地铁车站深基坑降水回灌技术应用研究姚锐

地铁车站深基坑降水回灌技术应用研究姚锐

姚锐

（中铁一局天津建设工程有限公司，天津300250）

摘要：目前，随着我国城市轨道交通建设的快速发展，地铁建设项目愈来愈多，地铁车站深基坑降水施工问题日益受到关注。本文结合天津地铁10号线金贸产业园站基坑降水导致的地下水异常情况，通过对基坑抽灌一体化技术应用数据的分析和总结，探索基坑采用地下水回灌技术的主要控制指标及标准。揭示回灌运行期间坑外地下水位与地表沉降数据的关系，为天津地区乃至全国地下水回灌技术措施的应用提供借鉴依据。

关键词：基坑；降水；回灌

引言

近年来，随着轨道交通的快速发展，地铁深基坑工程日益增多，在深基坑施工中常常发生因降水问题而造成周围建筑物沉降、开裂或倾斜现象，基坑降水工程对地下水的影响日益突出，特别是很多基坑都处于密集城市中心，施工条件复杂，对基坑周边环境保护要求较高，因此在建筑物密集区域进行深基坑施工时，仅仅考虑基坑降水问题是不够的，还要考虑到因降水而引起的周边地表及建筑物的不均匀沉降问题，这些不均匀沉降会对基坑周边环境造成不利影响，带来安全风险。

一般在深基坑施工中，为确保基坑内土体干爽，同时减小对周边环境的影响，都会先利用围护结构将基坑的含水层隔断，然后再采用基坑疏干降水的方法将基坑内的地下水疏干。但由于围护结构往往不能完全将含水层隔断，导致基坑内外地下水水力联系处于部分连通状态，使坑外地下水出现异常，进而导致基坑周边环境受到不利影响。本文结合天津地铁10号线金贸产业园站基坑降水导致的地下水异常情况，通过对基坑抽灌一体化技术应用数据的分析和总结，探索基坑采用地下水回灌技术的主要控制指标及标准。揭示回灌运行期间坑外地下水位与地表沉降数据的关系，为天津地区乃至全国地下水回灌技术措施的应用提供借鉴依据。

1工程简介及问题背景

1.1工程简介

金贸产业园站是天津地铁10号线一期工程的中间站，车站采用明挖法施工，车站总长240m，车站基坑深约16.82m，采用明挖顺作法施工。基坑底主要位于⑧2粉质黏土层，围护结构地下连续墙底位于⑪1粘土层、⑪2粉质粘土层中。基坑施工区域地下水类型主要为第四系孔隙潜水及赋存于Ⅱ陆相层及以下的第一、二、三层微承压水。水文情况如下图所示：

图1-1基坑水文地质纵断面图

1.2工程问题背景

金贸产业园站围护结构采用承压水悬挂式地下连续墙，地连墙穿越潜水含水层，第一、二承压含水层以及第三承压含水层隔水顶板，部分进入第三承压含水层中（未达隔水底板），地连墙墙趾在承压水层中处于悬挂状态。同时结合基坑试降水试验数据，试降水期间基坑外第三承压水观测井水位下降量在0.74m~3.6m之间，水位大幅下降超过1m控制值。

对于出现基坑外第三承压水大幅下降的情况，结合基坑大里程段地质资料及围护结构、降水井设置情况，分析认为由于金贸产业园站围护结构为承压水悬挂式地连墙，第三承压水层未完全截断，导致基坑内外第三承压水存在一定的水力联系；同时根据地层渗透系数及透水性可知，第二、三承压水层之间的地层为粉质黏土，渗透系数为0.05m/d，属于弱透水层，导致下部第三承压水层对位于第二承压水层的坑内疏干降水井存在一定的越流补给，使上下含水层之间存在水力联系。由基坑降水引起坑外第三承压水位下降原理见下图所示。

图1-2基坑降水导致周边地下水位下降原理图

根据以上情况，在后续基坑开挖降水过程中，不可避免的会出现基坑外第三承压水层水位持续下降，进而导致周边地表及建筑物发生不均匀沉降。为避免周边环境受降水施工影响，必须对坑外第三承压水层的持续下降采取补救措施，维护坑外承压水水位的相对稳定。

2拟采取施工技术措施及应用原理

2.1拟采取施工技术措施

根据金贸产业园站基坑地下水异常情况，为避免在后续降水过程中对周边建构筑物产生不利影响，最直接有效的办法是控制基坑外地下水位，而在控制地下水位的施工技术措施中地下水回灌是一种相对经济可靠的措施。在地下水回灌的方法中，采用坑内抽水与坑外回灌一体化技术进行地下水回灌是一个较安全可控的地下水回灌方法。

抽灌一体化技术将抽水管路与回灌管路一体化布置，有效利用抽汲出的地下水作为含水层回灌水源，不仅可避免回灌含水层的水质污染，保证自然生态系统中水资源的相对平衡，还能够同时调节回灌压力，对地下水进行有效补给，增加地下水资源的储备量，维持地下水位的相对稳定。

2.2抽灌一体化技术措施应用原理

地铁深基坑进行井点降水后，不可避免地造成周围地下水位的下降，从而使周围环境受到不同程度的破坏。为尽可能消除这类影响，可采用在保护区设置回灌井，在基坑降水的同时，向地下含水层注入一定水量，形成一道阻渗水幕，在土层中形成一个和降水井点相反的倒转漏斗，使基坑降水的影响范围不超过回灌工程的范围，阻止地下水向降水区的流失，保持既有地层的水位、土压力仍处于原有平衡状态，使建筑物的沉降达到最小程度。地下水回灌原理如下图所示：

图2-1地下水回灌应用原理及回灌井

而抽灌一体化技术就是通过将基坑降水的抽水管路与地下水回灌管路一体化布置，确保抽汲出的地下水能有效进入回灌管路中的地下水回灌系统。该系统通过将回灌井、水质处理系统、降水抽取和回灌管路系统、增压系统进行统一布置，再通过水位监测系统对回灌压力和回灌水量进行调控，进而对回灌区地下水进行维持，达到有效控制周边环境的目的。抽灌一体化系统原理如下图所示：

图2-2抽水与回灌一体化系统原理

3抽灌一体化技术实施过程

3.1回灌目的层的选择

大里程端受基坑降水影响主要为第三承压含水层，回灌主要针对第三承压含水层进行，如见下图所示。

图3-1大里程端回灌目的含水层示意图

3.2回灌井布置及设计规格

1、回灌井布置

回灌井布置在基坑地下水位下降较大区域周边。综合考虑基坑回灌井距离基坑围护结构外边线15~20m，共设置6口第三承压水回灌井，深度33m~37m。编号分别为HⅢ-1~6（其中H代表“回灌”，Ⅲ代表回灌目的层为第三承压水层），具体回灌井规格及位置如下所示。

表3-1回灌井规格情况表

图3-2回灌井平面位置图

2、回灌井设计规格

（1）材质：回灌井设置钢管井，钢管井采用孔径650mm，直径273mm的钢管。回灌井自井底至滤水管顶部以上1.0m位置回填优质滤料，滤料顶以上5m范围回填优质黏土球进行封孔，优质黏土顶至地面下2m范围回填普通黏土，自然地面以下2m范围回填混凝土。

（2）过滤器及滤网：钢管井过滤器为桥式过滤器，滤水管用砂滤布包裹；钢管井孔隙率不小于15%，滤网采用60目两层尼龙网，螺旋缠绕，搭接20cm，每隔30cm绑扎铁丝一道。

（3）滤料：结合以往相似工程施工经验，疏干井和坑外观测井宜采用粒径较小的（0.1～0.2cm）的干净石硝（不含粉末）。

（4）沉淀管：滤水管底部设置长度为1.0m的沉淀管，防止井内沉砂堵塞而影响进水。

3.3抽灌一体化系统布设

1、抽灌系统仅开启金贸产业园站大里程基坑内相对远离保护区的S-24、S-12、S-14三口降水井作为抽水井。抽水井将地下水集中于集水箱1中，作为回灌水源。

2、沿基坑北侧设置2个集水箱，集水箱自带三级沉淀功能，每个集水箱容积15m3。其中集水箱1作为抽水井集水装置，集水箱2作为回灌井集水装置，集水箱2通过增压控制装置将地下水压入回灌井内进行地下水回灌。集水箱1与集水箱2之间需安装过滤系统装置，对抽取地下水进行过滤处理，可以有效防止回灌井及管路的堵塞。

3、为保证回灌井畅通，防止淤塞，需对回灌井进行定期回扬，需在回灌井与沉淀池间布设回扬管路。回扬期间需要对回灌井大量抽水，易导致回灌井附近水位快速下降，从而导致周边地表产生沉降，因此回扬时间不宜过长，每次回扬时间宜为5～15分钟。为防止抽灌管路出现淤塞，在沉淀池与集水箱2之间增设反冲洗管路，定期进行反冲洗运行，可以有效防止管路淤塞。

4、在抽灌一体化系统中设置自动水位监测控制系统，利用水位监测数据对回灌压力和水量进行调节。金贸产业园站主要对JB-1～3三口观测井进行第三承压水水位的监测，对回灌压力及水量进行调控。抽灌一体化系统布设如下图所示：

图3-3金贸产业园站降水回灌一体化系统平面图

3.4运行控制要点

1、明确初始压力控制值，在回灌运行前，应先确定初始回灌压力值，在回灌初期，为保证地下水整体稳定，回灌水量不宜过大，回灌压力应控制在0.1MPa，并在回灌运行期间根据地下水位及地表沉降情况随时调整。

2、回灌采用自动水位监测控制系统进行控制，回灌井内水位下降幅度超过10cm回灌自动启动，水位超过初始水位时回灌自动终止，始终保持回灌井水位在初始水位（0～-10cm）范围内。同时进行人工辅助巡视，发现问题及时反馈，并及时调整回灌运行情况。

3、回灌期间应加强回灌区域地表沉降监测，并对监测数据及时反馈，回灌运行期间应根据监测数据结合基坑周边环境变化情况，及时调整地下水回灌压力及回灌水量。

4、基坑回灌井需要进行定期回扬，回扬间隔不宜过长，也不易过频繁，一般控制在5天一次，每次持续5～15分钟。一次只能进行1口井回扬。反复多次回扬会对周边地表产生波动性沉降，这对周边环境极为不利。

5、正式回灌运行需要做好以下几方面的工作：

①回灌前所有回灌井自动回灌控制系统应进行联调联试，确保无异常后方可进行正式回灌，回灌过程中工作人员应对回灌系统进行巡视维护。

②回灌期间需做好回灌记录，记录内容包括回灌井灌水量Q和观测井水头抬升s，以掌握回灌动态，指导回灌运行达到最优。

③回灌过程中应针对每口井做好流量计量，采用安装流量计的方法，需要记录人员准确详细的记录。

④回灌工作应与基坑正式开挖降水同时进行，做到同抽同灌，确保疏干质量。

⑤在回灌运行过程中，如果发现某一个或几个回灌井不能保持运行，现场管理人员立即组织人员进行回灌系统检查，确保第一时间恢复正常，单个回灌井中断回灌时间不得超过1小时，多个回灌井中断回灌时间不得超过30分钟。

图3-4金贸产业园站回灌井实物图

4数据分析总结

4.1回灌压力与回灌水量关系

1、数据情况

对2018年6月7日至2018年7月21日回灌期间回灌井的回灌量、回灌压力及水量返还百分比进行了统计如下：

表4-1回灌数据统计表

从上表数据可得出，整个回灌运行期间回灌量的水量返还百分比在38.95%～49.01%之间，其中总抽水量为2158.3m3，总回灌量为925.9m3，总水量返还百分比仅为42.90%。其中HⅢ-3回灌井回灌压力为0.1～0.16MPa,水量返还百分比为49.01%；HⅢ-6回灌井回灌压力为0.08～0.12MPa，水量返还百分比为38.95%。

2、数据分析

从以上数据可以分析得出，抽灌一体化运行期间，抽汲水量的总体返还比率较低，仅为42.11%，通过对每口回灌井的回灌压力和回灌水量百分比进行比对，得到回灌井的回灌压力与水量返还比的关系曲线，如下图所示：

从上图可以看出，回灌压力与回灌水量返还百分比存在一定的正线比例关系，通过控制回灌压力可以达到对回灌水量返还比进行调控的目的。

3、总结

通过以上分析可得出在整个回灌期间，回灌压力是关键控制指标，回灌水量返还比是辅助控制指标。回灌运行期间应重点对回灌压力进行控制，进而通过控制回灌压力来对整体回灌水量进行调控。回灌压力控制标准宜为0.1MPa，最大不宜超过0.16MPa。

4.2回灌期间水位抬升情况分析

1、数据情况

金贸产业园站2018年6月7日至2018年7月21日回灌运行期间第三承压水水位数据如下图所示：

图4-2回灌运行期间观测井水位数据曲线图

从回灌期间观测井水位数据可以看出，坑外第三承压含水层水位均有不同程度的水位回升。其中JB-1水位回升1.756m，JB-2水位回升2.938m，JB-3水位回升2.085m。

2、数据分析

从回灌运行期间观测井水位数据曲线图可以看出，在回灌前期（2018年6月7日至2018年6月21日）水位抬升较快，是第三承压水水位主要回升时段，在这期间水位已得到有效抬升；在回灌后期（2018年6月22日至2018年7月21日）水位抬升非常缓慢，是第三承压水水位的维持阶段，在这期间水位较难得到有效持续抬升，以水位维持为主。从两个阶段的水位情况可分析得出，通过回灌技术措施能够对第三承压水水位进行控制，但是还不能对第三承压水水位的持续有效抬升起到决定性作用。

3、总结

通过以上数据分析可得出，地下水回灌技术措施能够在坑内降水期间对坑外地下水的稳定性进行较好的控制，但在持续回灌运行期间，较难将地下水位进行持续有效抬升，更无法将地下水位抬升至初始水位。因此地下水回灌技术仅是对第三承压水水位稳定的维护性措施，能够对地下水的稳定起到一定的积极作用。

在持续进行回灌运行期间，根据稳定后的水位数据对后期降水期间坑外水位情况进行模拟预测，考虑100天降水运行周期（由于100天左右坑外水位基本趋于稳定，继续延长时间水位变化量较小）形成坑外水位预测模型见下图所示：

图4-3降水运行100天坑外第三承压含水层水位降深等值线图

4.3水位抬升与沉降监测数据关系

1、数据情况

金贸产业园站在2018年6月7日至2018年7月21日回灌期间将基坑大里程东侧回灌保护区域地表沉降监测数据进行统计。共选取5个地表沉降监测点，分别为DB18-3、DB17-3、DB16-3、DB15-3、DB14-4，具体数据如下图所示：

图4-4回灌井运行期间地表沉降监测数据曲线图

2、数据分析

从回灌运行期间地表沉降监测数据曲线图可以看出，在回灌运行前期（2018年6月7日至2018年6月27日）地表沉降波动较大，其中监测点DB17-3沉降变化值最大，最大沉降变化值达到5.12mm（控制值为30mm），在此期间地下水位抬升幅度也较大；在回灌后期（2018年6月28日至2018年7月21日）地表沉降监测数据逐渐趋于平稳，并最终保持在一个较稳定的区间范围内；在此期间地下水位抬升幅度也较小，处于水位维持阶段。从两个阶段的地表沉降数据可分析得出，地表沉降受水位抬升幅度影响较大，随着水位趋于平稳后地表沉降也相应逐渐趋于平稳。整个回灌运行期间，地表沉降监测累计变化量为6.82mm，远小于地表沉降监测控制值30mm。

3、总结

通过以上数据分析可得出，地下水回灌运行期间坑外地表沉降受地下水位抬升幅度影响较大，在水位抬升较快的时段地表沉降数据也相应有较大波动；在水位处于缓慢抬升及水位维持时段地表沉降数据也相应趋于稳定，并保持在一个区间范围内。同时通过沉降累计变化量可知，地下水回灌能够有效控制基坑周边地表沉降。

在持续进行回灌运行期间，根据稳定后的地表沉降监测数据对后期降水期间坑外地表沉降情况进行模拟预测，预测在后期降水运行100天坑外因降水引起地表最大沉降量约16mm，出现在对应中部的基坑边缘；距离基坑50m范围内，最大地表沉降量约10mm，满足地表沉降控制值（30mm）要求。具体见下图所示：

图4-5降水运行100天坑外地表沉降等值线图

5结语

天津地铁10号线金贸产业园站通过采用降水与回灌一体化技术进行地下水回灌，对坑外地下水的稳定起到了维持作用，有效控制了基坑周边地表及建筑物沉降，同时明确了回灌运行期间的关键控制指标及标准，揭示了回灌运行期间坑外地下水位与地表沉降的关系。通过对回灌运行数据进行分析总结，得到如下结论：

1、明确在天津复杂地层条件下实施回灌技术是可行的，通过回灌技术的应用对基坑外承压水水位进行调控，能够有效维持坑外地下水的稳定，保证基坑降水期间周边环境的安全。

2、在地下水回灌运行期间，回灌压力是关键控制指标，回灌水量返还比是辅助控制指标。应重点对回灌压力进行控制，通过控制回灌压力来对调控回灌水量。回灌压力控制标准宜为0.1MPa，最大不宜超过0.16MPa。

3、地下水回灌技术是对第三承压水水位稳定的维护性措施，能够对地下水的稳定起到一定的积极作用，但较难将地下水位进行持续抬升。

4、在地下水回灌运行期间，坑外地表沉降受地下水位抬升幅度影响较大，在前期地下水位快速抬升阶段，地表沉降波动较大，在后期地下水位处于维持阶段，地表沉降数据相应趋于稳定，并保持在一个区间范围内。

参考文献

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[2]王国富，路林海，李罡.济南市基坑降水回灌研究与应用.中国城市出版社，2017.

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