摘 要：在我国长三角沿海软土地区，由于水文地质条件较差，基坑开挖过程中止水帷幕出现渗漏的情况较为常见。以上海某建筑基坑项目为例，在发现止水帷幕存在渗漏情况后，为避免基坑开挖过程中抽排地下水对周边环境带来的不利影响，通过建立模型分析计算及采用抽灌一体化的施工方法，同时应用管井改良工艺、自动化控制系统和回灌水质处理系统相结合，人为补给坑外地下水控制周边环境的地表沉降，论证了多工艺相结合后的抽灌一体化在止水帷幕渗漏中的可行性，取得了比传统工艺更好的工程实践、绿色环保和经济效果，可以为后续类似工程起到借鉴作用。
关键词:地下水;抽灌一体化; 周边环境;止水帷幕;
Protection of the surrounding environment of the foundation pit using the integration of
groundwater pumping and recharge
She Jiabei
Shanghai Lujazui Finance and Trade Zone Development Co.,Ltd.
Abstract：In the soft land area along the Yangtze River Delta in China, due to poor hydrogeological conditions, leakage of water stopping curtains during the excavation of foundation pits is more common. Taking the engineering example of a construction foundation pit project in Shanghai, after discovering the leakage of the water stopping curtain, in order to avoid the adverse impact of groundwater extraction on the surrounding environment during the excavation of the foundation pit, through the establishment of model analysis and calculation and the use of integrated pumping and irrigation construction methods, while applying the combination of pipe well improvement process, automatic control system and recharge water quality treatment system, artificially replenishing groundwater outside the pit to control the surface settlement of the surrounding environment, demonstrating the feasibility of the integration of pumping and irrigation after the combination of multiple processes in the leakage of the water stopping curtain, it has achieved better engineering practices, green environmental protection and economic effects than traditional processes, which can play a reference role for subsequent similar projects.
Keyword：groundwater; pumping integration; surroundings; water curtain;
0 引言
近年来随着城市地下空间资源利用的不断发展，建筑基坑的开挖深度也同步加大基坑止水帷幕渗漏和地下水带来的风险日益增加。尤其针对长三角沿海软土地区，本身的水文地质条件很差，当基坑止水帷幕出现渗漏后，基坑外侧地下水会源源不断供给至基坑内，导致坑外地表沉降，对周边环境造成不同程度的损坏。高效应对此问题，并响应国家绿色环保号召、节约工程成本至关重要。
上海某建筑基坑项目在开挖前进行微承压水生产性抽水试验，通过试验结果分析，基坑止水帷幕存在渗漏缺陷。如果不妥善应对，后续基坑内进行减压降水运行时，坑外地下水位将有所下降，进而导致坑外地表发生沉降，影响周边建筑物等环境的安全。针对止水帷幕存在的缺陷，一般采取止水帷幕修补措施，但是造价过高不经济而且对施工工期影响较大。因此通过建立模型分析计算并模拟实践效果的手段，提出一种新型多系统相结合的抽灌一体化施工工艺，与传统应急回灌工艺相比，改良了回灌井结构并结合水质处理、自动化控制系统，提高了回灌效果，适用性更广，更为高效、绿色环保，同时节省了人力、物力，提高了经济效果。
1 工程概况
上海市某建筑基坑项目位于上海市浦东新区，总建筑规模约410 261 m2,其中地上计容面积约264 222 m2,地上不计容面积约2 665 m2,地下不计容面积约143 373 m2。主要功能定位为商业、办公、酒店功能，本项目包括四个地块及其地下空间和地上连桥。
本文所涉及的基坑为其中一个地块，总建筑面积103 611 m2,地上建筑面积73 393 m2,地上计容建筑面积72 679 m2,地上不计容建筑面积714 m2。开挖面积为14 396 m2,普挖区开挖深度为11.85 m, 局部深坑达到15.05 m, 采用两道混凝土支撑。基坑采用ϕ 900@1 100 mm钻孔灌注桩作为围护结构，桩底埋深26 m; 外排800厚TRD止水帷幕，墙底埋深40 m。周边环境复杂保护要求较高，以南侧距离基坑仅有10 m的上海某学校作为本地块施工过程中的重点保护对象。基坑平面图见图1。
本项目场地位于古河道沉积区，主要由黏性土、粉性土和砂土组成，分布较稳定，具有成层分布的特点。可划分为7个主要层次，地基土分布自上而下分别为：第①1层杂填土；第②层灰黄色粉质黏土；第③层灰色淤泥质粉质黏土；第④层灰色淤泥质黏土；第⑤层根据土性差异可划分为⑤1,⑤2,⑤3层3个亚层，第⑤2层又可分为第⑤2-1层、⑤2-2层和⑤2-3层3个次亚层，第⑤3层又可分为第⑤3-1层、⑤3-2层和⑤3-3层3个次亚层，第⑤1层灰色黏土、第⑤2-1层为灰色砂质粉土、第⑤2-2层为灰色粉质黏土夹黏质粉土、第⑤2-3层为灰色粉砂、第⑤3-1层为灰色粉质黏土、第⑤3-2层为灰色砂质粉土夹粉质黏土、第⑤3-3层为灰～深灰色粉质黏土；第⑦层灰色粉砂；第⑨层灰色粉砂。基坑围护剖面图见图2。
场地内存在第⑤层微承压水，其中第⑤2-2层与第⑤2-1层、第⑤2-3层存在一定的水力联系，且第⑤2-2层为弱透水层不具备微承压性。第⑤3-1层可作为隔水层，但因试验场地内⑤3-1层部分缺失或层厚较薄，故⑤2-3层与⑤3-2层存在直接水力联系。水文地质参数见表1。
2 工程重难点
2.1 降水设计
降水设计目的：降低承压含水层的承压水水头，将其控制在安全埋深以内，以防止基坑底部发生突涌，确保施工时基坑底板的稳定性。尽量减少由于减压降水引起的地表沉降以及降水对周边建(构)筑物的不利影响。控制降水引起地面沉降，避免产生较大差异沉降。
降水设计分析：本地块基坑底面设计标高以下存在第⑤2-1层、⑤2-3层以及⑤3-2层微承压水。随着基坑开挖深度的增加，基坑底部距离承压含水层顶板距离逐渐减小，承压含水层顶板处的上覆土压力也随之减小；当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力可能小于含水层中承压水顶托力，导致基坑底部抗突涌稳定性不足引发坑底突涌。必须有效控制承压水水头埋深，防止基坑发生突涌事故。本工程安全系数取1.1,承压含水层水头埋深分别取4.5 m, 5 m, 6 m, 对⑤2-1层、⑤2-3层以及⑤3-2层进行抗突涌稳定性验算。基坑开挖深度与安全水头埋深对应关系见表2。
从表2中得出，本地块只需要考虑降低⑤2-1层微承压含水层水位。根据拟建场地的工程地质与水文地质条件、基坑围护结构特点以及开挖深度等因素，本次设计采用软件Visual ModFlow进行三维渗流数值法计算[1],为降水设计与施工提供理论依据。本计算方法已成功应用于长三角、珠三角等多地的深大基坑工程的降水工程。经过计算，在满足最大设计降深要求时，坑内布置第⑤2-1层减压降水井12口(含3口观测备用井);坑外第⑤2-1层微承压水水位观测井共10口；坑外学校侧第⑤2-1层微承压水回灌井的布设按照间距20 m/口，共布置9口回灌井。降水运行坑内预测基坑水位埋深等值线和降水井平面布置图分别见图3,图4。
2.2 抽水试验
鉴于主体基坑止水帷幕已隔断第⑤2-1层微承压含水层，但整个基坑的降深量较大。为减少降水对周边环境的不利影响，掌握准确的地下水位信息，在基坑开挖施工前开展现场生产性抽水试验，坑内减压井K1～K9作为抽水井，同步记录坑内观测井BG1～BG3和坑外观测井G1～G10的水位数据。试验过程坑内、外水位埋深历时曲线，见图5,图6。
抽水试验结果：本次群井抽水试验过程中，坑内观测井水位可以达到最大设计要求降深；坑外水位普遍下降0.3 m～0.7 m。
抽水试验结果分析：本基坑止水帷幕已隔断第⑤2-1层微承压含水层，理想状态下坑内进行减压抽水，坑外水位不应发生变化。根据本次生产性抽水试验数据显示，坑外水位普遍有所下降，初步判断地墙存在渗漏缺陷，应采取应对措施以避免后期开挖过程中坑内长时间减压运行导致坑外地表沉降，损坏周边环境[2]。
3 施工工艺流程
基坑开挖过程中，坑内降水严格遵循“分层降水”“按需降水”的原则[3],随着基坑开挖深度的加深逐步进行减压抽水开启减压井井数根据现场水位情况进行适当调整，确保水位处于安全状态但不可超降。
坑外采用常压抽灌一体化工艺，回灌工作与基坑正式开挖承压水降压同时进行，做到同抽同灌。回灌水量根据实际水位的变化及时调节，保持抽、灌平衡。既要防止回灌导致坑外水位大幅抬升以至超过初始水位，渗入基坑内对基坑降水造成不利影响，又要防止回灌量过小使地下水位失控影响回灌效果。基坑回灌采用常压自动控制回灌装置，即确保回灌井内水头始终处于初始水位位置，一旦地下水位下降，回灌装置便立刻启动，对其进行回灌补水，确保水头稳定。回灌过程每日观测回灌井周边水位观测井变化情况[4],同时准确及时记录回灌水量，基坑抽水量的变化情况，每日对记录数据进行分析整理，及时掌握回灌运行情况。此外回灌期间重点加强对上海某学校回灌区域地表沉降监测频次，根据监测数据调整基坑降水和地下水回灌。
3.1 回灌水质处理系统
地下水回灌对水质要求较高[5],出现污染的水质严禁进行回灌，而以传统的应急回灌方法多采用市政自来水作为回灌用水[6],既浪费了资源，又不经济。为响应国家绿色环保号召，节约工程成本，本项目通过回灌系统与水质处理系统相结合工艺，直接利用坑内减压井抽出的地下水通过水质处理系统净化处理达标后作为回灌水源，实现抽灌一体化的地下水循环利用，既绿色环保、避免了地下水资源浪费又节约了市政自来水的使用成本。
原水水质中的Fe2+会引起沉淀堵塞，严重阻塞滤网，通过处理水质可改善这一问题，并可以有效去除铁、锰等离子及其他有害杂质。水质处理系统图见图7。
3.2 自动化控制系统
抽灌一体化工艺对日程监测和控制的要求较高，减压运行期间需要24 h不间断监测[7],而传统应对方式过于依赖人工去逐个测量控制，效率较低且精准性较差，当出现紧急情况下不能及时反应。本项目结合自动化控制系统，平台间无线对接，实现远程可视化控制。远程监控系统图见图8,图9。
通过预设水位控制装置，当回灌井内水位低于控制标高时，回灌装置自动控制开启进行回灌；当回灌井内水位高于控制标高时，回灌装置自动控制关闭。始终确保坑外地下水位处于稳定状态，既可以防止少灌导致的坑外地面沉降控制效果差，又可以防止多灌产生的地面抬升。回灌自动控制系统见图10。
3.3 回灌井结构改良
由于回灌井滤管结构部分已进入微承压水区域，微承压水对滤管、滤网会产生较大压力，要求滤管和滤网有足够的强度。传统回灌井滤管构造多采用桥式滤管，滤管强度较高，但孔隙率较低仅可达到15%。而单井回灌量主要取决于滤管的孔隙率，为提高回灌井的回灌效果，对传统滤管结构进行改良，由原来的桥式滤管改良为圆孔滤管加方格钢丝网组合结构，孔隙率可以达到30%,既保证了滤管具有足够抵抗压力水破坏的强度，又提高了滤管的孔隙率，进而增加了单井回灌效果。桥式滤管和改良后圆孔滤管示意图见图11,图12。
通过对两类不同滤管结构的回灌井进行现场实际回灌试验数据对比分析，对比情况见表3。
根据回灌井滤管改良前后实验数据对比发现，当两类滤管长度和直径相同时，单井回灌量与滤管孔隙率有关，滤管孔隙率越大，单井回灌量越大。
3.4 结果分析
本工程自开挖底板阶段开始坑内减压抽水运行，同步进行坑外回灌运行。抽灌一体化运行过程中对坑内外观测井水位、坑外沉降变形等进行加密监测。根据数据统计：坑内9口减压井平均日抽水量为216.32 m3;坑外9口回灌井平均日回灌量为83.65 m3。通过对坑外数据分析，每日坑内外抽灌量基本可以保证坑外水位平衡，同时控制坑外地面沉降并在一定幅度内对坑外地面略有提升[8],保证了上海某学校的安全。运行水位历时曲线见图13。
根据图13可以看出当基坑开挖至底板阶段时，坑内开始进行减压抽水达到设计要求安全水位，坑外同步进行地下水回灌，坑外观测井水位始终保持稳定平衡状态，未发生水位急剧下降趋势。说明抽灌一体化工艺的同抽同灌效果较明显，基本可以保证坑外水位不下降。基坑南侧学校侧地表沉降历时曲线见图14。
根据图14第三方监测单位针对基坑南侧学校的地面沉降历时曲线分析，可以看出当基坑开挖至底板阶段前，沉降数据有持续下降趋势，下降幅度约为0 mm～8 mm。当基坑内开始进行减压运行抽水，同步坑外进行地下水回灌后，一段时间内上海惠灵顿外籍人员子女学校地面沉降数据有回升趋势，回升幅度约为4 mm, 后续沉降数据始终保持稳定状态。说明抽灌一体化工艺对于坑外地面沉降的控制效果较为明显，可以控制减压抽水过程中对坑外环境的影响，在一定范围内还可以起到抬升坑外地面的作用，使得本项目在止水帷幕渗漏的情况下保证了基坑和周边环境的安全。
4 结语
1)通过本项目的成功案例，证实在基坑止水帷幕渗漏的情况下，采用“抽灌一体化”措施对周边环境保护的效果极为明显，节省工程成本，可以为后续类似项目作为参考。
2)验证了采用软件Visual ModFlow进行三维渗流数值法计算在降水设计应用中的合理性，通过设计和施工相结合，更能发挥其作用。
3)基坑开挖施工前生产性抽水试验是非常必要的，可以提前有效检验止水帷幕的封闭效果，进而采取合理、经济应对措施。
4)水质处理系统在本项目回灌系统中发挥巨大作用，既绿色环保又节省工程成本，可以指导后续类似项目。
5)自动化控制系统在抽灌一体化系统中的应用极为有价值，可以高效、精准控制施工，并能及时发现突发情况，节省人力物力，符合信息化时代发展方向。
6)证实了回灌井滤管结构的改良，可以有效大幅提高单井回灌效果，为后续类似回灌项目提供依据。
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