胡冰冰，路林海，李 罡，王會剛，孫捷城

（濟南軌道交通集團有限公司，濟南 250000）

1 研究背景

濟南素以泉水而聞名天下，濟南市民像愛護眼睛一樣保護著泉水。為滿足經(jīng)濟發(fā)展需要，地下空間開發(fā)勢在必行。然而，地下空間開發(fā)前需要充分考慮工程建設對泉城地下水的影響[1-5]。

濟南某深基坑工程位于泉城地下水保護區(qū)域，地下水資源豐富，含水層滲透性較好，滲透系數(shù)高達200 m/d。如何確保基坑降水施工安全，同時又避免對坑外地下水環(huán)境的干擾，是工程施工的難點。國內(nèi)外專家大致從兩個方面研究上述問題的解決方案：一方面，研究如何最大限度地阻隔基坑內(nèi)外水力聯(lián)系，如濟南第二垃圾處理廠110 kV發(fā)電網(wǎng)工程[6]、東營市東銀大廈工程[7]等均采用了封閉降水技術(shù)，較好控制了基坑降水問題；另一方面，研究如何采取補償措施，彌補基坑降水對周邊地下水的干擾影響。早在上世紀80年代，Urban等[8]開發(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)用于保護地下水，俞建霖等[9]對地下水回灌設計方法進行了研究。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

基坑工程位于濟南市槐蔭區(qū)劉長山路路中，基坑總長340.95 m；開挖深度，標準段為17.4 m，端頭井為19.4 m；開挖寬度，標準段為20.7 m，端頭井為25 m?；庸こ滩捎妹魍诜ㄊ┕ぃ瑖o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?；庸こ瘫辈烤嗌綎|省郵電學校教學樓約30 m，距濟南理工中等職業(yè)學校教學樓約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)勘察報告，場地地面標高約41 m，地質(zhì)剖面與基坑車站位置關(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()，各土層的物理力學參數(shù)如表1所示。場地范圍內(nèi)地下水主要分為3層：潛水層，水位標高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 風險分析

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，卵石⑧1層與⑩1層連通厚度達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。

基坑降水任務主要是對基坑范圍內(nèi)第一承壓含水層進行疏干，達到坑內(nèi)水位降至基底以下1 m的效果。在抽水試驗時，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)機始發(fā)井，存在地下水突涌風險。此外，僅有側(cè)向止水帷幕作用，基坑降水易對山東省郵電學校、濟南理工中等職業(yè)學校等周邊建(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)，針對粉質(zhì)黏土層厚度變化不均勻、存在地下水突涌風險的特點，對該層土進行注漿加固，增強隔水效果；二是在基坑端頭井采取加固及減壓降水技術(shù)，對盾構(gòu)隧道一定范圍的土體進行加固處理，并設置輔助降水井，必要時減壓降水。

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

本基坑安全等級為一級，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，該層土最小厚度應為M=(124×1.6)/94≈2 m。因此，當粉黏土層小于2 m時，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MODFLOW，預測基底弱隔水粉黏土層加固實施效果，并進一步優(yōu)化加固方案。

分別針對如表2所示的3種工況進行計算模擬，結(jié)果如圖3～5所示。由圖3可見，未加固工況下，僅左側(cè)約1/3基坑長度水位埋深在19 m以下，基坑降水后效果較差；由圖4可見，加固120 m工況下，除中間約1/3基坑長度外，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，需對基坑中間風險較大的區(qū)域采取局部加深加固等措施；由圖5可見，加固200 m工況下，基坑內(nèi)水位埋深均在19 m以下，基坑開挖施工安全性最高。根據(jù)以上的計算分析結(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，將漿液通過注漿芯管有效地注入巖土層中，所以選取該工法進行加固。為保障袖閥管注漿在富水砂卵層的施工質(zhì)量，應對以下幾方面重點控制。

1) 鉆孔及注漿順序優(yōu)化。鉆孔時，先鉆周邊孔，再由外向內(nèi)逐步鉆孔。注漿時，應由外向內(nèi)進行，先對加固范圍線上的鉆孔進行注漿，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?shù)叵滤魉佥^大時，應從水頭高的一端開始注漿。

2) 套殼料管控要點。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。套殼料凝固時間和強度增長速率控制在2～5 d內(nèi)可灌漿。

3) 止?jié){工藝管控要點。灌漿前要嚴格把控止?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，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){料的待凝時間控制在2～5 d以內(nèi)。

4) 注漿質(zhì)量管控要點。嚴把漿液配制質(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；漿液配制時水溫不得超過30～35℃，并且在注漿液體靜止狀態(tài)下，漿液不得暴露于陽光下。精細調(diào)控袖閥管注漿壓力，開環(huán)壓力控制在0.35 MPa，且注漿壓力自下而上可適當調(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)時出現(xiàn)地層坍塌或突涌漏水，采取始發(fā)處盾構(gòu)隧道周圍土體加固，并設置封閉止水帷幕，布設輔助降水井，必要時進行含水層降水減壓。

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)周圍3 m范圍內(nèi)，用高壓旋噴樁進行注漿加固，形成復合土體。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強相結(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，混凝土設計強度等級為C20。

3.2.2 輔助降水井布置

輔助降水井共設置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)量風險點把控

在止水帷幕施工時，應重點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，在素混凝土咬合樁與基坑圍護結(jié)構(gòu)搭接處，可采用高壓旋噴樁補強，在一般平行圍護結(jié)構(gòu)方向設置兩根同咬合樁樁長一致的旋噴樁，兩根旋噴樁間咬合 200 mm，并且旋噴樁同基坑圍護結(jié)構(gòu)咬合 200 mm，以控制封閉效果。在輔助降水井施工時，注意對既有圍護結(jié)構(gòu)的保護，一般選用管井降水井，并且宜選用反循環(huán)成孔，可適當增大泥漿黏度，以提高成井質(zhì)量及降水井疏水能力。

4 基坑回灌工程

基坑工程地處濟西水源地，是濟南市泉脈的重要補源。為實現(xiàn)軌道交通建設與泉水噴涌和諧共生，保護泉城地下水，同時減少越流效益下基坑降水對周圍環(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

針對傳統(tǒng)回灌技術(shù)存在的抽灌分離、回灌效率低、運維成本高等缺點，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)、過濾系統(tǒng)、智控系統(tǒng)、加壓裝置、監(jiān)測系統(tǒng)5個子系統(tǒng)組成。將降水井和回灌井連接，實現(xiàn)了抽灌的一體化控制，現(xiàn)場實施情況如圖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，一般水質(zhì)處理分為物理處理和化學處理兩種方式。物理處理，主要設置三級沉淀池，并結(jié)合粗、細濾網(wǎng)進行過濾，實現(xiàn)對白色垃圾、腐葉、砂石顆粒、泥土等大顆粒雜質(zhì)的截留；化學處理，主要通過設置添加化學成分的過濾層(見圖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)設備布置Figure 9 Major components of reinjection system

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

4.3 水位聯(lián)動回灌關(guān)鍵技術(shù)

為更精確地控制回灌井的回灌量，實現(xiàn)對周圍環(huán)境的“無干擾式”回灌，減少回灌量過大而導致的地表隆起，防止因回灌量不足而導致的差異沉降。在觀測井設置水位自動觀測系統(tǒng)(見圖11)，根據(jù)基坑周圍的觀測井水位變化趨勢，動態(tài)調(diào)整回灌井的回灌量，實現(xiàn)單個回灌井的精細化、智能化控制。

圖11 水位自動監(jiān)測系統(tǒng)Figure 11 Automatic water level monitoring system

4.4 自動加壓回灌關(guān)鍵技術(shù)

當需要加壓回灌時，通過變頻式恒壓泵、壓力傳感器，建立恒壓自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)指定壓力下回灌的自動控制，實現(xiàn)自動化加壓回灌。自動加壓系統(tǒng)如圖12所示。

圖12 自動加壓回灌系統(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。為實現(xiàn)良好的回灌效果，首先應根據(jù)地質(zhì)條件，優(yōu)化回灌井結(jié)構(gòu)，設置合理的過濾器長度、直徑及材質(zhì)等[11]，然后嚴格控制填料級配，精細化止水段施工，確保止水抗壓效果。過濾器一般選用橋式濾水管或雙層纏絲過濾器(見圖13)；過濾器上部止水段回填時，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 雙層纏絲過濾器Figure 13 Double-wound filter

5 應用效果分析

由基坑開挖期間地面沉降變化情況(見圖14)可以看出，地表沉降累計變化最大值為-11.11 mm，遠小于控制值(-26 mm)，周圍地表無隆起、塌陷等現(xiàn)象，表明本項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的需求。

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

6 結(jié)語

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

1) 基底弱隔水層對基坑開挖存在較大風險，采取袖閥管注漿進行加固，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，并設置封閉止水帷幕進行輔助降水，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、運維成本高等問題。

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