富水砂卵層基坑封閉降水與回灌工程關(guān)鍵技術(shù)

胡冰冰，路林海，李 罡，王會(huì)剛，孫捷城

（濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250000）

1 研究背景

濟(jì)南素以泉水而聞名天下，濟(jì)南市民像愛(ài)護(hù)眼睛一樣保護(hù)著泉水。為滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展需要，地下空間開(kāi)發(fā)勢(shì)在必行。然而，地下空間開(kāi)發(fā)前需要充分考慮工程建設(shè)對(duì)泉城地下水的影響[1-5]。

濟(jì)南某深基坑工程位于泉城地下水保護(hù)區(qū)域，地下水資源豐富，含水層滲透性較好，滲透系數(shù)高達(dá)200 m/d。如何確保基坑降水施工安全，同時(shí)又避免對(duì)坑外地下水環(huán)境的干擾，是工程施工的難點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外專家大致從兩個(gè)方面研究上述問(wèn)題的解決方案：一方面，研究如何最大限度地阻隔基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，如濟(jì)南第二垃圾處理廠110 kV發(fā)電網(wǎng)工程[6]、東營(yíng)市東銀大廈工程[7]等均采用了封閉降水技術(shù)，較好控制了基坑降水問(wèn)題；另一方面，研究如何采取補(bǔ)償措施，彌補(bǔ)基坑降水對(duì)周邊地下水的干擾影響。早在上世紀(jì)80年代，Urban等[8]開(kāi)發(fā)出一套滲水陰溝、土工織物相結(jié)合的地下水回灌系統(tǒng)用于保護(hù)地下水，俞建霖等[9]對(duì)地下水回灌設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究。目前，基坑降水回灌技術(shù)仍存在抽灌分離、回灌效率低、運(yùn)維成本高等難題。

2 基坑工程概況

2.1 基坑概況

基坑工程位于濟(jì)南市槐蔭區(qū)劉長(zhǎng)山路路中，基坑總長(zhǎng)340.95 m；開(kāi)挖深度，標(biāo)準(zhǔn)段為17.4 m，端頭井為19.4 m；開(kāi)挖寬度，標(biāo)準(zhǔn)段為20.7 m，端頭井為25 m?；庸こ滩捎妹魍诜ㄊ┕?，圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用深29 m、直徑1 000 mm的套管咬合鉆孔灌注樁，并作為側(cè)向止水帷幕。基坑工程北部距山東省郵電學(xué)校教學(xué)樓約30 m，距濟(jì)南理工中等職業(yè)學(xué)校教學(xué)樓約26 m，南部毗鄰大片農(nóng)田，基坑平面位置如圖1所示。

圖1 基坑平面Figure 1 Pit engineering plan

2.2 地質(zhì)條件

據(jù)勘察報(bào)告，場(chǎng)地地面標(biāo)高約41 m，地質(zhì)剖面與基坑車(chē)站位置關(guān)系如圖2所示。自地面往下，地層巖性依次為雜填土層、黃土層(⑦)、粉質(zhì)黏土層(⑧)、砂卵石層(⑧1、⑩1)、粉質(zhì)黏土層()、砂卵石層(1)、粉質(zhì)黏土層()，各土層的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。場(chǎng)地范圍內(nèi)地下水主要分為3層：潛水層，水位標(biāo)高27.99～29.57 m，地層巖性主要為粉黏⑧層；第一承壓含水層，水位標(biāo)高27.85～28.76 m，地層巖性主要為卵石⑧1層、⑩1層；第二承壓含水層，水位標(biāo)高28.06～28.89 m，地層巖性主要為卵石1層。

圖2 地質(zhì)剖面Figure 2 Geological cross section

表1 各土層水文地質(zhì)參數(shù)Table 1 Stratum parameters

2.3 風(fēng)險(xiǎn)分析

基坑范圍內(nèi)存在多層厚度較大的砂卵石層，滲透系數(shù)大，富水性極強(qiáng)，卵石⑧1層與⑩1層連通厚度達(dá)12 m左右，卵石⑩1層下存在粉質(zhì)黏土層，但厚度變化較大，最小厚度只有0.5 m，因此卵石⑩1層與卵石1層存在極大的連通可能。

基坑降水任務(wù)主要是對(duì)基坑范圍內(nèi)第一承壓含水層進(jìn)行疏干，達(dá)到坑內(nèi)水位降至基底以下1 m的效果。在抽水試驗(yàn)時(shí)，第一承壓水完整井的單井涌水量為96～108 m3/h，涌水量較大，基坑內(nèi)降水難度較大，東端頭井為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)井，存在地下水突涌風(fēng)險(xiǎn)。此外，僅有側(cè)向止水帷幕作用，基坑降水易對(duì)山東省郵電學(xué)校、濟(jì)南理工中等職業(yè)學(xué)校等周邊建(構(gòu))筑物產(chǎn)生較大影響。

3 基坑封閉降水

本工程采取的基坑封閉降水技術(shù)主要如下：一是基坑底部采用弱隔水層加固技術(shù)，針對(duì)粉質(zhì)黏土層厚度變化不均勻、存在地下水突涌風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，對(duì)該層土進(jìn)行注漿加固，增強(qiáng)隔水效果；二是在基坑端頭井采取加固及減壓降水技術(shù)，對(duì)盾構(gòu)隧道一定范圍的土體進(jìn)行加固處理，并設(shè)置輔助降水井，必要時(shí)減壓降水。

3.1 基坑底部弱隔水層加固關(guān)鍵技術(shù)

3.1.1 理論分析

本基坑安全等級(jí)為一級(jí)，根據(jù)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)范》取安全系數(shù)為1.6；為防止第二承壓水水頭壓力破壞粉黏土層土體，該層土最小厚度應(yīng)為M=(124×1.6)/94≈2 m。因此，當(dāng)粉黏土層小于2 m時(shí)，采取注漿加固措施，確保該層土厚度大于2 m。

3.1.2 方案優(yōu)化

根據(jù)上述理論分析結(jié)果，采用基于有限差分原理的數(shù)值模擬工具M(jìn)ODFLOW，預(yù)測(cè)基底弱隔水粉黏土層加固實(shí)施效果，并進(jìn)一步優(yōu)化加固方案。

分別針對(duì)如表2所示的3種工況進(jìn)行計(jì)算模擬，結(jié)果如圖3～5所示。由圖3可見(jiàn)，未加固工況下，僅左側(cè)約1/3基坑長(zhǎng)度水位埋深在19 m以下，基坑降水后效果較差；由圖4可見(jiàn)，加固120 m工況下，除中間約1/3基坑長(zhǎng)度外，坑內(nèi)其他區(qū)域水位埋深均在19 m以下，因此加固120 m時(shí)，需對(duì)基坑中間風(fēng)險(xiǎn)較大的區(qū)域采取局部加深加固等措施；由圖5可見(jiàn)，加固200 m工況下，基坑內(nèi)水位埋深均在19 m以下，基坑開(kāi)挖施工安全性最高。根據(jù)以上的計(jì)算分析結(jié)果，確定基底弱隔水粉黏土層加固范圍為200 m。

表2 模擬工況Table 2 Subsoil reinforcement plan

圖3 未加固工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 3 Head contour of confined aquifer without reinforcement

圖4 加固120 m工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 4 Head contour of confined aquifer with 120-m consolidation

圖5 加固200 m工況下第一承壓含水層的水位分布Figure 5 Head contour of confined aquifer with 200-m consolidation

3.1.3 質(zhì)量控制

考慮到袖閥管注漿法能夠以較大的壓力，將漿液通過(guò)注漿芯管有效地注入巖土層中，所以選取該工法進(jìn)行加固。為保障袖閥管注漿在富水砂卵層的施工質(zhì)量，應(yīng)對(duì)以下幾方面重點(diǎn)控制。

1) 鉆孔及注漿順序優(yōu)化。鉆孔時(shí)，先鉆周邊孔，再由外向內(nèi)逐步鉆孔。注漿時(shí)，應(yīng)由外向內(nèi)進(jìn)行，先對(duì)加固范圍線上的鉆孔進(jìn)行注漿，阻斷漿液漏失通道后，再逐步加密注漿孔，將區(qū)域中部的注漿壓密，每排注漿孔按照隔一跳一的施工順序注漿。當(dāng)?shù)叵滤魉佥^大時(shí)，應(yīng)從水頭高的一端開(kāi)始注漿。

2) 套殼料管控要點(diǎn)。套殼料一般由黏土和水泥配制而成，配比范圍為水泥∶黏土∶水=1∶1.5∶1.88，漿液比重約為1.5，漏斗黏度24～26 s，注漿用水pH值不得小于 4。套殼料凝固時(shí)間和強(qiáng)度增長(zhǎng)速率控制在2～5 d內(nèi)可灌漿。

3) 止?jié){工藝管控要點(diǎn)。灌漿前要嚴(yán)格把控止?jié){工藝質(zhì)量，待孔口段止?jié){料凝固后才能灌漿。止?jié){工藝施工時(shí)，在孔口上部2 m孔段壓入止?jié){固管料，止?jié){固管料采用速凝水泥漿，水∶水泥=1∶1.5，可采用水玻璃或氯化鈣作為速凝劑，止?jié){料的待凝時(shí)間控制在2～5 d以內(nèi)。

4) 注漿質(zhì)量管控要點(diǎn)。嚴(yán)把漿液配制質(zhì)量，水灰比一般為1∶1；水泥漿與水玻璃漿液體積比為1∶1；漿液配制時(shí)水溫不得超過(guò)30～35℃，并且在注漿液體靜止?fàn)顟B(tài)下，漿液不得暴露于陽(yáng)光下。精細(xì)調(diào)控袖閥管注漿壓力，開(kāi)環(huán)壓力控制在0.35 MPa，且注漿壓力自下而上可適當(dāng)調(diào)大，控制在2.0～3.0 MPa。

3.2 端頭井加固及減壓降水關(guān)鍵技術(shù)

為防止盾構(gòu)井始發(fā)時(shí)出現(xiàn)地層坍塌或突涌漏水，采取始發(fā)處盾構(gòu)隧道周?chē)馏w加固，并設(shè)置封閉止水帷幕，布設(shè)輔助降水井，必要時(shí)進(jìn)行含水層降水減壓。

3.2.1 注漿加固及封閉止水帷幕方案

如圖6所示，在盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)周?chē)? m范圍內(nèi)，用高壓旋噴樁進(jìn)行注漿加固，形成復(fù)合土體。高壓旋噴樁采用雙重管施工工藝，布置為φ800@600，高壓旋噴樁加固體長(zhǎng)度9 m。

封閉止水帷幕采取素混凝土咬合灌注樁圍堵與高壓旋噴樁補(bǔ)強(qiáng)相結(jié)合的方案。素混凝土咬合灌注樁直徑800 mm，間距600 mm，樁底位于隧道結(jié)構(gòu)以下6 m，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C20。

3.2.2 輔助降水井布置

輔助降水井共設(shè)置5口，平面位置布置如圖6所示。在隧道兩側(cè)加固體以外，分別布置2口輔助降水井，兩降水井的井心間距約7 m；在隧道之間加固體以外的中間位置，布置1口輔助降水井，井邊緣緊鄰基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，井中心距離兩側(cè)加固體邊約3 m。

圖6 端頭井加固及輔助降水井布置Figure 6 Reinforcement and dewatering well plan

3.2.3 施工質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)把控

在止水帷幕施工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)控制素混凝土咬合灌注樁垂直度，保證相鄰樁間的有效咬合；同時(shí)，在素混凝土咬合樁與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)搭接處，可采用高壓旋噴樁補(bǔ)強(qiáng)，在一般平行圍護(hù)結(jié)構(gòu)方向設(shè)置兩根同咬合樁樁長(zhǎng)一致的旋噴樁，兩根旋噴樁間咬合 200 mm，并且旋噴樁同基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)咬合 200 mm，以控制封閉效果。在輔助降水井施工時(shí)，注意對(duì)既有圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)，一般選用管井降水井，并且宜選用反循環(huán)成孔，可適當(dāng)增大泥漿黏度，以提高成井質(zhì)量及降水井疏水能力。

4 基坑回灌工程

基坑工程地處濟(jì)西水源地，是濟(jì)南市泉脈的重要補(bǔ)源。為實(shí)現(xiàn)軌道交通建設(shè)與泉水噴涌和諧共生，保護(hù)泉城地下水，同時(shí)減少越流效益下基坑降水對(duì)周?chē)h(huán)境的影響[10]，本工程采取基坑回灌技術(shù)。

4.1 基坑回灌系統(tǒng)工藝原理

針對(duì)傳統(tǒng)回灌技術(shù)存在的抽灌分離、回灌效率低、運(yùn)維成本高等缺點(diǎn)，研發(fā)了基坑降水回灌一體化系統(tǒng)及配套裝備，其系統(tǒng)工藝原理如圖7所示。該系統(tǒng)主要由集水系統(tǒng)、過(guò)濾系統(tǒng)、智控系統(tǒng)、加壓裝置、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)5個(gè)子系統(tǒng)組成。將降水井和回灌井連接，實(shí)現(xiàn)了抽灌的一體化控制，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施情況如圖8、9所示。

圖7 基坑回灌系統(tǒng)工藝原理Figure 7 Schematic of foundation pit reinjection system

圖8 回灌井布置Figure 8 Recharging well plan

4.2 回灌水水質(zhì)處理關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)基坑回灌工程的回灌水特點(diǎn)，一般水質(zhì)處理分為物理處理和化學(xué)處理兩種方式。物理處理，主要設(shè)置三級(jí)沉淀池，并結(jié)合粗、細(xì)濾網(wǎng)進(jìn)行過(guò)濾，實(shí)現(xiàn)對(duì)白色垃圾、腐葉、砂石顆粒、泥土等大顆粒雜質(zhì)的截留；化學(xué)處理，主要通過(guò)設(shè)置添加化學(xué)成分的過(guò)濾層(見(jiàn)圖10)，依次截留回灌水中的顆粒懸浮物、膠體、鐵銹、硅、錳、鋁等雜質(zhì)。

圖9 回灌系統(tǒng)設(shè)備布置Figure 9 Major components of reinjection system

圖10 水質(zhì)凈化過(guò)濾原理Figure 10 Schematic of water purification and filtration

4.3 水位聯(lián)動(dòng)回灌關(guān)鍵技術(shù)

為更精確地控制回灌井的回灌量，實(shí)現(xiàn)對(duì)周?chē)h(huán)境的“無(wú)干擾式”回灌，減少回灌量過(guò)大而導(dǎo)致的地表隆起，防止因回灌量不足而導(dǎo)致的差異沉降。在觀測(cè)井設(shè)置水位自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)(見(jiàn)圖11)，根據(jù)基坑周?chē)挠^測(cè)井水位變化趨勢(shì)，動(dòng)態(tài)調(diào)整回灌井的回灌量，實(shí)現(xiàn)單個(gè)回灌井的精細(xì)化、智能化控制。

圖11 水位自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Figure 11 Automatic water level monitoring system

4.4 自動(dòng)加壓回灌關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)需要加壓回灌時(shí)，通過(guò)變頻式恒壓泵、壓力傳感器，建立恒壓自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)指定壓力下回灌的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加壓回灌。自動(dòng)加壓系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 自動(dòng)加壓回灌系統(tǒng)Figure 12 Automatic pressurized reinjection system

4.5 回灌井施工關(guān)鍵技術(shù)

回灌井的成井質(zhì)量直接影響回灌系統(tǒng)的回灌能力。為實(shí)現(xiàn)良好的回灌效果，首先應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件，優(yōu)化回灌井結(jié)構(gòu)，設(shè)置合理的過(guò)濾器長(zhǎng)度、直徑及材質(zhì)等[11]，然后嚴(yán)格控制填料級(jí)配，精細(xì)化止水段施工，確保止水抗壓效果。過(guò)濾器一般選用橋式濾水管或雙層纏絲過(guò)濾器(見(jiàn)圖13)；過(guò)濾器上部止水段回填時(shí)，宜選用優(yōu)質(zhì)黏土球封堵，厚度一般約5 m；黏土球上部至地面部分一般采用袖閥管注漿并回填，控制袖閥管注漿壓力不超0.2 MPa。

圖13 雙層纏絲過(guò)濾器Figure 13 Double-wound filter

5 應(yīng)用效果分析

由基坑開(kāi)挖期間地面沉降變化情況(見(jiàn)圖14)可以看出，地表沉降累計(jì)變化最大值為-11.11 mm，遠(yuǎn)小于控制值(-26 mm)，周?chē)乇頍o(wú)隆起、塌陷等現(xiàn)象，表明本項(xiàng)目選用的基坑封閉降水與回灌工程關(guān)鍵技術(shù)能較好地滿足富水砂卵石地層基坑工程建設(shè)的需求。

圖14 基坑開(kāi)挖期間地面沉降Figure 14 Land subsidence during excavation of foundation pit

6 結(jié)語(yǔ)

依托濟(jì)南地區(qū)富水砂卵石層基坑降水與回灌工程實(shí)例，介紹了基坑封閉降水與回灌施工關(guān)鍵技術(shù)。

1) 基底弱隔水層對(duì)基坑開(kāi)挖存在較大風(fēng)險(xiǎn)，采取袖閥管注漿進(jìn)行加固，其中200 m的加固方案更為合理。

2) 在基坑端頭井位置，采取了盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)周圈3 m范圍的土體加固，并設(shè)置封閉止水帷幕進(jìn)行輔助降水，能夠有效防止地層坍塌或突涌漏水。

3) 研創(chuàng)了基坑降水回灌一體化系統(tǒng)及配套裝備，解決了傳統(tǒng)回灌技術(shù)存在的抽灌分離、回灌效率低、運(yùn)維成本高等問(wèn)題。

4) 提出了基坑回灌關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)，有效的回灌水質(zhì)處理系統(tǒng)、水位聯(lián)動(dòng)回灌、自動(dòng)加壓回灌，對(duì)實(shí)現(xiàn)基坑回灌工程綠色化、信息化、智能化有極大推動(dòng)作用。