地下水加压回灌技术在城市地铁建设中的应用

蔡军安 王义

摘要：本文通过地铁中间风井基坑工程开挖过程中周边地面及建筑物沉降这一现象，以工程地质和水文地质分析入手，判明地下水的主要富水层和运动机理，同时结合基坑工程本身变形监测数据，判断出地面及建筑沉降主要是由于地层失水引起的，基坑工程本身是安全的这一正确判断。在此基础上，探讨了稳定地面沉降的措施，比较了深层帷幕注浆止水、直接注浆加固建筑物和地下水加壓回灌这三种处理措施，从施工难度、处理效果、工程造价、二次扰动等方面分析了这三种处理方式的优劣，最后选用了地下水加压回灌这一方法，建立了基坑坑内降水、坑外加压回灌这一地下水排泄与补给的微循环系统，解决了地层失水问题，有效的控制了建筑物沉降。

关键词：富水层；地下水；基坑工程；降水；加压回灌

0 引言

在地铁以及地下空间的开发过程中，为保证基坑土方开挖及基础施工处于干施工状态，常采用降水方法将坑内地下水位降低至开挖面以下，地铁建设尤为如此。地铁周边建筑物一般较密集，同时地铁基坑开挖深度较深；施工工期较长，在此期间为保证基坑开挖、地基基础及底板施工的干作业，以及顶板覆土之前主体结构的抗浮稳定，一般都需要进行长时间的坑内降水。但在可压缩性土体中，随着地下水位的降低，地层中原地下水位以下土体的有效应力增加，导致地基土体固结，进而造成降水区域内的地面沉降，建筑物产生不均匀沉降并导致倾斜、开裂等，严重时可能危及其正常使用和安全。

为了减少坑内降水期间周边地层大范围失水造成的地层沉降、建筑不均匀倾斜、开裂等环境问题，基坑工程多采用设置止水帷幕，阻断坑内水与坑外水的水力联系，从而达到只降基坑内部水位，维持基坑外部地下水位基本不变的目的，进而达到控制周边地层失水，减少环境影响的目的。

由于基坑等地下工程高度依赖所处场地的工程及水文地质，而一般工程地质勘察有限的地质钻孔还不能完整的反应整个场地的工程及水文地质情况。同时对某些场地，由于工程水文地质的复杂性，止水帷幕的设置往往面临着施工难度大、造价高、止水效果一般等特性。本文以广州地铁某基坑工程地下水加压回灌为例，探讨地下水回灌技术在控制基坑周边地层沉降，减少建筑物不均匀沉降、倾斜中的作用。

1 工程概况

1.1 基坑工程概况

本工程位于新塘大道西路上，为地铁隧道中间风井，同时兼做盾构始发井。该风井基坑开挖深度27.4m，标准开挖深度26.3，长度为56.1m，宽度为24.9m。基坑南、北两侧为3～7层的框架结构居民楼，居民楼基础为桩基础，其中基坑距离南侧居民楼9.5m，距离北侧居民楼10.9m。中间风井基坑与南北侧居民楼的平面关系见图1。

图1 中间风井基坑与南北侧居民楼的平面关系图

1.2 工程地质概况

场地土层从上至下依次为：<1>填土，厚度2～3m；<2-3>中粗砂（局部<2-2>粉细砂），厚度3～4m；<2-1B>淤泥质土（局部<2-1A>淤泥），厚度6～10m；<2-2>粉细砂（局部<2-3>中粗砂），厚度0～4m，西端1/3风井段分布；<5Z-2>砂质粘性土，厚度2.5～3.5m；<6Z>全风化混合花岗岩，厚度2～4m；<8Z>中风化混合花岗岩中，厚度大于3m，风井西端局部未揭示，该处为<7Z>强风化混合花岗岩；<9Z>微风化混合花岗岩，风井东端局部分布。开挖前，场地地下水稳定水位埋深约1.5m。

根据地层情况，围护结构采用1000mm厚C30混凝土地下连续墙+四道钢筋混凝土内支撑支护，连续墙进入中风化岩层不小于3m，岩土材料参数如表1所示。

2 基坑施工期间坑内涌水情况及分析

2.1 基坑施工期间坑内涌水情况

基坑开挖按照明挖顺作法施工，分层开挖并依次架设第1～4道支撑，开挖前的超声波检测表明地下连续墙完整连续，开挖过程中连续墙无渗漏，现有止水帷幕施工是成功的。

基坑开挖期间（未至基底），坑内降水井的日抽水量约150m3，开挖至基底时，基底北侧中间位置出现一涌水点，涌水量较大，整个基坑日抽水量达到800m3。为浇筑底板，在基底设有滤水碎石盲沟，底板施工完成后，日抽水量仍然达到600m3。大量涌水12天后，第三方监测数据显示基坑北侧两个水位观测孔H5、H6累计水位变化量分别为-1197mm、-772mm，南侧的两个水位观测孔H2、H3累计水位变化量分别为-399、-292mm，北侧水位下降明显，且北侧房屋沉降监测量也偏大，最大测点累计沉降值达到27.3mm，最大沉降速率0.3mm/d，最大倾斜0.0025。最大累计沉降量、最大倾斜均接近允许值【2】。基坑北侧房屋沉降较大点、水位观测孔、回灌井位置如图2所示：

注：H为水位观测孔编号；负数为房屋角点累计沉降量；

图2北侧房屋沉降较大点、水位观测孔、回灌井位置平面图

2.2 基坑施工期间坑内涌水情况分析

在<2-1A>、<2-1B>淤泥层下，井的西端1/3范围分布着厚度0～4m的<2-2>、<2-3>砂层等富水层，为主要的地下水含水层。砂层下土层<5Z-2>为残积砂质粘土，有一定的孔隙比，具有一定的渗透性。下卧基岩为花岗混合岩的全、强、中分化带，裂隙较发育，渗透性较强，故在基坑开挖到底前，每天的涌水量都达150方，有一定的涌水量。

基坑开挖到基底以后，由于基底上部<5Z-2>砂质粘土层清除，基底的<6Z>、<8Z>裂隙被开挖暴露，失去了相对隔水层<5Z-2>的反压，同时基岩的个别裂隙得到贯通，形成绕墙址的一个涌水通道，大量涌水，每日高达800多方。基底涌水点位置如图2所示。

3 基坑安全分析及环境保护对策

3.1 基坑本身安全分析

基坑开挖及大量涌水期间的监测数据显示，连续墙顶部水平位移、支撑轴力、连续墙变形都较小，均在限值以内，可见围护结构本身是安全的。同时坑内涌水为清水，未带泥夹砂，故不会发生大量突泥涌砂造成基坑流土破坏。由此可见，基坑工程本身是安全的。

3.2 环境保护对策

随着砂层等地层的大量失水，砂层被挤密，淤泥质土与砂质粘土层失水固结，进而造成降水区域内的地面沉降，引起房屋不均匀沉降、开裂、倾斜。为减少地面沉降，可采取以下措施：

（1）进一步加深现有止水帷幕深度，深层帷幕注浆，封闭深层岩石裂隙，封堵渗水裂隙通道，达到止水的目的。

但岩层裂隙是以不规则的形式存在的，深层帷幕注浆前无法了解岩层裂隙存在的具体位置，因此在注浆的时候存在一定的盲目性，无法保证基坑底的岩层裂隙全部填充，同时大量的注浆的造价也较高。

（2）对建筑物的基础进行注浆加固，由于地层失水引起了较大范围内的地面以及房屋沉降，通过在房屋周边打斜孔注浆，仅仅对房屋的加固不能起到阻止整个地层下降的作用，且注浆效果难以保证，容易引起对房屋的二次扰动。

（3）地下水加压回灌，在防渗堵漏以及房屋注浆加固均存在预期效果不理想、造价相对较高且存在二次扰动等环境破坏的条件下，建立一种局部的地下水补给与排泄的动态平衡系统就非常必要，通过有效补给回灌，可以减少地层中地下水的流失，达到控制砂层失水，减少土层失水固结的作用。

4 地下水加压回灌

4.1 回灌井的设置与施工

根据地面较大沉降值的范围，在风井的北侧围护结构外布置了6个回灌井，井与地下连续墙净距1m，井间距5米，分别编号为1～6#回灌井，回灌井钻孔深度到达岩面线，主要回灌层为砂层、砂质粘土层等地层，施工工序如下：

（1）钻孔：孔径35cm，孔间距5米，钻孔深度应比PVC井管底深0.5m，以利沉砂。

（2）制管：采用8寸PVC管，在主要回灌层深度范围内，管壁钻注水孔，孔径10mm@100×100mm。

（3）下管：下管前，管外包一层滤网。

（4）填砂：在孔壁与PVC管壁之间填入粗砂，填砂厚度从地面算起不少于5米。

（5）洗管：冲洗井点管（用自来水或空压机）直至清水外翻。

（6）连接密封：用连接管将井点管与注水总管和水泵连接，形成完整系统。

4.2 回灌措施及相关数据监测

回灌基本要求与措施：

（1）回灌采取等量回灌的原则，回灌的水量基本与基坑每天的涌水量相等；

（2）每个回灌井进水管上安装压力表及流量表，灌水量与压力要由小到大，逐步调节到适宜压力；

（3）回灌井口要求密封，确保回灌时不漏水，同时回灌压力不宜过大，当回灌流量不明显增加时，回灌压力最好不要增加，否则回灌井周围易产生突涌，从而破坏回灌井结构；

（4）回灌水体必须干净，不能是污染水体，否则会污染地下水；

（5）回灌水体内不能有固体物质（如砂、土及其它杂质等），否则会堵塞渗水通道，影响回灌效果。

回灌作业中，通过对前8天的水位监测数据分析发现，回灌井附近20米内的水位孔H1、H5对回灌水开关反应较敏感，当达到一定时间，水位孔H8、H9对回灌水开关也有响应，并最终四个水位监测孔与回灌井回灌水开启与关闭形成了联动关系，停止回灌水时，各个水位出现下降；重启回灌水时，各个水位出现上升，到达一定高度后并趋于稳定。观测孔水位变化与回灌开关时间关系如图3所示。

图3 观测孔水位变化与回灌开关时间关系图

在进行回灌作业后，监测数据表明，地面及房屋沉降累計值增加较慢，增加速率小于0.1mm/d，该范围的房屋沉降在回灌作业后得到很好的控制，沉降速率减慢。

5 综合分析及结论

本文通过地铁中间风井基坑工程开挖过程中周边地面及建筑物沉降这一现象，以工程地质和水文地质分析入手，判明地下水的主要富水层和运动机理，同时结合基坑工程本身变形监测数据，判断出地面及建筑沉降主要是由于地层失水引起的，基坑工程本身是安全的这一正确判断。在此基础上，探讨了稳定地面沉降的措施，比较了深层帷幕注浆止水、直接注浆加固建筑物和地下水加压回灌这三种处理措施，从施工难度、处理效果、工程造价、二次扰动等方面分析了这三种处理方式的优劣，最后选用了地下水加压回灌这一方法，建立了基坑坑内降水、坑外加压回灌这一地下水排泄与补给的微循环系统，通过分析地面沉降范围，合理布置回灌井，解决了地层失水问题，有效的控制了建筑物沉降。

参考文献：

[1] 中国建筑工业出版.深基坑工程设计施工手册.北京，1998.

[2] 广州地区建筑基坑支护技术规定 （98-02）.

[3] 《广州地铁保护条例》、《广州市城市轨道交通结构安全保护技术标准（征求意见稿）》.

作者简介：蔡军安（1982-），湖北云梦县人，2008年毕业于同济大学土木工程学院岩土工程专业，硕士，工程师，现从事隧道及地下结构工程设计。