济南单斜构造地下水资源地段属于鲁中南中低山丘陵山前冲积平原水文地质区, 泰山背斜北翼单斜构造地下水资源亚区^[1,2]。济南地势南高北低, 下部灰岩地层历史上由于受地下水冲刷的影响岩溶裂隙较发育, 地表水系丰富, 是著名的“泉城”。随着城市化进程的发展, 地铁工程日益兴起, 从某种意义上说地铁工程的体量直接代表了城市的现代化水平, 济南正在实施第1轮建设规划3条地铁线路的建设。

地铁工程中首先是基坑工程, 为了保证基坑安全, 基坑工程普遍需要大量降水, 确保基坑开挖处于无水作业环境, 然而基坑降水不当往往会造成地下水资源耗竭以及严重影响周边建 (构) 筑物安全等工程问题。对于济南, 大规模的基坑工程还有一个独特的挑战, 济南是著名的泉城, 独特的水文地质条件是区域地下水系统可持续运行的关键性控制因素, 一旦遭受破坏, 不但泉水不保, 并且极有可能导致济南丧失内在发展动力, 直接关系济南乃至整个山东区域经济建设的正常运转和可持续发展。因此, 如何解决济南城市化进程中基坑降水带来的环境安全与泉水保护的问题成了打造“四个中心”、建设现代泉城的核心关键。

基坑降水回灌是把基坑降水抽取的地下水回补至基坑外含水层中, 由于基坑止水帷幕的存在, 坑内抽取回补至坑外的地下水不仅能够避免浪费地下水资源, 而且可以提升回灌点周边的地下水位, 保持土体有效应力, 减少差异沉降量, 减弱基坑降水对周边建 (构) 筑物的影响。

早在18世纪末, 欧美等国陆续开始进行地下水回灌, 主要采用地表河流渗灌的方法, 解决区域性水位下降的问题^[3]。我国于20世纪90年代末, 在杭州市四堡污水处理厂扩建基坑工程项目中, 首次采用基坑回灌的方法, 力图消除基坑降水对周围环境的影响, 但相关研究明显滞后于工程实践, 主要表现为:没有系统的回灌理论、缺乏回灌设计及施工工艺标准、回灌井易堵塞、抽灌设备集成程度低、回灌与基坑周围环境控制无法协同。

本文以济南轨道交通R1号线基坑工程回灌技术的应用为背景, 归纳整理了不同地层条件下回灌实施过程中的控制要点及各类问题的处理措施。

济南轨道交通R1号线各基坑工程地质总体较为类似^[4,5]。土层从上而下分别为: (1) 杂填土平均层厚3m; (2) 黄土平均层厚5m; (3) 粉质黏土平均层厚7m; (4) 卵石平均层厚6m; (5) 粉质黏土平均层厚5m; (6) 黏土平均层厚4m; (7) 卵石平均层厚7m; (8) 粉质黏土平均层厚5m。

主要土层力学指标如下: (2) 黄土层含水量25.0%、孔隙比0.770、压缩系数0.4 MPa^-1、压缩模量5MPa。 (5) 粉质黏土含水量26.9%、孔隙比0.772、压缩系数0.31 MPa^-1。 (7) 卵石层动探实测击数平均40击。 (8) 粉质黏土层含水量29.7%、孔隙比0.862、压缩系数0.22 MPa^-1、压缩模量9 MPa。地质剖面如图1所示。

R1号线地下水位埋深平均约5 m, 补给来源主要是大气降水和由南部山区向北的地下水径流。受季节变化的影响, 地下水位在丰水季及枯水季变化明显。基坑范围内存在承压水, 含水层主要分布在卵石 (8) ₁层、 (10) ₁层、 (11) ₁层。该区域依据抽水试验成果, 综合渗透系数极高, 达到K=120.0m/d。

目前, 尚未有降水回灌的专项设计和施工规范, 回灌设计多依靠经验, 回灌施工随意性较强, 不规范的设计和施工往往导致回灌井数量设置不合理、回灌实施效果差。针对上述问题, 本文对设计、施工流程及实施要点进行了整理。

降水回灌施工、设计思路如下:首先进行资料收集;然后进行预分析, 目的在于初步分析基坑降水对地下水位控制要求、基坑回灌要达到的要求;然后基于收集的资料及要求, 根据降水设计相关规范如DB37/T059—2016《工程建设地下水控制技术规范》, 初步设计降水井、回灌井, 进行回灌试验, 目的在于进一步验证前期得到的水文地质参数 (渗透系数、含水层间水力联系、储水率等) , 并得到该场地的回灌参数 (回灌量、影响半径、回灌压力的上限等) , 并进行环境水文地质评价, 对于存在地下水环境风险问题, 提出风险措施;然后进行施工前的试运行, 对抽灌系统进行试验, 根据回灌效果情况, 对回灌设计方案进一步优化, 消除存在的风险隐患;最后进行回灌施工运行, 在施工运行中要采取双电源等措施确保回灌安全运行, 并采取定期回扬等措施对回灌井进行保养, 并对地下水环境、基坑围护结构、周围建筑物进行监测, 控制降水回灌对基坑安全及周围环境的影响。回灌设计、施工流程如图2所示。

在现场实施专项的水文地质回灌试验目的如下。

1) 确定含水层地下水初始水位、水文地质参数 (水平渗透系数、垂直渗透系数、储水率等) 、不同含水层间的水力联系等。

2) 提供单井设计回灌量及回灌设计总量。特别需要注意的是, 承压水头较高的粉质黏土区, 室内试验测定的土层渗透系数与现场原位试验测定渗透系数相差较大, 有时可以达到100cm/s的量级, 这与传统的粉质黏土性质相差较大, 通过现场实地取样发现济南承压水头较高的粉质黏土区土层由于常年受承压水位波动的影响, 土层中的微孔道数量较多, 进而导致土层的渗透性增强, 这是导致室内试验与原位试验有差距的根本原因。

为确保回灌井成井质量, 回灌井成井钻进中尽量采用地层自然造浆, 如果地面自然造浆难以实现, 可以适当在泥浆池中加入膨润土辅助造浆。钻进过程中泥浆相对密度应控制在1.05左右, 如果遇到砂层容易产生塌孔, 泥浆相对密度可适当调高至1.2~1.3。整个钻进过程中要求大钩吊紧后慢慢钻进 (始终处于减压钻进) , 避免钻具产生一次弯曲, 特别是开孔时不能让机上钻杆和接头产生大幅摆动。每钻进1根钻杆应重复扫孔1次, 并清理孔内泥块后再接新钻杆, 终孔后应彻底清孔, 直到返回泥浆内不含泥块后提钻。回灌井的成孔质量要求如表1所示。

在压力回灌中, 保证回灌管路的气密性是实现加压回灌的基本条件。如果密封不好, 一方面会导致井管内残留气体堵塞透气孔, 造成气堵;另一方面则会出现回灌水压力无法继续加压, 回灌流量无法增大的情况。

因此, 各种回灌井点的管路装置都必须达到密封要求, 尤其对泵座轴、阀门轴及泵管接头、管路接头等部位应严格密封, 以防进气造成气堵现象, 影响正常回灌。加压回灌还需增加泵管与井管间的密封, 其密封方法和适用条件如表2所示。

济南地区的水质总体是好的, 从抽水到回灌过程中也基本保持了管路的封闭, 但在实际运行中还是发现回灌水中含有部分颗粒物, 为此, 地下水抽取后需进行净化处理。回灌水质处理系统主要包含2部分:第1部分是物理净化, 主要是设置三级沉淀池, 初步过滤掉抽取的地下水中大块颗粒物以及浮在表层的漂浮物;第2部分是化学净化, 核心要素是氧化作用去除离子和絮凝作用, 化学净化具体包括以下4个部分 (见图3) 。

1) 前置过滤层截留水中悬浮物、胶体等颗粒杂质。

2) 氧化过滤层进行氧化, 除去铁、锰等离子。

3) 颗粒截留层过滤地下水中直径>5μm的胶体杂质、悬浮物等。

4) 吸附絮凝层利用吸附絮凝沉淀作用, 进一步除去铁锰并净化。

回灌水经处理后需进行水质检测, 水质需达到地表水三级标准的要求 (即生活饮用水二级) 。地表水环境质量标准指标主要有:p H值、硫酸盐、氯化物、溶解性铁、总锰、总铜、总锌、硝酸盐、亚硝酸盐、非离子氨、总磷、高锰酸盐指数、溶解氧、化学需氧量。

回灌井往往布设在基坑周边, 在项目运行结束后为保证安全、确保道路污水未经处理不下渗入含水层, 回灌井需进行密封。封井措施如图4所示, 通过注浆泵压浆确保回灌井填充密实, 为保证注浆效果, 现场多采用缓凝水泥。

此外, 封井时要求速度要快, 现场应将封井所需物资准备齐全后再进行封井。严禁随意停止水泵进行封井。井口焊接时一定要持证熟练工进行焊接, 做到一次成功。

传统基坑降水系统与回灌系统分离、回灌易产生二次污染, 回灌水量、水质不易监控。为此, 宜通过设置控制系统将各抽灌子系统串联。主要是设置回灌水质处理系统一端与降水井群连接, 另一端依次串接水质监测仪器、加压集水设备、井口装置以及回灌井群, 进而实现抽水系统与回灌系统一体化。抽出的地下水通过回灌水质处理设备以及水质监测仪器进行水质分析, 若符合回灌水质要求, 则进入加压集水系统, 以定流量、定压力等形式进入回灌井;否则, 返回到回灌水质处理设备重新对水质进行分析、处理。

济南轨道交通R1号线王府庄站、大杨庄站等降水回灌工程, 采用该抽灌一体化系统设备, 有效减少了回灌井数量、降低了施工运维成本、节省了工作占地空间, 实现了基坑降水回灌施工运行的简便化、高效化、节约化, 回灌率高达90%以上, 水质指标优良, 施工运行安全可靠。

传统基坑回灌工程, 操控集成化低、设备检修困难、故障率高。针对上述问题, 开发了深基坑原位回灌一体化全过程智能控制系统平台, 该平台将操控指令集成于一块触摸屏 (见图5) , 通过软件系统实现集成控制, 完成了自动控制回灌水泵送系统、自动清洗过滤器等智能控制过程, 确保了软硬件无缝衔接、各项数据实时显示;通过设置电流、电压和温度监控设备, 实现了对电机欠电压、再生过压、过流、过载、短路、过热等问题的实时监控;通过设置监护报警装置, 保障了系统设备的长期稳定运行。长516m、宽20m、深26m的济南R1号线大杨庄地铁车站基坑, 在降水回灌工程中采用该控制系统仅需2人操控。

部分车站在成井过程中遇到直径>40cm的漂石以及钙质胶结砂 (卵石) , 为回灌井的成井带来一定困难。

在施工过程中主要采取以下措施:遇到大块漂石或胶结岩石时, 可扩大回灌井井径, 采用钢护筒跟进成孔, 换成冲击钻或冲击锤, 将石块冲碎后取出。

回灌后井内产生一定量气泡, 大量气泡聚集在井口会阻碍回灌水的流入。此外, 加压回灌条件下, 过大的回灌压力会导致井口漏水。

为确保回灌井井壁密封质量, 能够抵抗1MPa以内的回灌压力, 需对井壁进行注浆特殊处理。为确保注浆封井质量, 可在回灌井外均匀布设4个注浆孔。注浆采用普通硅酸盐42.5级水泥, 水灰比1.0。注浆压力控制在0.8~1.2 MPa, 注浆量宜>220 L/m, 外加剂为水玻璃。

此外, 回灌井井口结构经过改良能够有效防止渗漏, 改良的主要方式是对井口进行分层处理, 主要是黏土球止水层、水泥注浆隔水层、混凝土固定止水层和倒U形井口盖板, 如图6所示。

基坑降水会导致地下水位下降, 进而土壤产生固结, 地下水位不均匀下降会引起周边地面和建 (构) 筑物产生不均匀隆沉、开裂等现象, 为避免建 (构) 筑物沉降, 在建 (构) 筑物周边设置回灌井点是一种有效的措施。

对于以周边建 (构) 筑物保护为目的的回灌, 回灌井回灌水量的大小对回灌成功与否至关重要。回灌水量过小, 建 (构) 筑物周边水位下降过快, 会导致邻近建筑物的沉降^[6];回灌水量过大, 地下水位上升过快则会导致地面隆起。为了实现良好的回灌效果, 确保建 (构) 筑物不产生隆沉, 可在回灌井和建 (构) 筑物之间间隔布置一些观测井, 降水回灌时, 通过观测井反馈的信号对回灌水量进行调整以控制建 (构) 筑物周边的地下水位, 避免土层隆沉。观测井装置如图7所示。

需要注意的是, 观测井的布设要综合考虑回灌水量及地层渗透性, 充分考虑回灌井分布位置、回灌压力等因素, 综合评估建 (构) 筑物周边的水位情况, 避免个别观测井距离回灌井过近导致错误判断。

在基坑降水回灌工程中, 问题出现最多的就是回灌井堵塞。基坑降水回灌发生堵塞时, 一般表现为土层的渗透系数不断降低, 孔隙率逐步减小, 回灌效率持续下降, 回灌设备发热及超负荷运行。回灌堵塞根据其成因可分为3类:物理堵塞、化学堵塞和生物堵塞。

物理堵塞主要有悬浮物堵塞、气体堵塞和压密堵塞3种类型^[7,8]。化学堵塞, 主要是由于含水层由于回灌水迅速而集中地进入地下含水层后, 急剧改变了原来土层和水的平衡状态, 导致新的溶解、沉淀等反应, 改变了土层的渗透特性。生物堵塞主要是由于回灌水中的藻类、细菌等微生物群落在适宜的条件下迅速繁殖, 造成土层透水能力降低。

根据现场经验, 防治基坑降水回灌堵塞的因素主要从回灌井、回灌水源水质等方面着手, 常用的处理方法如表3所示^[9]。

本文以济南地区地铁建设为背景, 介绍了基于水资源保护和周边环境控制为目的的基坑降水回灌工程, 针对实施过程中出现的问题, 总结了实施要点和处理措施。

1) 回灌的实施可有效避免水资源的浪费, 通过改良成井工艺, 改进回灌井结构, 基坑回灌率可达到90%以上。

2) 与传统回灌项目相比, 采用系统性设计、施工流程, 可以大大减少回灌井数量, 提高回灌效率。

3) 通过智能信息平台可以实时监控回灌水质处理情况, 智能循环处理, 此外, 信息集成的管理有效节省人力成本。

4) 通过设置观测井, 将信号浮球的数据传输给回灌系统, 通过精准控制回灌量保证地下水位稳定可以有效避免建 (构) 筑物的隆沉。

5) 施工管理水平在降水回灌中要求更高, 对工艺流程不熟悉、要点不清晰将严重制约基坑工程的实施效率, 工艺不流畅、施工不得当甚至会引发围护结构突水等次生灾害。