济南轨道交通工程基坑降水与回灌概述

2020-09-05申丹丹

山东交通科技 2020年4期

关键词：卵石换乘含水层

申丹丹

（山东省交通科学研究院，山东济南 250031）

引言

济南泉域地处鲁中山地的北缘，地形南高北低，变化显著。南部为绵延起伏的山区，绝对标高为500～600 m；中部为山前倾斜平原，绝对标高一般为25～50 m；北部有燕山期侵入的辉长岩体分布。

轨道交通工程沿线地形南高北低，自起点至大学城站附近地形起伏较大，地下段沿线地形起伏较小。工程属山前冲洪积平原地貌，场地地势较低，地形较平坦，钻孔孔口地面标高为31.25～33.46 m。

1 工程概况

本站标准为地下二层岛式站台车站，为远期轨道交通某线换乘预留条件，换乘节点段为地下三层站，车站有效站台宽度为14.0 m，长度为120 m。车站结构规模总长514.09 m，标准段宽22.7 m，盾构井段宽27 m，换乘节点段车站宽40.7 m。车站结构标准段高度13.5 m，顶板覆土厚度约为3.0 m，标准段底板埋深约16.5 m，换乘节点段底板埋深约26.0 m。车站主体采用明挖法施工。见图1，基坑总长约516.40 m，分为3-3换乘段、1-1标准段及2-2段盾构加宽段（北端），3-3换乘段长约39.5 m，开挖深度为26.0 m；1-1标准段长约459.3 m，开挖深度约为16.5 m，2-2段盾构加宽段（北端）长为17.80 m，开挖深度为19.71 m。基坑安全等级为一级，最大水平位移允许值控制为0.20% H，且≤30 mm。根据地形、地质情况，1-1标准段及2-2段盾构加宽段（北端）基坑采用套管咬合钻孔灌注桩+内支撑体系，3-3换乘段采用地下连续墙+内支撑体系。套管咬合钻孔灌注桩采用Φ1000@750规格，素混凝土桩及钢筋混凝土桩交错布置、相互咬合，形成能止水，地下连续墙：采用1 000厚C35水下混凝土。基坑南端盾构加固段采用高压旋喷桩止水帷幕，盾构底板埋深约16.5 m。

图1 基坑总平面

2 工程地质条件

根据勘探资料及室内土工试验成果，按地层沉积年代、成因类型，本站地层结构划分为人工堆积层（Q42ml）、第四系全新统冲洪积层（Q4al+pl）、第四系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）三大类，见图2。

图2 车站地址剖面

3 水文地质概况

从含水层埋藏条件分析，勘察揭示地下水类型为第四系松散岩类孔隙水。第⑧3层粉土其地下水类型属孔隙潜水类型，其补给条件主要为大气降水和地表水径流补给，第⑧2细砂、⑧1卵石、⑩2细砂、⑩1卵石、112中砂、111卵石为富水含水层，其顶、底板均为透水性相对较弱的厚层黏性土组成。若把厚层黏性土视作相对隔水层时，第⑧2细砂、⑧1卵石、⑩2细砂、⑩1卵石、112中砂、111卵石均具承压水的埋藏条件，其含水层地下水亦属于弱承压水类型，其补给条件主要为大气降水及地表水的下渗渗流补给及上流河道渗流补给，以民井抽取及地下水侧向径流为主要排泄方式。

4 抽水与回灌试验

4.1 测量与观测

在钻井前进行放点定位测量，钻井工作完成后进行复测，所有坐标及高程均为实测高程，用RTK进行测量。利用回灌井进行现场试验，完成5眼井，各井施工完成后进行洗井及试抽水后统一测量了稳定水位。各水井编号、坐标和高程、稳定水位见表1。

表1 水井主要数据

4.2 抽水试验

通过抽水试验可知：（1）抽水量为720～1 440 m3/d，降深为1.93～4.3 m。含水层综合渗透系数为9.621～19.103 m/d，影响半径为95.85～220.82 m，渗透系较勘察报告提供的K=250 m/d大幅减小。（2）降水井降深1.93～4.3 m，周边附近观测孔水位下降0.24～1.1 m，说明各钻孔之间地层导通性良好。（3）通过群井抽水试验可知，场地内第四系孔隙水水井水位同步变化，水力联系密切。

图3 H2井组抽水试验Q-S曲线（左为降深一，右为降深二）

图4 井组H3抽水试验Q-S曲线

图5 井组H5抽水试验Q-S曲线

4.3 回灌试验

基坑降水环保回灌装置由抽水系统、综合处理系统、回灌系统三部分组成。其中综合处理系统又可分为压力控制系统、净化过滤系统、回灌分流系统、自动监测系统、智能电控系统等五部分，见图6。通过这几部分协调工作，可以实现自动化控制管理，达到基坑降水与回灌一体化，减小基坑降水对周边环境的影响。

图6 基坑降水回灌系统组成

在试验阶段，使用回灌系统回灌量可以达到常规回灌量的3倍以上。（1）可有效控制施工区域附近地下水位的稳定，防止附近地层变形，减小施工对附近居民的安全威胁。（2）可以有效增加回灌水量，使泉域系统内工程建设排泄、补给达到平衡状态，保护泉水的稳定喷涌量。（3）可提高回灌水质，避免回灌对地下水系统水质造成破坏。（4）可以大大增加回灌井回扬周期，极大增加了回灌效率和回灌成本。（5）处理了基坑降水的排放问题，减缓了市政管道压力。（6）在持续增大回灌量的同时，处理了井壁溢流现象，使回灌在一个干燥、安全环境下进行，见图7。

图7 回灌系统

4.4 回灌试验分析

通过回灌试验可以看出：（1）回灌压力与回灌量呈线性关系见图8，采取加压回灌可明显增大回灌量，抽取地下水对回灌量有一定的影响。（2）采用自然回灌（无压），回灌量为657～774 m3/d，周边附近观测孔水位上升0.16～0.37 m；采用压力回灌时，周边附近观测孔水位上升0.73～1.85m，影响半径为100 m，见图9。（3）回灌引起的周围地下水水位升幅随距回灌井的距离增大而减小，见图10。（4）回灌压力越大，引起的地下水水位升幅越大，见图10。（5）由回灌确定的试验土层的渗透系数为9.13～14.19 m/d。

图8 回灌压力与回灌量关系

图9 水位升幅随距离变化曲线

5 回灌运行

5.1 回灌原理

将水注入回灌井里，井周围的地下水位就会不断地上升，上升后的水位称之为回灌水位hc。由于回灌井中的回灌水位与地下水位之间形成一个水头差，注入回灌井里的水才有可能向含水层里渗流。当渗流量与注入量保持平衡时，回灌水位就不再继续上升而稳定下来，此时在回灌井周围形成一个水位的上升锥，其形状与抽水的下降漏斗十分相似，只是方向正好相反。回灌井内的回灌水位最高，向四周回灌水位逐渐降低，直至与地下水位相重合，由重合点到回灌井中心轴线的距离称为回灌影响半径Rc。回灌水位hc与地下水位H之差，称为水位升幅Sc，见图11。

图10 水位升幅与回灌压力关系曲线

图11 回灌效果

回灌井的回灌量与含水层的渗透性有密切关系，在不同渗透性能的含水层中，井的回灌量差别很大。在保持一定的回灌量与满足回灌效果的前提下，渗透性好的含水层中，回灌井中所需的回灌水位较小；反之渗透性愈差，回灌井中所需的回灌水位就愈高。

5.2 回灌井布置

在基坑开挖过程中，采用封闭式止水帷幕，回灌井沿基坑外侧四周进行布置，回灌井共布置39口，西侧布设19口，井间距约15 m，东侧布设20口，井间距约20 m，回灌井与围护结构间距不小于6 m。另外，布置观测井10口，井径110 mm，井深12 m。回灌井的布置应以避开管线为原则。

5.3 回灌井结构设计

（1）孔深：回灌井孔深进入卵石层，以23.0 m为宜。（2）滤管埋深：回灌井过滤器位于第⑧1层卵石层（此层渗透系数较大，为回灌的目的层），且过滤器底部标高不高于⑧1层的层顶标高。过滤器长度根据地层情况调整，过滤器长度为5～6 m。

5.4 回灌井运行

（1）施工：首先施工基坑西部回灌井，施工完成后观测静止水位，以及在坑内降水井运行时它们的水位变化情况，视情况变化再决定其余回灌井的施工。（2）启动：当潜水水位日变量超过300 mm或累计变量超过500 mm时，即启动回灌。（3）运行条件：如因该场区水位下降是咬合桩渗漏引起的，待堵漏完成后观测一段时间，若水位恢复正常，即可停止回灌。（4）水源：回灌水源主要以基坑内抽水井的地下水作为回灌水。（5）压力：先期采用无压力回灌，当潜水水位无法满足目标要求时，或回灌量难以增加时可适当加压回灌，回灌压力不能过大，过大后会影响回灌井周边地层结构，回灌压力控制在0.1 MPa以内。（5）监控：回灌过程中对基坑内观测井和基坑外观测井水位密切监控，要求水位观测每12 h一次。

回灌井实施回灌的同时，基坑内抽水井正常继续运行，为了节约地下水资源可以采用抽出来的地下水进行回灌，见图12。