超深地下空间的地下水补偿应用

朱 刚

上海建工一建集团有限公司 上海 200434

对于在含有深厚承压水层地质条件下的深基坑工程，由于止水帷幕不能完全阻隔承压含水层，故坑内大幅度降排水会引起坑外水位下降，继而对周边环境产生一定程度的不利影响。作为预案，在城市敏感区域降排地下水时，通常采用对基坑外的地下水进行补偿的方法，使降排地下水对周边环境的影响降低。但地下水补偿具有敏感度高、补偿深度大、补偿范围集中、快速等显著特征。

上海徐家汇中心虹桥路地块4-1区超深基坑采用深75 m地下连续墙为基坑围护结构，由于没有隔断承压含水层，故形成悬挂式止水。工程周边环境复杂，分布有大量地下管线，尤其是基坑北侧，为运行中的轨道交通9号线区间隧道，距离基坑仅30 m，因此降水设计及降水运行必须同时兼顾基坑自身安全和周边环境安全。本项目降水设计采用抽-灌一体化方法，达到了预期效果[1-3]。

1 工程概况

徐家汇中心虹桥路地块项目位于上海市徐家汇商业区，南邻虹桥路、西邻宜山路。场地北侧为轨道交通9号线，东侧紧邻轨道交通11号线（图1），周边分布有较多的地下管线。围护体为超深地下连续墙，深度为75 m，坑内设置7道混凝土支撑，基坑最大开挖深度达到35.20 m。

图1 徐家汇中心虹桥路地块平面示意

2 工程地层概况

场地地基土均属于第四纪沉积物，拟建场地均位于古河道沉积区。从结构特征、土性和物理力学性质上的差异出发，土层可划分为11个工程地质层及若干亚层。场地内第⑦1层砂质粉土及⑦2层粉砂属第Ⅰ承压含水层，第⑨层粉砂属第Ⅱ承压含水层，第层属第Ⅲ承压含水层。场地内第Ⅰ及第Ⅱ承压含水层相连通。场地下伏的承压含水层分布稳定、连续，层顶埋深44 m左右，复合含水层厚度超过50 m，含水层深厚并处于连通状态。4-1区基坑地下连续墙深75 m，墙趾已进入第⑨层约8 m。由于承压含水层厚度大，故地下连续墙未能隔断承压水，形成悬挂式止水帷幕。

3 未补偿状态下的试验抽水

4-1 区基坑内共布置32口降压井。试验期间，利用坑内12口井进行群井抽水，坑内观测井水位降至地面以下40 m，水位已降至基底以下，达到基坑所需的安全水位。但本工程北侧轨道交通9号线区间隧道变形速率有所加大，经各方同意停止试验抽水。计划进行第2次试抽水，要求坑内水位控制到地面以下安全水位埋深31 m左右。

第2次试抽水时，坑内10口井的水量平均为15 m3/h，坑内水位控制在地面以下31 m左右（降深25 m），满足基坑承压水安全水位要求。坑外水位降深平均值为2 m，水位比较均匀。第2次抽水试验期间，坑外第⑦层水位变化幅度约为坑内的8%，说明围护体对承压含水层的绕流作用明显。坑外水位整体变化较为均匀，没有异常点出现，判定围护体封闭性良好。考虑到抽水试验时间比较短，降水对周边环境的影响还没有完全体现出来，且第1次抽水试验已对轨道交通9号线的影响比较大，所以本工程的降水必须考虑地下水补偿措施，做到抽-灌一体化运行。

4 抽-灌一体化设计

以徐家汇中心虹桥路地块4-1区域深基坑为研究对象，对基坑开挖深度大、承压含水层厚、周边环境复杂条件下的回灌补充系统进行分析与研究。基于现场抽水、回灌试验，建立地下水-止水帷幕共同作用的三维渗流模型，调整参数，使得模拟计算的结果与现场试验结果接近。然后在该模型基础上，探索渗透系数、绕流路径对回灌补偿的水量、灌抽比等的影响，以更好地指导工程设计。

回灌井与轨道交通车站、区间隧道间净距5～15 m，井深58 m，过滤器长度12 m，后期回灌均采用自然回灌。根据现场抽水试验及回灌试验，自然回灌时，单井回灌量2～3 m3/h，占坑内单井抽水流量的1/4～1/3。

回灌井启动标准：坑内降水后应同步启用回灌井。

回灌井停止标准：基坑内大底板全部施工结束并施工到B4（地下4层）板后，坑内抽水大部分停止，坑外水位恢复到初始值时可关闭回灌井。

根据地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，抽-灌目的层为承压含水层，将其概化为三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。

根据研究区的几何形状以及实际地层结构条件，对研究区进行三维剖分。地下水系统的垂向运动主要是层间的越流，三维立体结构模型可以很好地解决越流问题；地下水系统的输入、输出随时间、空间变化，参数随空间变化，体现了系统的非均质性，但没有明显的方向性，所以参数概化成水平向各向同性。综上所述，模拟区可概化成非均质水平向各向同性的三维非稳定地下水渗流系统。模拟区水文地质渗流系统通过概化、单元剖分，即可形成地下水三维非稳定渗流模型。

4-1 区域周边环境复杂，距离轨道交通9号线约30 m，设计时主要考虑重力补偿方式回灌。经过三维渗流模型计算，坑外布置3排回灌井（图2）：在小坑内布置1排回灌井，在区间隧道与小基坑之间布置1排回灌井，在隧道外侧布置1排回灌井。如此可以有效控制北侧轨道交通9号线区域水位降和沉降。

图2 坑外3排回灌井布置示意

5 抽-灌一体化状态下的降水运行

徐家汇中心虹桥路地块4-1区布置4只回灌集水箱，规格为24 m3（6 m×2 m×2 m），每8口回灌井合用1只集水箱，水源由抽水井向集水箱供水。在集水箱出水口连接回灌水总管，直径100 mm，回灌水总管上再分出8根支管，支管直径约50 mm。支管由三通连接，其上安装闸阀，可调整出水量，将水回灌至井内。回灌水源主要由抽水井直接提供，抽水井因长期抽水，故回灌水体干净、无固体物质，能达到关于回灌水的技术要求。基坑内降水井排管至集水箱，为回灌井提供回灌水源。

坑内降水严格按照按需降水原则进行，回灌与抽水同步进行。第1次抽水试验时，轨道交通9号线一侧水位下降2～3 m，正式运行阶段因实行抽-灌一体化措施，坑外观测井水位基本上没有变化，说明回灌效果明显，同时对坑外轨道交通9号线的沉降控制非常有利。

6 周边环境控制效果分析

4-1 区基坑在实施过程中，完全遵循按需降水原则，分层降水，将水位控制在安全水位（30 m左右），从而确保基坑未发生突涌风险，同时有效控制了坑外的水位（6.00～6.50 m），基本上水位降深不超过0.5 m（图3）。

根据监测数据，轨道交通9号线区间隧道沉降值在降水期间累计不超过2 mm，基本上未出现明显的沉降量，满足了基坑北侧轨道交通9号线的沉降控制要求，达到了超预期效果。

图3 4-1区基坑内、外水位运行示意

7 结语

1）抽水可降低基坑突涌风险，回灌可确保基坑周边环境安全，抽-灌一体化协调应用在工程中得到充分运用，达到了超预期效果。

2）对于重大工程可利用三维渗流模型对抽-灌一体化进行设计。

3）建议回灌措施尽量与坑内抽水同步运行。

4）承压水控制应遵循按需降水原则。