仲志武

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

我國經(jīng)濟蓬勃發(fā)展,地下城市空間建設(shè)逐漸成為影響城市發(fā)展的重要因素,基坑朝著深、大、長方向發(fā)展,對于超深基坑的開挖,為避免承壓水突涌破壞,多數(shù)工程選擇對承壓層進行減壓;而承壓層減壓不可避免地導(dǎo)致基坑外的承壓層水位下降,從而引發(fā)地面沉降[1-2]。為降低基坑降水帶來的影響,施工中常采用止水帷幕截斷基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

目前,諸多學(xué)者針對深基坑工程降水及止水帷幕設(shè)計開展了研究。金小榮等[3]通過數(shù)值模擬分析得出:隨著止水帷幕深度增加,基坑周圍土體總沉降和不均勻沉降減小;戴斌等[4]依據(jù)施工經(jīng)驗分別探討止水帷幕隔斷與未隔斷承壓含水層時,深基坑承壓水降水技術(shù)手段;焦志亮等[5]運用三維有限差分法模擬地下水沿止水帷幕的繞流,結(jié)果表明,縮短基坑開挖工期可減小對周邊環(huán)境的影響,并指出降水設(shè)計前進行抽水試驗的必要性。

天津地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,承壓含水層深且厚,當基坑深度較大時,若完全截斷承壓含水層,止水帷幕的深度需達50 m以上,一方面造價高昂,另一方面施工質(zhì)量難以保證。因此,在基坑降水期間,部分工程采用懸掛式止水帷幕,并結(jié)合基坑外地下水回灌技術(shù)來控制基坑外的地下水位[6-8],從而控制承壓水減壓引發(fā)的坑外沉降。鄭剛等[9-11]在天津地區(qū)嘗試開展承壓水回灌試驗,結(jié)果表明:采取合理回灌措施能夠有效限制基坑外承壓含水層水位下降及建筑物沉降。

采用懸掛式止水帷幕的基坑工程中,由于地連墻未完全截斷承壓含水層,考慮到施工安全,土層參數(shù)的選取及降水方案的設(shè)計尤為重要[12-13]。

俞建霖等[14]提出利用地下水回灌的方式控制降水對基坑周圍建筑物的影響,并結(jié)合理論計算,提出回灌設(shè)計方案,成功應(yīng)用于杭州市某砂性土地基基坑開挖工程實踐中,為回灌保護提供了依據(jù),該方法可靠度高、經(jīng)濟性優(yōu)良、適用性廣泛。在其他地區(qū),吳建中等[15]和Zhang等[16]針對淺層承壓含水層的地下水人工回灌技術(shù)提出了優(yōu)化與改進,在上海市淺層承壓水地質(zhì)條件下進行了回灌試驗,分析了該條件下地下水人工補給效果,探討了其適用性與經(jīng)濟性。

天津地鐵6號線某地鐵車站基坑工程場地承壓含水層較厚,地連墻未截斷承壓水,且基坑南側(cè)存在高層建筑群,需采取回灌方式對建筑物進行保護。本工程場地承壓含水層多以粉砂、粉土為主,盡管天津市此前曾進行過回灌試驗，并取得較好效果,但對于此類滲透系數(shù)較小的承壓含水層,特定場地的回灌可行性及水文地質(zhì)參數(shù)仍需進一步進行試驗研究和驗證[17-19]。

本文通過在天津地鐵6號線某地鐵車站基坑開挖前開展回灌試驗,探究采用懸掛式止水帷幕時承壓含水層的降水規(guī)律,通過數(shù)值模擬計算場地水文參數(shù),研究場地回灌效果及規(guī)律,以指導(dǎo)基坑外建筑物回灌保護方案的設(shè)計,為后期基坑開挖施工中承壓含水層降水和回灌運行提供理論支持,也為類似工程提供實例參考。

1 工程概況

1.1 地理位置及周邊環(huán)境

天津地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,承壓含水層多以粉土、粉細砂為主,其滲透系數(shù)顯著小于傳統(tǒng)意義上以砂卵石、中粗砂為主的承壓含水層滲透系數(shù),回灌可行性值得研究。本工程西北側(cè)為某大學(xué)校區(qū),距離較遠;西南側(cè)為空曠場地;北側(cè)緊鄰建筑施工場地,試驗期間正處于樁基施工階段;南側(cè)為高層住宅小區(qū),地下連續(xù)墻與高層建筑之間直線距離最近僅60 m,且南側(cè)地下管線眾多,整體環(huán)境復(fù)雜。

1.2 地質(zhì)勘測

據(jù)地質(zhì)勘測資料顯示,場區(qū)潛水靜止水位埋深較淺,常年浮動于1.2到2.5 m之間,承壓水以第Ⅱ陸相層中的黏性土為相對隔水頂板。表1為場地土層勘測結(jié)果。由表1可知：⑦與⑧1粉質(zhì)黏土為微透水層,可視為潛水含水層與承壓含水層的相對隔水層。承壓水主要賦存于第Ⅱ陸相層及其以下粉土、粉砂層中,因1粉質(zhì)黏土層較薄且不連續(xù),本場地可將⑧2黏質(zhì)粉土、⑨2粉砂、⑩2粉砂與2粉砂視為第一承壓含水層,承壓含水層水頭大沽標高為-4.5 m,即埋深7.0 m。此場地第一承壓含水層頂板埋深22.8 m,含水層深度較厚,底板深達47.5 m。

表1 場地土層勘測結(jié)果

1.3 基坑圍護工程

本車站主體為地下二層島式站臺,基坑底板位于⑦粉質(zhì)黏土持力層,埋深17 m。車站地下連續(xù)墻墻趾埋深32 m,位于⑨2第一承壓含水層中?？梢娫摰貐^(qū)水文地質(zhì)條件復(fù)雜,承壓含水層深厚,地下連續(xù)墻未完全隔斷承壓含水層,基坑內(nèi)降水引發(fā)基坑外緊鄰建筑沉降的風(fēng)險較高。

2 降水試驗

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

由于本車站緊鄰高層建筑,且地下連續(xù)墻并未截斷第二承壓含水層,施工期間需要進行大幅度減壓降水。減壓降水將對南側(cè)高層住宅樓及北側(cè)建筑施工場地造成較為嚴重的影響,引發(fā)建筑物沉降開裂。因此,應(yīng)采取合理措施減少由降水引發(fā)的建筑變形及地表沉降,確保施工和周邊環(huán)境安全[20-22]。

采用地下水人工回灌是控制地面沉降的有效途徑之一[23-24]。本車站主體基坑開挖前進行了抽水回灌試驗,通過現(xiàn)場回灌試驗,驗證地下水回灌控制地表沉降的可行性,根據(jù)場地回灌試驗效果和水文參數(shù)制定最佳回灌方案,以便控制周圍重要建筑沉降,完善回灌理論,推動回灌技術(shù)在實際工程中的應(yīng)用,保證基坑開挖期間承壓水抽降施工安全。

2.2 觀測井與監(jiān)測點平面布置

本車站現(xiàn)場抽灌試驗的觀測井平面布置及各監(jiān)測點布置如圖1所示。由圖1可知:基坑南側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)布置1口承壓水觀測井G11,外側(cè)布置10口承壓水觀測井G1—G10,潛水觀測井Q1,主回灌井H1,備用回灌井H2;建筑沉降監(jiān)測點F1—F6分別布置在緊鄰基坑南側(cè)的建筑周圍。

圖1 觀測井及監(jiān)測點布置Fig.1 Wells and monitoring points distribution

2.3 試驗方案

試驗期間,基坑南側(cè)地下連續(xù)墻基本打設(shè)完畢。對主回灌井H1進行抽灌試驗，當H1堵塞或出現(xiàn)其他狀況時,啟用備用回灌井H2，H1抽灌期間,回灌井H2視為承壓水觀測井。

試驗共分3部分:①主回灌井H1單井抽水試驗;②主回灌井H1單井回灌試驗;③主回灌井H1加壓回灌試驗。試驗期間通過調(diào)整水泵閥門控制流速,定期觀測各觀測井水位及建筑沉降變化,具體工況見表2。

表2 抽灌試驗工況

3 試驗數(shù)據(jù)分析

3.1 抽水試驗

抽水試驗共進行3組,每組均分為兩梯度對H1進行抽水,各梯度流量及抽水時間如表3所示。

表3 抽水試驗工況

每組抽水試驗需先開啟大泵抽水(流量約4.8 m3/h),待各觀測井水位平穩(wěn)后開啟小泵抽水(流量約3.2 m3/h),直至水位再次平穩(wěn),結(jié)束試驗,水位恢復(fù)。抽水試驗期間,各觀測井的水位實時變化如圖2—4所示。

圖2 2020年7月8日抽水試驗水位變化曲線Fig.2 Variation of water level curves of pumping test on 8th July, 2020

圖3 2020年7月12日抽水試驗水位變化曲線Fig.3 Variation of water level curves of pumping test on 12th July, 2020

圖4 2020年7月25日抽水試驗水位變化曲線Fig.4 Variation of water level curves of pumping test on 25th July, 2020

為校核場地土質(zhì)參數(shù)并驗證抽水效果,根據(jù)鉆探及勘察資料可知,抽水試驗場區(qū)第一承壓水含水層巖性較均勻,厚度較穩(wěn)定,地下水運動為層流。飽和介質(zhì)中三維地下水流動的控制方程符合達西定律與質(zhì)量守恒原理[25-26]。地下水流在多孔介質(zhì)中的控制方程為[27]

(1)

式中:kij為各向異性滲透系數(shù),q為流量,Ss為貯水系數(shù),t為時間,H為地下水水頭,xi為i方向距離,xj為j方向距離。

一般采用Dupuit公式計算該場地平均滲透系數(shù)(k),如式(2)所示。

(2)

式中:M為含水層厚度，s1為抽水穩(wěn)定時觀測井1的水位降深，s2為抽水穩(wěn)定時觀測井2的水位降深，r1為觀測井1與抽水井的距離，r2為觀測井2與抽水井的距離，Q為抽水井出水量。

每組抽水試驗隨機選取4口觀測井實測值,將3組抽水試驗數(shù)據(jù)分別代入,求得該場地平均滲透系數(shù)k=3.59 m/d,該值大于場地勘測報告的推薦值(2.00 m/d),說明該場地承壓含水層滲透性較好。根據(jù)Jacob直線圖解法求得導(dǎo)水系數(shù)(T)與貯水系數(shù)(Ss)的關(guān)系,如式(3)所示。

(3)

式中:s為觀測井水位降深，r為觀測井與抽水井的距離。

將數(shù)據(jù)代入，并進行曲線擬合,求得Ss=0.005 9,T=165.27 m2/d。

當每組抽水試驗的觀測井水位最終平衡時,H1抽水井抽水流量約為8.0 m3/h,水位下降6 m左右。抽水流量變化后的1 h內(nèi),各觀測井水位下降幅度較大;4 h后水位基本達到平穩(wěn);停抽后,各水位迅速恢復(fù)。抽水試驗期間,各承壓含水層觀測井水位降深隨H1抽水流量的增大而增大,且水位變化趨勢相同,說明H1抽水效果與各承壓含水層觀測井水位監(jiān)測效果良好。

抽水試驗期間,各承壓含水層觀測井水位同步變化,但潛水觀測井Q1水位幾乎沒有變化,說明該場地潛水層與承壓含水層之間無水力聯(lián)系,⑧1粉質(zhì)黏土層隔水性較好。

根據(jù)各組抽水試驗結(jié)果,繪制出觀測井和抽水井的距離和降深曲線,如圖5所示。由圖5可知:基坑外距H1最近處的G4觀測井穩(wěn)定時水位降深約為1.4 m,距H1最遠處的G10觀測井水位降深約為0.4 m,其余各承壓含水層觀測井均有0.5～1.2 m左右的沉降。因此,該場地承壓含水層滲透性較好,且H1的抽水影響半徑較大。此外,利用根據(jù)實測數(shù)據(jù)求得修正后承壓含水層水文參數(shù)(Ss=0.005 9、k=3.59 m/d),運用Visual Modflow有限差分軟件進行模擬所得到的水位降深曲線同樣繪制于圖5中,模擬與實測曲線較為接近。

圖5 觀測井抽水試驗水位變化曲線Fig.5 Variation of water level curves of observation well during pumping tests

基坑內(nèi)承壓含水層觀測井G11距H1回灌井14.8 m,穩(wěn)定時水位降深為0.35 m;距H1等距離的基坑外觀測井G1、G2穩(wěn)定時水位降深達0.65 m,該現(xiàn)象可以說明,懸掛式止水帷幕在一定程度上能夠減小基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。

3.2 單井回灌試驗

回灌試驗共進行4組,為保證回灌效果明顯,每次回灌前對G6抽水使承壓含水層減壓,待觀測井水位穩(wěn)定后對H1進行回灌。抽水及回灌流量如表4所示。

表4 回灌試驗工況

承壓含水層減壓期間,G6抽水流量約為7.6 m3/h。待各觀測井水位穩(wěn)定后,在此基礎(chǔ)上進行回灌。現(xiàn)場使用自來水回灌,水質(zhì)較佳。開啟回灌后,將H1水位回灌至井口,回灌期間G6保持抽水狀態(tài),待各觀測井水位平穩(wěn)后停止試驗,水位恢復(fù)。各觀測井水位時程變化曲線如圖6—9所示。

圖6 2020年7月7日回灌試驗水位時程曲線Fig.6 Curves of water level of recharging test on 7th July, 2020

圖7 2020年7月9日回灌試驗水位時程曲線Fig.7 Curves of water level of recharging test on 9th July, 2020

圖8 2020年7月14日回灌試驗水位時程曲線Fig.8 Curves of water level of recharging test on 14th July, 2020

圖9 2020年7月26日回灌試驗水位時程曲線Fig.9 Curves of water level of recharging test on 26th July, 2020

2020年7月14日的試驗中,回灌試驗前期對承壓含水層減壓,G6單井抽水使H1回灌井水位降深至6.5 m處左右,各觀測井水位均有一定下降,抽水漏斗曲線如圖10所示。隨后H1回灌至井口,約4 h后各觀測井水位變化穩(wěn)定。

回灌試驗期間,由于各承壓含水層觀測井與回灌井H1距離不同,其水位變化最大值也不同,距回灌井不同位置處的觀測井水位抬升如圖11所示。由圖11可知:H1附近觀測井G4、G5水位變化約1 m；而距H1主回灌井50 m遠處的G10觀測井,回灌穩(wěn)定后水位變化約為0.35 m。承壓含水層觀測井水位變化最大值隨與H1回灌井距離的增大而減小,離回灌井越近,回灌引起的水位抬升效果越好。

回灌后,由于G6抽水引發(fā)的水位降低均有所恢復(fù)(圖10),其中在回灌井一側(cè),所有觀測井水位均高于未進行試驗時水位。由此可見,本場地回灌效果良好,回灌可以有效恢復(fù)因抽水而降低的水位。

圖10 2020年7月14日抽灌模擬與實測對比曲線Fig.10 Comparison of simulation and measurement curves of recharging test on 14th July, 2020

圖11 觀測井回灌水位變化曲線Fig.11 Variation of water level curves of recharging test

根據(jù)表1地質(zhì)勘查資料中地層劃分厚度及式(2)計算得出的承壓含水層滲透系數(shù)(k),使用Visual Modflow有限差分軟件對回灌試驗進行模擬,水位擬合與實測曲線基本一致,說明在進行回灌錐計算時,可以近似采用抽水試驗獲得的水文參數(shù)。2020年7月26日補充試驗的回灌流量為5.2 m3/h,與此前的回灌試驗相比,回灌速率降低了1/4,各觀測井水位變化最大值也相應(yīng)減小。H1附近的G4觀測井水位變化量從1.25 m降至0.98 m,距H1較遠的G10觀測井水位變化量也從0.38 m降至0.29 m,說明水位變化量與回灌流量成正比。

通過數(shù)值模擬與實測分析可得出,各承壓含水層觀測井水位變化趨勢符合達西定律與質(zhì)量守恒原理,該場地承壓含水層滲透性較好,可以利用地下水人工回灌的方式控制地表沉降,保護周圍建筑安全。

3.3 加壓回灌試驗

2020年7月19日,現(xiàn)場進行了加壓回灌試驗。提前調(diào)試儲水箱與壓力表等裝置,在回灌試驗基礎(chǔ)上,用變頻多級離心泵對H1回灌井進行加壓回灌，其流程與回灌試驗相同,先對G6抽水使承壓含水層減壓,隨后開啟并調(diào)節(jié)離心泵控制回灌壓力,進行不同梯度流量回灌。

加壓回灌試驗共分3個階段,待各觀測井水位平穩(wěn)后進行下一階段增壓。通過調(diào)節(jié)壓力泵控制回灌梯度,其流量分別為9.0、12.5、15.0 m3/h,回灌時長和壓力如表5所示。當加壓回灌進行至第3階段時,約1 h后,距H1回灌井南側(cè)5 m遠處的G4觀測井水位驟然上升,隨后G4井壁外側(cè)地表出現(xiàn)涌水現(xiàn)象,發(fā)生水力劈裂。與此同時,回灌井H1壓力表示數(shù)驟減,井內(nèi)壓力減小,試驗中止。

表5 加壓回灌試驗工況

加壓回灌試驗期間,各觀測井水位變化時程曲線如圖12所示,其中G4觀測井由于后期井壁涌水,監(jiān)測數(shù)據(jù)無效,其余觀測井數(shù)據(jù)正常。

圖12 加壓回灌試驗水位時程曲線Fig.12 Curves of water level of pressurized recharging test

由圖12可知:隨著增壓泵壓力的增大,各承壓含水層觀測井水位變化幅度增大,而潛水觀測井水位幾乎不變。與此同時,H1回灌井井口處壓力表示數(shù)不斷增大,每階段開始約2～3 h后,壓力表示數(shù)才趨于平穩(wěn),井中壓力增大與水位上升有相互抵消作用,需更長時間才能達到回灌穩(wěn)定效果。

G4觀測井發(fā)生水力劈裂時,H1回灌井井口處壓力表示數(shù)為0.14 MPa,說明該場地加壓回灌設(shè)計值不得高于0.14 MPa,否則容易出現(xiàn)回灌井或觀測井井壁水力劈裂現(xiàn)象,從而導(dǎo)致井壁處涌水,影響回灌效果及正常運行。

與自然回灌相比,加壓回灌可在短期內(nèi)迅速使各承壓含水層觀測井水位上升。開啟增壓泵0.5 h后,各觀測井水位變化均已達穩(wěn)定變化最大值的90%以上,而該過程在自然回灌中需經(jīng)歷2 h左右。自然回灌情況下,最大回灌流量為6.9 m3/h,而加壓回灌可以將回灌流量提升至12.5 m3/h,提高了80%左右。由此可見,加壓回灌效率較高。此外,H1附近10 m內(nèi)的觀測井在流量為12.5 m3/h的加壓回灌期間,水位變化最大值均高于自然回灌變化值的60%以上,加壓回灌效果顯著高于自然回灌效果。因此在實際工程中,可采用加壓回灌的方式提高回灌效率,進而減少回灌井的數(shù)量,既能夠方便、快速、高效回灌,也具有較高經(jīng)濟價值。

3.4 建筑沉降監(jiān)測

抽灌試驗期間,對場地南側(cè)高層建筑進行沉降監(jiān)測,在其周圍環(huán)繞布置沉降監(jiān)測點F1—F6,每天早、午、晚各測量一次,確保建筑物安全。試驗期間,臨近建筑沉降變化如圖13所示。

圖13 回灌試驗建筑沉降監(jiān)測點時程曲線Fig.13 Curves of building settlement of recharging test

由圖13可以看出:抽灌試驗期間，建筑沉降最大值約為4 mm,隨后恢復(fù),各點沉降均不超過2 mm。初步分析,該現(xiàn)象可能是由加壓回灌期間G6連續(xù)抽水減壓導(dǎo)致。因此在類似工程中,承壓含水層抽水減壓期間應(yīng)加密對周邊建筑沉降的檢測;若建筑沉降超過預(yù)警值須及時停止抽水,確保臨近建筑安全。

4 結(jié)論

本文對天津地鐵6號線車站抽灌試驗進行了分析,得出以下結(jié)論:

1)承壓含水層與潛水層水力聯(lián)系較小,第一承壓含水層滲透性較好?；拥剡B墻隔斷了60%承壓含水層厚度,在抽降試驗期間,基坑內(nèi)承壓含水層觀測井與基坑外等距承壓含水層觀測井最大水位降深相差約50%,說明懸掛式止水帷幕有一定隔斷效果,減小了基坑內(nèi)外水力聯(lián)系。但基坑內(nèi)承壓水減壓,仍然會引發(fā)較顯著的坑外水位降低。因此在類似工程中,若采用懸掛式止水帷幕,需在基坑開挖前做預(yù)降水試驗,全面掌握場地水文地質(zhì)情況及基坑內(nèi)外含水層水力聯(lián)系。

2)回灌可以顯著抬升因承壓層含水減壓引發(fā)的水位降低,驗證了該場地粉砂承壓含水層回灌可行性。在進行回灌錐計算時,可以近似采用抽水試驗獲得的水文參數(shù)。本工程將依據(jù)試驗結(jié)果制定回灌方案,對基坑外靠近建筑一側(cè)開展地下水人工回灌,以控制坑外地下水位和地層沉降,保護臨近建筑。

3)加壓回灌能夠顯著提高回灌效率,將該場地回灌至穩(wěn)定所需時間從2 h縮短至0.5 h,將回灌流量提高約80%。使用加壓回灌代替自然回灌,可達到同樣回灌效果,并可減少回灌井數(shù)量,有較高經(jīng)濟價值。在采用加壓回灌時,應(yīng)當重點監(jiān)測回灌井附近的觀測井水位變化情況。在加壓回灌期間,若觀測井中出現(xiàn)水位驟然上升情況,需保持重點關(guān)注,必要時停止試驗,避免出現(xiàn)水力劈裂現(xiàn)象。該場地若采用地下水加壓回灌控制沉降,回灌壓力不宜超過0.14 MPa。