阮艷妹，徐文田，李牧羽

(廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東 廣州 510010)

在城市繁華地區(qū)開(kāi)展基坑工程時(shí)往往會(huì)遇到作業(yè)條件受限、周邊建筑物密集等問(wèn)題，基坑降水回灌技術(shù)的應(yīng)用為其安全施工帶來(lái)了極大的便利，而基坑降水會(huì)在基坑附近形成降水漏斗，改變土體孔隙水壓力及土體結(jié)構(gòu)，引起基坑周邊土體的不均勻沉降，對(duì)鄰近建筑物的安全帶來(lái)極大威脅.因此，針對(duì)基坑開(kāi)挖降水回灌過(guò)程中的土體水力聯(lián)系、地下水位變化、土體沉降與隆起等問(wèn)題開(kāi)展研究具有重要意義.

對(duì)于基坑開(kāi)挖降水回灌問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究[1-6].鄭剛等[7]依托天津某基坑工程進(jìn)行降水回灌試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)在粉土和粉砂中采用回灌措施效果顯著.劉祥勇等[8]在南通富水砂性地層開(kāi)展了一系列單井和群井抽灌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)表明回灌過(guò)程中地層沉降呈現(xiàn)一定的“塑性”特性，在敏感建筑物區(qū)應(yīng)盡量做到抽灌一體化來(lái)減小附加變形.金小榮等[9]利用有限元軟件對(duì)基坑降水工程進(jìn)行數(shù)值模擬，探索基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中各參數(shù)的敏感性和土體沉降規(guī)律.李罡[10]針對(duì)濟(jì)南軌道交通基坑工程，從回灌技術(shù)的實(shí)施要點(diǎn)、施工難題及處置措施角度闡述了新型降水回灌裝置在實(shí)際工程中的應(yīng)用.瞿成松等[11]依托上海盛大國(guó)際金融中心基坑工程，針對(duì)基坑交接處三條地鐵線路運(yùn)營(yíng)對(duì)周邊環(huán)境的較高要求，利用數(shù)值模擬方法分析降水回灌技術(shù)控制降水的影響效果，并將其成功應(yīng)用于實(shí)際工程中.

以上研究多是針對(duì)軟土、黏土、砂性土等地層，而對(duì)于深厚富水復(fù)合地層中基坑降水的相關(guān)研究較少.本文針對(duì)沿海深厚富水復(fù)雜地層開(kāi)展了基坑開(kāi)挖降水回灌試驗(yàn)，分析先抽后灌、先灌后抽及同抽同灌等不同技術(shù)措施下的地下水位、地表沉降和鄰近建筑物沉降的變化規(guī)律，基于試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合沿海地區(qū)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范與技術(shù)規(guī)程，驗(yàn)證基坑降水回灌技術(shù)在沿海復(fù)雜地層中的適用性及合理性，研究成果可為類似工程的降水設(shè)計(jì)與環(huán)境控制提供數(shù)據(jù)支持.

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)概況

廣州市某軌道交通車站位于107國(guó)道(廣深公路)下，車站為地下兩層島式站臺(tái)車站，車站含折返線總長(zhǎng)653.6 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬19.7 m，有效站臺(tái)寬11.0 m.明挖基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm厚地下連續(xù)墻及豎向3道內(nèi)支撐，基坑深度約16.0～18.6 m.地連墻底伸入中、微風(fēng)化地層.車站采用明挖法，局部蓋挖法施工.

考慮基坑周圍交通疏解、管線改遷及施工進(jìn)度影響，在基坑中部增設(shè)2道分隔墻，將基坑劃分為A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)三個(gè)工區(qū)，即在每個(gè)工區(qū)內(nèi)獨(dú)立降水，以便進(jìn)行中部基坑的土方開(kāi)挖及主體結(jié)構(gòu)等施工，本次試驗(yàn)車站基坑平面圖及典型地質(zhì)剖面圖如圖1所示.

圖1 基坑平面圖及典型地質(zhì)剖面圖

1.2 水文地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地貌上主要屬于剝蝕殘丘地貌.揭露第四系地層為人工填土層，海陸交互相沉積層及殘積層，基巖為震旦系混合花崗巖，本次試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)土層分布及物理力學(xué)參數(shù)如表1所示.沿線地下水穩(wěn)定水位埋深1.20～12.60 m，標(biāo)高5.44～15.17 m.地下水位的變化受地形地貌和地下水補(bǔ)給來(lái)源等因素控制.

表1 土層分布及物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)地下水主要有松散巖類孔隙水和基巖裂隙水兩種基本類型.松散巖類孔隙水主要賦存于海陸交互相砂層<1>、<2-3>中.砂層被淤泥、淤泥質(zhì)土及粉質(zhì)黏土層覆蓋，地下水具微承壓性.塊狀基巖裂隙水主要含水層為基巖層的強(qiáng)風(fēng)化帶和中風(fēng)化帶中，巖性主要有混合花崗巖、花崗巖等.

1.3 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本文通過(guò)基坑降水回灌過(guò)程中抽水量、回灌量、水位變化、回灌開(kāi)啟時(shí)間等參數(shù)的分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得到的地面沉降、深層土體沉降結(jié)果，為類似基坑降水回灌工程提供理論指導(dǎo)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的目的為：(1)分析基坑降水回灌試驗(yàn)過(guò)程中抽水量、回灌量、地下水位間的變化規(guī)律，明確回灌措施對(duì)地下水位的控制效果；(2)根據(jù)地下水位、地表沉降、建筑物沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制基坑降水回灌過(guò)程中地表土體沉降及建筑物沉降時(shí)程曲線，揭示基坑降水回灌引起的地表和鄰近建筑物沉降規(guī)律；(3)對(duì)比先抽后灌、同灌同抽、先灌后抽三種方案下地下水位、地表沉降、深層土體沉降等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析回灌開(kāi)啟時(shí)間對(duì)地層沉降的影響，為實(shí)際工程應(yīng)用提供理論依據(jù).

2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

2.1 回灌井設(shè)置

對(duì)基坑內(nèi)實(shí)施降水試驗(yàn)會(huì)引起基坑外地層水位顯著下降，因此需采用回灌對(duì)基坑周圍水層進(jìn)行補(bǔ)償.根據(jù)回灌井作用原理可知，回灌井的鉆孔深度需進(jìn)入滲透性較好的土層，全風(fēng)化混合花崗巖<6Z>具有很好的滲透性，結(jié)合基坑回灌成本擬定現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的回灌深度為到達(dá)全風(fēng)化混合花崗巖<6Z>.本試驗(yàn)擬設(shè)48個(gè)降水井、46個(gè)回灌井，降水井沿基坑內(nèi)部?jī)蓚?cè)均勻布置，編號(hào)為J01～J48；回灌井沿基坑兩側(cè)建筑物相對(duì)密集區(qū)域布置，水平間距20 m，距基坑邊1.5 m布設(shè)，編號(hào)分別為N01～N22、S01～S24.基坑中部加入兩道分隔墻后劃分為三個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其中A區(qū)布設(shè)12個(gè)回灌井，B區(qū)布設(shè)22個(gè)回灌井，C區(qū)布設(shè)12個(gè)回灌井.回灌井設(shè)計(jì)鉆孔孔徑350 mm，主管孔徑200 mm，副管孔徑50 mm，頂部4 m采用砂漿孔，回灌壓力0.2 MPa.現(xiàn)場(chǎng)回灌量控制系統(tǒng)如圖2所示，基坑內(nèi)降水井及回灌井平面布置圖如圖3(a)所示.

圖2 施工現(xiàn)場(chǎng)回灌量控制系統(tǒng)示意圖

圖3 基坑井點(diǎn)及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖

2.2 工況設(shè)置

為了對(duì)地鐵車站基坑內(nèi)外、各土層間的水力聯(lián)系以及回灌開(kāi)啟時(shí)間對(duì)基坑周邊土層沉降的影響進(jìn)行研究，本次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共設(shè)置3組試驗(yàn)，分別為先抽后灌、同灌同抽、先灌后抽，具體的試驗(yàn)工況如表2所示.

表2 降水回灌試驗(yàn)工況設(shè)置表

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

基坑降水回灌過(guò)程中地下水位變化情況至關(guān)重要，因此本次試驗(yàn)共布設(shè)24個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)編號(hào)為H01～H24，基坑各工區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖如圖3所示.為了掌握基坑降水回灌過(guò)程中基坑周圍環(huán)境的位移、變形規(guī)律，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)條件在基坑周圍共布置26個(gè)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)編號(hào)為A01～A26，每間隔30 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，基坑各工區(qū)地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意圖如圖3(b)所示.

城市繁華地區(qū)基坑工程周邊往往存在大量建筑物，考慮到基坑降水可能引起的土體擾動(dòng)問(wèn)題，需對(duì)基坑周邊建筑物的沉降變形情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便充分掌握基坑降水回灌施工過(guò)程中建筑物地基變形特性.本次試驗(yàn)選取周邊31個(gè)敏感建筑物，在其四個(gè)角離地面150 mm處分別布置沉降、傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn).

3 降水回灌試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 地下水位影響分析

基坑中部試驗(yàn)區(qū)采用先抽水后回灌的方式，選取基坑周圍4個(gè)典型測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制地下水位變化時(shí)程曲線如圖4所示.

圖4 地下水位變化時(shí)程曲線

由圖4可以看出，基坑降水試驗(yàn)開(kāi)始后，由于地層應(yīng)力釋放及地下水滲流，導(dǎo)致基坑周邊地下水位開(kāi)始逐漸下降，水位下降值超過(guò)1.5 m，地下水位迅速下降可能引起地表沉降加劇，對(duì)周邊構(gòu)筑物的安全產(chǎn)生影響，故深厚富水地層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜進(jìn)入穩(wěn)定不透水層或巖層；回灌系統(tǒng)開(kāi)啟后，地下水得到補(bǔ)充而逐漸回升，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后恢復(fù)到了原始地下水位；繼續(xù)進(jìn)行降水回灌試驗(yàn)，地下水位出現(xiàn)不同程度的抬升，但抬升幅度不超過(guò)1.0 m；當(dāng)回灌量與抽水量逼近平衡時(shí)，基坑周邊地下水位趨于穩(wěn)定狀態(tài)，基坑內(nèi)部降水施工對(duì)基坑周邊建筑物的影響也相對(duì)較小.

通過(guò)地下水位變化時(shí)程曲線可知，采取基坑降水及回灌技術(shù)以后，基坑降水引起的地下水位累計(jì)沉降的平均值為1.6 m，接近并小于一級(jí)基坑水位累計(jì)沉降預(yù)警值2.0 m，說(shuō)明了基坑降水回灌技術(shù)在廣州地區(qū)的適用性及合理性.

3.2 地表沉降影響分析

基坑降水回灌引起基坑內(nèi)外地下水位的變化，進(jìn)而對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)，為了分析基坑降水回灌過(guò)程中地表土體沉降規(guī)律，選取基坑中部試驗(yàn)區(qū)6個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制地表累積沉降變化時(shí)程曲線如圖5所示.

圖5 地表累積沉降變化時(shí)程曲線

由圖5可以看出，基坑降水回灌試驗(yàn)過(guò)程中，地表沉降變化時(shí)程曲線出現(xiàn)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，最大累積沉降值為-21.60 mm；在回灌系統(tǒng)開(kāi)啟后，地表沉降值僅有小幅度的抬升，整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程地表沉降出現(xiàn)較大的塑性變形量；當(dāng)回灌量與抽水量相對(duì)穩(wěn)定后，地表沉降呈現(xiàn)穩(wěn)步下降趨勢(shì).

3.3 周邊建筑物沉降影響分析

為了分析基坑降水回灌對(duì)周邊建筑物沉降的影響程度，在基坑周邊建筑物角部布置沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，選取基坑B區(qū)南側(cè)兩個(gè)典型建筑物上的6個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)為研究對(duì)象，繪制建筑累積沉降及建筑沉降速率變化時(shí)程曲線如圖6所示.

圖6 建筑累積沉降及建筑沉降速率變化時(shí)程曲線

由圖6可知，基坑開(kāi)挖初期周邊建筑物受到擾動(dòng)，基坑周邊建筑物出現(xiàn)小幅沉降，但沉降的速率較為平穩(wěn)；當(dāng)基坑內(nèi)抽水系統(tǒng)開(kāi)啟后，基坑周邊建筑物發(fā)生大幅度沉降，沉降速率達(dá)到-0.91 mm.d-1，較大的沉降量對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)安全十分不利.當(dāng)基坑外回灌系統(tǒng)開(kāi)啟后，地下水位逐漸上升，基坑周邊建筑物的沉降速率逐漸下降到-0.40 mm.d-1，基坑底部封底后，沉降速率逐漸穩(wěn)定在-0.20 mm.d-1，但前期降水階段產(chǎn)生的沉降并不能恢復(fù).

綜上所述，基坑降水開(kāi)挖過(guò)程中，運(yùn)用回灌系統(tǒng)對(duì)周邊地下水進(jìn)行補(bǔ)充，可以有效減緩周邊建筑物的沉降速率，同時(shí)對(duì)敏感建筑物周邊的基坑工程應(yīng)謹(jǐn)慎選擇降水措施.

4 回灌開(kāi)啟時(shí)間對(duì)周圍環(huán)境的影響

通過(guò)基坑中部工區(qū)的降水回灌試驗(yàn)可知，對(duì)于降水引起的土體沉降，回灌并不能將已經(jīng)發(fā)生的塑性沉降恢復(fù)，僅能減慢基坑降水過(guò)程中土體沉降速率.因此，本次試驗(yàn)設(shè)置了先抽后灌、同抽同灌、先灌后抽等三種工況，進(jìn)一步分析回灌系統(tǒng)開(kāi)啟時(shí)間對(duì)地下水位及地表沉降的影響規(guī)律，為類似工程施工中優(yōu)化基坑降水施工策略提供理論支撐.

4.1 回灌時(shí)間對(duì)地下水位影響分析

為了揭示回灌開(kāi)啟時(shí)間對(duì)地下水位的影響規(guī)律，分別選取基坑A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的三個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制不同回灌時(shí)間下地下水位變化時(shí)程曲線如圖7所示.

圖7 不同回灌時(shí)間下地下水位變化時(shí)程曲線

根據(jù)圖7可知，采用先抽后灌方案時(shí)基坑周邊地下水位發(fā)生顯著下降，而后逐漸回升，直至穩(wěn)定在原始地下水位附近；采用先灌后抽方案時(shí)基坑周邊地下水位發(fā)生顯著抬升，而后逐漸回落，直至穩(wěn)定在原始地下水位附近.因此不同回灌開(kāi)啟時(shí)間下僅在有限時(shí)間內(nèi)對(duì)地下水位有所影響，降水回灌系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，地下水位受回灌開(kāi)啟時(shí)間的影響較小.

4.2 回灌時(shí)間對(duì)地表沉降影響分析

選取基坑A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)的三個(gè)典型監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制地表累積沉降變化時(shí)程曲線如圖8所示.采用先抽后灌方案時(shí)，基坑周圍地表發(fā)生顯著下降，回灌開(kāi)啟后地表沉降發(fā)生小幅度抬升，但無(wú)法對(duì)已經(jīng)造成的塑性沉降產(chǎn)生影響；采用先灌后抽方案時(shí)，基坑周邊地表發(fā)生明顯隆起，隨著抽水系統(tǒng)開(kāi)啟地表隆起量逐漸下降；對(duì)比基坑降水回灌穩(wěn)定后的地表沉降值可知，地表沉降量與回灌開(kāi)啟時(shí)間關(guān)系密切，同抽同灌條件下的地表沉降值最小.

圖8 不同回灌時(shí)間下地表累積沉降變化時(shí)程曲線

5 結(jié)論

針對(duì)沿海深厚富水復(fù)雜地層開(kāi)展了基坑降水回灌試驗(yàn)，分析了基坑降水回灌過(guò)程中地下水位、地表沉降和鄰近建筑物沉降等基本規(guī)律，從而證明基坑降水回灌技術(shù)在廣州地區(qū)的適用性及合理性，主要得到以下結(jié)論：

(1)深厚富水復(fù)雜地層開(kāi)挖降水會(huì)引起地層應(yīng)力釋放及地下水滲流，進(jìn)而導(dǎo)致基坑周邊地下水位下降及地表沉降，故深厚富水地層基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)宜進(jìn)入穩(wěn)定不透水層或者巖層；回灌系統(tǒng)開(kāi)啟后，地下水得到補(bǔ)充而逐漸回升，基坑降水引起的地下水位累計(jì)沉降的平均值為1.6 m，接近并小于一級(jí)基坑水位累計(jì)沉降預(yù)警值2.0 m，說(shuō)明了基坑降水回灌技術(shù)在廣州地區(qū)的適用性及合理性；

(2)基坑降水回灌試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)基坑內(nèi)抽水系統(tǒng)開(kāi)啟后，基坑周邊建筑物發(fā)生大幅度沉降，當(dāng)基坑外回灌系統(tǒng)開(kāi)啟后，基坑周邊建筑物的沉降速率逐漸下降且逐漸穩(wěn)定，但前期降水階段產(chǎn)生的沉降不能恢復(fù)，故鄰近敏感建筑物的基坑工程應(yīng)謹(jǐn)慎選擇降水措施；

(3)對(duì)比分析先抽后灌、同抽同灌、先灌后抽等三種工況下地下水位及地表沉降情況，回灌開(kāi)啟時(shí)間與地表最終沉降量呈明顯的相關(guān)性，其中同抽同灌技術(shù)在深厚富水復(fù)雜地層基坑開(kāi)挖降水工程中的安全控制優(yōu)勢(shì)更為顯著.