬段（北端），3-3換乘段長約39.5 m，開挖深度為26.0 m；1-1標(biāo)準(zhǔn)段長約459.3 m，開挖深度約為16.5 m，2-2段盾構(gòu)加寬段（北端）長為17.80 m，開挖深度為19.71 m?；影踩燃墳橐患墸畲笏轿灰圃试S值控制為0.20% H，且≤30 mm。根據(jù)地形、地質(zhì)情況，1-1標(biāo)準(zhǔn)段及2-2段盾構(gòu)加寬段（北端）基坑采用套管咬合鉆孔灌注樁+內(nèi)支撐體系，3-3換乘段采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐體系。套管咬合鉆孔灌注樁采用Φ1000@750規(guī)格，素混凝土樁及鋼筋混凝土樁交錯布置、相互咬合，形成能止水，地下連續(xù)墻：采用1 000厚C35水下混凝土?；幽隙硕軜?gòu)加固段采用高壓旋噴樁止水帷幕，盾構(gòu)底板埋深約16.5 m。

圖1 基坑總平面

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)勘探資料及室內(nèi)土工試驗成果，按地層沉積年代、成因類型，本站地層結(jié)構(gòu)劃分為人工堆積層（Q42ml）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（Q4al+pl）、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層（Q3al+pl）三大類，見圖2。

圖2 車站地址剖面

3 水文地質(zhì)概況

從含水層埋藏條件分析，勘察揭示地下水類型為第四系松散巖類孔隙水。第⑧3層粉土其地下水類型屬孔隙潛水類型，其補給條件主要為大氣降水和地表水徑流補給，第⑧2細(xì)砂、⑧1卵石、⑩2細(xì)砂、⑩1卵石、112中砂、111卵石為富水含水層，其頂、底板均為透水性相對較弱的厚層黏性土組成。若把厚層黏性土視作相對隔水層時，第⑧2細(xì)砂、⑧1卵石、⑩2細(xì)砂、⑩1卵石、112中砂、111卵石均具承壓水的埋藏條件，其含水層地下水亦屬于弱承壓水類型，其補給條件主要為大氣降水及地表水的下滲滲流補給及上流河道滲流補給，以民井抽取及地下水側(cè)向徑流為主要排泄方式。

4 抽水與回灌試驗

4.1 測量與觀測

在鉆井前進行放點定位測量，鉆井工作完成后進行復(fù)測，所有坐標(biāo)及高程均為實測高程，用RTK進行測量。利用回灌井進行現(xiàn)場試驗，完成5眼井，各井施工完成后進行洗井及試抽水后統(tǒng)一測量了穩(wěn)定水位。各水井編號、坐標(biāo)和高程、穩(wěn)定水位見表1。

表1 水井主要數(shù)據(jù)

4.2 抽水試驗

通過抽水試驗可知：（1）抽水量為720～1 440 m3/d，降深為1.93～4.3 m。含水層綜合滲透系數(shù)為9.621～19.103 m/d，影響半徑為95.85～220.82 m，滲透系較勘察報告提供的K=250 m/d大幅減小。（2）降水井降深1.93～4.3 m，周邊附近觀測孔水位下降0.24～1.1 m，說明各鉆孔之間地層導(dǎo)通性良好。（3）通過群井抽水試驗可知，場地內(nèi)第四系孔隙水水井水位同步變化，水力聯(lián)系密切。

圖3 H2井組抽水試驗Q-S曲線（左為降深一，右為降深二）

圖4 井組H3抽水試驗Q-S曲線

圖5 井組H5抽水試驗Q-S曲線

4.3 回灌試驗

基坑降水環(huán)保回灌裝置由抽水系統(tǒng)、綜合處理系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)三部分組成。其中綜合處理系統(tǒng)又可分為壓力控制系統(tǒng)、凈化過濾系統(tǒng)、回灌分流系統(tǒng)、自動監(jiān)測系統(tǒng)、智能電控系統(tǒng)等五部分，見圖6。通過這幾部分協(xié)調(diào)工作，可以實現(xiàn)自動化控制管理，達(dá)到基坑降水與回灌一體化，減小基坑降水對周邊環(huán)境的影響。

圖6 基坑降水回灌系統(tǒng)組成

在試驗階段，使用回灌系統(tǒng)回灌量可以達(dá)到常規(guī)回灌量的3倍以上。（1）可有效控制施工區(qū)域附近地下水位的穩(wěn)定，防止附近地層變形，減小施工對附近居民的安全威脅。（2）可以有效增加回灌水量，使泉域系統(tǒng)內(nèi)工程建設(shè)排泄、補給達(dá)到平衡狀態(tài)，保護泉水的穩(wěn)定噴涌量。（3）可提高回灌水質(zhì)，避免回灌對地下水系統(tǒng)水質(zhì)造成破壞。（4）可以大大增加回灌井回?fù)P周期，極大增加了回灌效率和回灌成本。（5）處理了基坑降水的排放問題，減緩了市政管道壓力。（6）在持續(xù)增大回灌量的同時，處理了井壁溢流現(xiàn)象，使回灌在一個干燥、安全環(huán)境下進行，見圖7。

圖7 回灌系統(tǒng)

4.4 回灌試驗分析

通過回灌試驗可以看出：（1）回灌壓力與回灌量呈線性關(guān)系見圖8，采取加壓回灌可明顯增大回灌量，抽取地下水對回灌量有一定的影響。（2）采用自然回灌（無壓），回灌量為657～774 m3/d，周邊附近觀測孔水位上升0.16～0.37 m；采用壓力回灌時，周邊附近觀測孔水位上升0.73～1.85m，影響半徑為100 m，見圖9。（3）回灌引起的周圍地下水水位升幅隨距回灌井的距離增大而減小，見圖10。（4） 回灌壓力越大，引起的地下水水位升幅越大，見圖10。（5）由回灌確定的試驗土層的滲透系數(shù)為9.13～14.19 m/d。

圖8 回灌壓力與回灌量關(guān)系

圖9 水位升幅隨距離變化曲線

5 回灌運行

5.1 回灌原理

將水注入回灌井里，井周圍的地下水位就會不斷地上升，上升后的水位稱之為回灌水位hc。由于回灌井中的回灌水位與地下水位之間形成一個水頭差，注入回灌井里的水才有可能向含水層里滲流。當(dāng)滲流量與注入量保持平衡時，回灌水位就不再繼續(xù)上升而穩(wěn)定下來，此時在回灌井周圍形成一個水位的上升錐，其形狀與抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反?；毓嗑畠?nèi)的回灌水位最高，向四周回灌水位逐漸降低，直至與地下水位相重合，由重合點到回灌井中心軸線的距離稱為回灌影響半徑Rc?；毓嗨籬c與地下水位H之差，稱為水位升幅Sc，見圖11。

圖10 水位升幅與回灌壓力關(guān)系曲線

圖11 回灌效果

回灌井的回灌量與含水層的滲透性有密切關(guān)系，在不同滲透性能的含水層中，井的回灌量差別很大。在保持一定的回灌量與滿足回灌效果的前提下，滲透性好的含水層中，回灌井中所需的回灌水位較小；反之滲透性愈差，回灌井中所需的回灌水位就愈高。

5.2 回灌井布置

在基坑開挖過程中，采用封閉式止水帷幕，回灌井沿基坑外側(cè)四周進行布置，回灌井共布置39口，西側(cè)布設(shè)19口，井間距約15 m，東側(cè)布設(shè)20口，井間距約20 m，回灌井與圍護結(jié)構(gòu)間距不小于6 m。另外，布置觀測井10口，井徑110 mm，井深12 m?；毓嗑牟贾脩?yīng)以避開管線為原則。

5.3 回灌井結(jié)構(gòu)設(shè)計

（1）孔深：回灌井孔深進入卵石層，以23.0 m為宜。（2）濾管埋深：回灌井過濾器位于第⑧1層卵石層（此層滲透系數(shù)較大，為回灌的目的層），且過濾器底部標(biāo)高不高于⑧1層的層頂標(biāo)高。過濾器長度根據(jù)地層情況調(diào)整，過濾器長度為5～6 m。

5.4 回灌井運行

（1）施工：首先施工基坑西部回灌井，施工完成后觀測靜止水位，以及在坑內(nèi)降水井運行時它們的水位變化情況，視情況變化再決定其余回灌井的施工。（2）啟動：當(dāng)潛水水位日變量超過300 mm或累計變量超過500 mm時，即啟動回灌。（3）運行條件：如因該場區(qū)水位下降是咬合樁滲漏引起的，待堵漏完成后觀測一段時間，若水位恢復(fù)正常，即可停止回灌。（4）水源：回灌水源主要以基坑內(nèi)抽水井的地下水作為回灌水。（5）壓力：先期采用無壓力回灌，當(dāng)潛水水位無法滿足目標(biāo)要求時，或回灌量難以增加時可適當(dāng)加壓回灌，回灌壓力不能過大，過大后會影響回灌井周邊地層結(jié)構(gòu)，回灌壓力控制在0.1 MPa以內(nèi)。（5）監(jiān)控：回灌過程中對基坑內(nèi)觀測井和基坑外觀測井水位密切監(jiān)控，要求水位觀測每12 h一次。

回灌井實施回灌的同時，基坑內(nèi)抽水井正常繼續(xù)運行，為了節(jié)約地下水資源可以采用抽出來的地下水進行回灌，見圖12。

圖12 回灌運行系統(tǒng)

6 結(jié)語

城市軌道交通作為交通工程里面的重點項目，其中基坑項目的設(shè)計、施工要求嚴(yán)格，尤其是對泉城濟南，獨特的地質(zhì)條件，直接關(guān)系到濟南乃至整個山東經(jīng)濟建設(shè)的可持續(xù)發(fā)展。