富水卵石层抽灌一体化设计与实践

姚武松

（上海长凯岩土工程有限公司，上海 200093）

0 引言

随着我国经济的快速发展，城市化规模不断扩大，建筑行业也在朝着更高更深的方向发展。地下水一直都是困扰深基坑的难题，基坑降水必然导致地下水位的下降，水资源浪费的同时可能会引起周边环境的沉降。现实中往往会采取止水帷幕的形式进行隔水，然而止水帷幕在巨厚的卵石层，止水效果往往很差或不能完全隔断含水层。国内学者对于富水卵石层止水帷幕取得了一些成果。沈杰超等[1]以杭州某工程基坑围护项目为例，证明了超级三轴工法（SSMW）对于5～8m的卵石层止水效果较好，但对于深厚卵石层难以隔断；陈淑芳[2]通过咬合桩在卵石层解决围护桩桩间挡土止水问题的实际应用，验证了咬合桩在卵石层止水的可行性，但施工难度较大。郭锋等[3]通过对北京地区厚卵石潜水层现场回灌试验研究，证明了通过回灌措施可抬升降低的水位。

结合前者的研究成果，可知基坑在卵石层降水可采用特殊工法超级三轴工法或咬合桩的形式进行止水；然而在富水的卵石层往往不能完全隔断，且施工难度较大，造价较高采取抽灌一体化的措施可大大减少工期和造价，同时可减少水资源的浪费，并有效的抬升地下水位，控制周边环境的沉降变形。文中以浙江省某项目为例，对其卵石层敞开式降水引起周边厂房较大沉降，及时采取回灌措施进行保护，并取得显著成效，对于抽灌一体化施工工艺的设计和施工进行总结和归纳，以供类似工程参考和借鉴。

1 工程简介

1.1 工程概况

浙江省某医院项目，主要由1#12F孕产住院楼、2#10F儿科住院楼、3#6F体检、留观病房楼、4#5F行政办公楼、12F的二期预留发展用地、3F裙房、及2F大底板地下室组成。基坑面积为30595m2，周长为783m，基坑开挖深度11.00～12.10m，电梯井下挖2.00～3.80m。基坑采用排桩支护，钻孔灌注桩长20.7m，三轴止水帷幕16.0m，基坑放坡后采用一道混凝土支撑。

基坑东北侧红线外为3幢已建厂房（1～3F，均为预应力管桩基础，桩长约15m，分别为框架结构和钢结构），距离基坑6.80～14.80m。

基坑施工过程中，进行坑内敞开式降水，基坑周边厂房业主投诉厂房出现地坪沉降开裂情况，建筑物周边地坪竖向沉降最大约20mm，厂房主体结构下沉3.0～4.3mm，被要求暂停基坑施工。为保护周边环境，经相关各单位研究决定采用回灌保护措施。

1.2 工程地质和水文地质

场地地貌单元属冲洪积平原。基坑开挖范围内自上而下地层依次为第①0杂填土层、①1塘泥层、②1粉质粘土层、②2中砂层和③淤泥质粉质粘土层；基坑落底于第③层中，局部深坑揭穿⑥1层圆砾层；底板面以下分别为第④粉砂夹层、⑥1圆砾层、⑥2圆砾层和⑩2中风化灰岩层。

场地地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、孔隙承压水和基岩裂隙水。孔隙潜水主要赋存于第①0杂填土层和②2中砂层之中，透水性一般，补给来源主要为大气降水和地下同层侧向径流的补给，水位埋深在现状地表下1.10～4.80m（高程3.90～7.10m）之间。其中②2中砂层在场地内分布不均，局部没有分布，层厚0.00～4.60m。孔隙承压水主要赋存于第④粉砂层和第⑥大层圆砾层之中，水量较大，层顶埋深为12.80～15.60m。水位埋深在现状地表下6.00～6.89m（高程1.20～1.30m）。基岩裂隙水分布于场地下部，主要储存于第⑧大层和第⑩大层的风化裂隙之中。此大层风化基岩裂隙贯通性差，含水量贫乏。剖面图见图1。

图1 典型地质剖面

2 技术难点及处理措施

2.1 难点分析

技术难点在于缺少水文地质参数和回灌可行性研究，主要原因:

（1） 第⑥层圆砾层为承压含水层，厚度较厚，预估渗透系数较大，水文地质参数未知。

（2） 上部第②2层中砂层存在与第⑥层连通的可能性，②2层上部存在塘泥等软弱土，失水后沉降变形较明显。

（3） 止水帷幕进入第⑥层圆砾层1m左右，属于敞开式降水。回灌水量较大，采用自来水作为回灌水源成本较高。

2.2 处理措施

（1） 整合已有地勘资料，并进行现场抽水试验，测定第⑥层卵石层的水文地质参数，测定第②2层和第⑥层的单井回灌量，分析采取回灌保护周边建筑的可行性。

（2） 判断第②2层和第⑥层之间的水力联系强弱。分层布置回灌井，回灌井需设置合理的间距。

（3） 为减少水资源的浪费，采用抽灌一体化技术，利用坑内降水井抽出的同层地下水进行水质处理，作为回灌水源，实现节约水资源的绿色施工理念。

3 现场抽水试验

3.1 抽水试验目的

场地浅部分布有第②2层中砂层，为潜水含水层，分布不均；下部分布有第⑥层圆砾层，为承压含水层。第②2层和第⑥层中间是第③层淤泥质粉质粘土层，前期基坑开挖期间，上部止水帷幕未出现漏水现象。坑内进行降水的同时，坑外监测到第②2层水位同步下降，需对第③层隔水效果进行试验判断。目前地质勘察资料并未给出第⑥层水文地质参数，因此需对第⑥层进行抽水试验测得该层的渗透系数、储水系数等水文参数，同时需测得第⑥层和第②2层的单井回灌量，为后期抽灌一体化设计和施工提供依据。

3.2 抽水试验安排

抽水试验地点选择场地内远离保护建筑区域，尽量较小试验期间对周边环境的影响。试验井设计了2口第⑥层的抽水井（井深27m，井间距10m），垂直于抽水井轴线中心方向设计2口第⑥层的观测井，同时其中1口兼做回灌井（井深27m，井间距15m），平行于第⑥层观测井方向设置2口第②2层的观测井，同时其中1口兼做回灌井（井深9m，井间距15m）。试验井孔径均为650mm，井径273mm，外包单层60目密目网；抽水井采用桥式过滤器，滤料采用中粗砂；回灌井采用缠丝过滤器，滤料采用瓜子片。抽水井采用出水量50～100m3/h的水泵。

试验安排分为第⑥层单井试验、第⑥层群井试验、第⑥层单井回灌、第②2层单井回灌。考虑到卵石层颗粒级配较大，试验成井采用反循环钻机，成井期间反出的卵石最大直径超过15cm。水位观测采用DT80数据自动监控系统，进行数据实时自动采集。

3.3 抽水试验数据分析

对抽水试验取得的数据进行处理分析，运用《Aquifer Test》软件将单井抽水试验同层位观测井实测曲线与标准曲线进行拟合，可计算得出相关水文地质参数，同时使用公式法进行计算渗透系数[4]，取配线法和公式法计算结果的平均值作为建议参数值，并用Visual ModFlow软件进行反演验证计算得到的水文地质参数是否合理。理论公式计算：

式中，S1，S2为观测井降深，m；Q 为抽水井流量，m3/d；r1，r2为观测井与抽水井距离，m；M 为含水层厚度，m。

配线法计算结果如图2所示，Visual ModFlow反演模拟图如图3所示。

图2 配线法计算水文地质参数

图3 Visual ModFlow反演模拟

3.4 抽水试验成果

（1） 第⑥层抽水期间，第②2层水位同步下降，第⑥层与第②2层水力联系相对密切。

（2） 利用公式法计算和Hantush-Jacob配线法计算第⑥层的水文地质参数，并经Visual ModFlow软件进行反演验证，综合得出场地内第⑥层的水文地质参数，渗透系数为67.00m/d，储水系数为0.00129。

（3） 第②2层回灌采用常压回灌，单井平均回灌量11.82m3/h；第⑥层回灌采用常压回灌，单井平均回灌量22.06m3/h。单井回灌期间观测井水位抬升17.5%，回灌效果较明显，采取回灌措施保护周边建筑可行。

4 抽灌一体化

4.1 抽灌一体化设计

根据抽水试验取得的相关参数进行抽灌一体化设计，采用软件Visual ModFlow进行三维渗流数值法计算，建立水文地质概念模型，并建立相应的三维地下水运动非稳定流数学模型[5]，进行抽灌一体化模拟:

对整个渗流区进行离散后，采用有限差分法将上述数学模型进行离散，得到数值模型，计算、预测降水引起的地下水位的时空分布[6]。根据模型确定最终的回灌设计，靠近受保护建筑区域布置第②2层回灌井，井间距5m/口，远离保护建筑区域井间距10m/口，共布置45口，井深8～9m；靠近受保护建筑区域布置第⑥层回灌井，间距5m/口，远离保护建筑区域井间距10m/口，共布置54口，井深27m。均采用缠丝过滤器，滤料采用瓜子片。回灌管道总长465m，群井回灌状态下总回灌量3890m3/d，持续回灌4个月。抽灌一体化模型预测水位降深如图4所示。

图4 抽灌一体化模型预测水位降深

4.2 抽灌一体化智能系统

为减少坑内降水对周边环境的影响，坑外采取回灌措施对周边建筑进行保护。鉴于回灌量太大，采用自来水作为回灌水源将增加额外的成本，同时坑内抽出的地下水不加以利用将造成资源上的浪费。秉承绿色施工的理念，采用抽灌一体化技术将坑内抽出的同层地下水加以处理，作为回灌水源，减小了水资源上的浪费，同时对地下水资源得以保护[7]。

抽灌一体化系统包括控制箱、集水池、水质处理箱和自动回灌装置。控制箱主要通过控制增压泵来控制回灌管道压力，确保满足回灌量的需求。集水池规格长2.0m、宽1.5m、深2.0m。水质处理箱长3.0m、宽2.0m、深1.5m，最大过水处理能力250m3/h。回灌管道选用直径273mm的防锈钢管。自动回灌装置在井内水位上升到井口以下0.5m时自动维持水位稳定。抽灌一体化系统三维模型如图5所示。

图5 抽灌一体化系统三维模型

坑内抽出的水可能含有砂土颗粒和铁离子，需经过水质处理箱处理后才能进行回灌，否则容易堵塞回灌井的滤管。水质处理箱滤料选用优质锰砂可对砂土颗粒土和铁离子等有害物质进行处理，同时具有自动反冲洗功能，定期对水质处理箱进行反冲洗，确保水质处理达到预期效果。其次回灌过程中回灌井需定期进行回扬，防止回灌空隙被杂质或铁锈堵塞。回灌井口安装自主研发的大流量常压自动控制装置进行控制回灌，水位达到设计水位标高后，井内水位自动维持在设计水位，无需人工控制，大大节约了人力，达到自动控制的效果。

4.3 抽灌一体化施工工艺

回灌井的成井质量直接影响回灌系统的回灌能力。为实现良好的回灌效果，应根据地质条件，选择合适的成井工艺，严格控制泥浆指标，选择合适的回灌井结构。这里回灌层位主要为卵石层和中砂层，选用反循环钻机可有效的将卵石反上来，钻进效果比普通钻机效率高。成井过程中对于泥浆的把控至关重要，卵石层渗透系数较大，极易出现急性漏浆的现象。因此成井过程中需严格把控泥浆比重，同时不能影响井的出水量，钻进过程中为防止塌孔和漏浆，泥浆比重控制在1.10～1.15，洗井后泥浆比重控制在1.05左右。防止泥浆过重导致出水量大大减小，同时也避免了泥浆过低而出现塌孔漏浆现象。实际操作中未出现漏浆塌孔现象，单井出水量达到了78m3/h。

回灌井结构采用缠丝过滤器，外包单层60目密目网，滤料使用瓜子片，滤料上方采用优质黏土球止水，并使用混凝土封顶。回灌过程中，坑内降水井抽出的水集中到集水池里，然后经过水质处理箱处理后，由增压泵送到各回灌井，井口由自动控制装置控制流量的大小。

鉴于回灌地层埋深较浅，不适宜采用加压回灌；参考现场抽水试验单井回灌量数据，常压回灌满足设计需求，综合考虑设计采用大流量常压自动回灌。大流量常压回灌系统实物图如图6所示。

图6 大流量常压回灌系统实物图

4.4 抽灌一体化效果分析

回灌从2021年3月26日陆续开启回灌井回灌，沉降监测点在开启回灌后，点位高程抬升一段后保持稳定，随着基坑的开挖，坑外沉降得到了有效的控制。2021年7月21日停止回灌，历时4个月，基坑施工完成后，东北角受保护区域坑外监测点最大抬升累计1.45mm，最大沉降累计-6.56mm，远小于控制值，周边环境得到了有效的保护，表明项目采用抽灌一体化技术保护周边环境有效、可行。沉降监测历时变化曲线图如图7所示。

图7 沉降监测历时变化曲线

通过对现场实测抽灌一体化过程中沉降监测数据的整理和分析，可发现以下规律：①回灌保护区域内的沉降监测点随回灌井的开启，同步抬升到一定程度后保持稳定；②大部分沉降监测点在整个回灌过程中基本保持稳定；③回灌持续2个月后，回灌井布置薄弱区域，个别监测点以缓慢的速率沉降，主要原因是水质处理有限，长时间的回灌造成回灌井堵塞，导致回灌量的下降；同时不同区域回灌井井间距的布置也是影响整体回灌效果的较大因素；④抽灌一体化在富水卵石层敞开式降水的实例中达到了预期的目的，可见该技术作为一种保护周边环境的措施有效，可行。

5 结语

通过对富水卵石层敞开式降水实例采用的抽灌一体化技术措施进行研究和分析，得到以下成果和规律：

（1） 通过回灌措施可有效抬升周边监测点高程；沉降监测点在整个回灌过程中基本保持稳定；回灌水质和井间距是影响回灌效果较大的因素。

（2） 通过现场抽水试验确定相关参数，我们利用Visual ModFlow建立水文地质概念模型，进行三维渗流数值法计算分析抽灌一体化技术方案的可行性较为合理。

（3） 抽灌一体化智能回灌系统节约了大量的水资源，对于推动绿色施工具有重要的作用，为类似工程提供了参考意义。