悬挂式围护深基坑外地下水回灌技术的研究

上海建工二建集团有限公司 上海 200080

0 引言

随着上海深基坑工程规模不断扩大、深度加深，承压水对深基坑施工的安全威胁越来越大[1-4]。对此，一般采用围护或止水帷幕隔断承压水含水层，可以有效控制承压水对基坑的影响，但投入的费用也非常高。而采用悬挂式围护，结合坑内按需降压的措施，可以有效降低围护费用，但是抽取承压水会导致含水层或邻近含水层的可压缩夹层压缩，引起地面沉降[5]。在敏感区域基坑围护外侧，采用地下水回灌技术来减少减压降水对周边环境的影响是一种可选择的手段。实践证明回灌技术一定程度上可以减少对周边环境的影响，但盲目使用也会产生一定的次生灾害，需要引起高度重视。

1 工程概况

1.1 项目简介

背景项目位于上海市小陆家嘴金融贸易区，建筑由2 栋超高层建筑和商业裙房组成，基坑面积为18 000 m2。建筑设4 层地下室，裙楼区域开挖深度20.30 m，塔楼区域开挖深度23.25～28.30 m。围护结构采用地下连续墙，深度为36.60 m，不隔断承压水层，水平围护为4 道混凝土支撑。

1.2 水文地质概况

本场地是典型的小陆家嘴地区的砂性土质，其中，第7层草黄色粉性土、砂土层深度约29 m；第9层灰色砂土层深度约75 m。第7层和第9层承压水贯通。根据抽水试验的结果，第7层初始承压水水头埋深为6.9 m。地质情况如图1所示。

图1 地质剖面

本工程基坑开挖深度按20.3 m考虑，承压水位埋深按6.9 m考虑，验算承压含水层的上覆土重与承压水头之比小于1.05，因此需采取相应的降水防护措施，确保基坑安全。

1.3 问题分析

本工程承压水问题非常突出，地下连续墙插入比仅为0.77，插入承压含水层仅7～8 m，而承压含水层厚度超过60 m。降压抽水时，地下连续墙下部的渗流路径较短，且承压水补给速度很快，因此必须布置足够数量的降压井，确保抽水速度大于补给速度，从而保证坑底突涌稳定性[6]。另一方面，地下连续墙插入深度太小，坑内降压时，坑外相当大范围的承压水位下降，可能引起周边道路、管线、建（构）筑物的沉降，因此应采取地下水回灌措施，人为抬高坑外承压水水位。

2 地下水回灌方案

2.1 回灌井布置

根据分析计算，坑内布设31 口降压井（含3 口观测井备用井），坑外布设6 口观测井；在沿基坑南侧和东侧方向，有需要重点保护的管线和建筑，按10 m左右的间距，距地下连续墙3 m左右共布设12 口、深度50 m的回灌井（图2）。

图2 基坑回灌井布置

2.2 回灌井工艺

回灌井成孔Φ650 mm，滤管材料为缠丝滤管，夹层内充填砾砂。内层滤管Φ219 mm，外层滤管Φ325 mm。井口外围回填材料一般不能采用普通黏土回填，应采用素混凝土回填，回填高度5 m。因回灌时有压力，要求井管周围止水效果比较好，能够承受一定压力，回灌井止水材料为黏土球[7]。

回灌时要求排出井内空气，防止产生气泡阻挡回灌水，并在井口盖板上安装排气阀，当水从排气阀大量出水后，才可以关闭排气阀。

回灌后因回灌井内产生一定量气泡，大量气泡聚集在滤管周围会阻止回灌水进入含水层中，因此必须定期对回灌井进行回扬冲洗。

2.3 回灌压力

为了确定回灌压力，进行了动态回灌试验。本次回灌试验进行了3 个等级试验，回灌压力从0.05～0.15 MPa，待每个阶段水稳后进行下一阶段的回灌，动态回灌试验结果见表1。

表1 动态回灌试验结果

由表1可知，回灌开始后，承压水位缓慢回升。当压力从0.10 MPa增加到0.15 MPa稳定后，最终承压水头上升了0.03 m，回灌量变化较小，水位变化较小，而且压力达到0.15 MPa后井管周边有轻微涌水现象，因此回灌压力优选0.10 MPa。

本次回灌系统采用水泵抽取地下水，然后通过水箱安装加压泵对水体自然压力补偿的方法进行回灌，回灌系统加压示意见图3。

图3 回灌加压示意

回灌井上安装压力表及流量计，灌水量与压力要由小到大，逐步调节到适宜压力。

3 回灌效果计算

通过对比回灌前后基坑周围地面沉降数值，来判断回灌的效果。初始承压水水头埋深为6.9 m，群井抽水单井出水量约475.2 t/d，回灌井单井回灌量120 t/d，第⑦层砂质粉土及粉砂渗透系数平均值 ：水平为3.4 m/d，竖向为0.34 m/d。采用Visual Modflow软件进行地面沉降数值计算[8]。

本次沉降计算针对基坑开挖后所需要的最大安全降深的工况进行沉降计算，计算结果见图4和图5。不开回灌井时地面沉降17 mm，回灌时地面沉降13.6 mm，地面沉降量减小20%，可以满足控制要求。

图4 降水引起地面沉降分布等值线（单位：mm）

图5 回灌降水后地面沉降分布等值线（单位：mm）

4 实际运行效果

4.1 第一阶段回灌

当基坑开挖地层土体（裙房、塔楼及其局部小深坑），坑内外承压水水头分别为－16.55～－19.78 m和－14.85～－16.99 m时，坑外开启6 口回灌井。采取加压0.10 MPa回灌，每口回灌井回灌量平均约为5 m3/h。回灌3 d后，坑外观测井水位上升40～100 cm。

加压回灌后，回灌一侧围护结构日变化量突然增大，日最大变形值由每天的0.2～0.5 mm，突然增大到3.0～7.0 mm，对应部位地下连续墙接缝处产生了渗漏情况。P3～P5为地下连续墙变形监测点，地下连续墙变形日增量最大值如图6所示。回灌3 d后决定停止回灌。

图6 地下连续墙变形日增量最大值变化

4.2 第二阶段回灌

当基坑开挖塔楼深坑，坑内外承压水水头分别为－29.0～－29.3 m和－21.87～－23.01 m时，坑外地表及管线日变化量加大，开启坑外12 口回灌井，采取自然回灌，前期每口回灌井回灌量平均约为1.2 m3/h，后期回灌量趋于稳定，回灌量约1 m3/h。自然压力回灌一个月后，坑外观测井水位稳定上升60～90 cm，地下连续墙变形无明显变化。

回灌侧围护设计计算变形值为60 mm，回灌后实际变形值104 mm，回灌前管线日沉降变形量1.1～1.2 mm，回灌后日沉降变形量0.4～0.5 mm，后期则产生上浮现象，上浮量为0.6～0.7 mm/d，最终管线沉降值为7.0～8.0 mm，个别点最大沉降值16 mm，没有发生管线安全事故，道路无明显可见的沉降和开裂现象，回灌达到了预期效果。

5 结语

（a）对悬挂式围护深基坑施工，采取地下水回灌措施可以减少坑内减压降水对周边环境的影响，但会增加围护结构本身的变形值。回灌对坑外承压水水位的变化影响不大。

（b）采用加压回灌时，井位与围护之间要保持足够的间距，以减少对围护产生附加的压力，而实际施工由于受红线控制影响，很难做到。同时回灌压力不宜过大，宜在0.1 MPa左右，避免井管本构或墙底土体产生破坏，形成竖向或水平向的水径通路。

（c） 采用自然压力回灌可以有效减少对围护墙体的影响。按抽灌平衡原则，回灌井应加密布置，数量应为最大同时开启降压井数量3～5 倍。

（d）对于大型基坑，地下连续墙的插入深度应有足够的保证，即使不能隔断承压水含水层，也要确保墙底和降压井井底之间有足够的距离。