北京市政路桥股份有限公司工程总承包二部 北京 100071
摘要：伴随着城市交通立体化发展，全国地铁运营里程已经突破4700公里，北京的地铁运营里程已突破600公里。随着地铁线路的增多，地铁结构埋深处于增加趋势。地铁结构深度多位于地下水位线以下，施工过程中需要降水。但是北京位于世界上缺水最严重地区之一的华北平原上，据预测北京市缺水量将逐年增加，水资源形势十分严峻，必须有效的保护和利用地下水资源，将降水抽出的水资源回灌至地下相同水层。在此，本文仅根据北京地铁房山线北延丰益桥南站的降水回灌情况，探索降水抽排区与回灌区的距离对降水效果的影响情况。
关键词：地铁明挖；深基坑；井点降水；降水回灌
1．北京地铁房山线北延丰益桥南站工程概况及降水回灌设计
北京轨道交通房山线北延工程丰益桥南站位于京沪铁路和西三环交叉位置的东北象限内。车站采用明挖法施工。车站为岛式车站，明挖主体结构为地下三/两层框架结构，车站有效站台中心里程为右SK29+551.279， 轨面标高18.797。覆土约为4.6m，底板埋深约27.5m，标准段结构总宽23.1m、总高22.9m。车站总长269m，两层明挖段长67.95m，三层明挖段长201.05m。岛式站台宽度14m，有效站台长118m。车站南端接盾构区间，为盾构始发，北端接暗挖区间。车站共设3个出入口、2组风亭、5个安全疏散出入口及一个无障碍出入口。
目前丰益桥南站地下水位埋深22.5m，为达到无水施工目的必须将水位降深6m。该层地质主要为卵石⑥层，其渗透系数高达420m/d，根据降水设计方案，单井出水量为50-80m3/h，车站涌水量6.9万m³/d，再结合工期计算，整个工程涌水量相当于一个官厅水库的蓄水量，若采取传统外排方式，无疑是对水资源的极大浪费；而且降水在使坑内水位降低的同时, 也使得坑外一定区域内由于地下水位下降土体固结(沉降漏斗), 引起地面沉降, 这对于基坑紧邻建筑物和地下管线等的安全都会造成威胁。考虑到以上因素，决定深基坑井点降水和回灌井联合降水法，在降水区外一定距离施做回灌区。回灌区位于降水区东北部，在丰草河南岸，距离丰益桥南站直线距离约750m，排水及回灌同时进行。回灌区共设计85眼井，其中84眼井为钢管管井，1眼大口井。其中钢管管井分两排，每排42眼井。每眼井间距南北向10m、东西向8m。大口井位于回灌池东部，距离东边坡坡底4.5m。钢管管井设计井深为40m，井径为800mm，管径为529mm，滤水管位置为5-35m，单井回灌量为1920m3/d，采用GF-300型气举反循环钻机成井。大口井井深15m（自回灌池池底计算），井径 2m，井管采用无缝钢管。回灌区主管道采用直径1600mm无缝钢管，支管道采用直径200mm无缝钢管，每根支管均配有阀门。输水主管道采用带筋水泥管1600×160×3000-Ⅱ型号，采用承插口对接接口,水泥砂浆密封，管道坡度i=0.003。 排水流程为：降水区抽水—沉淀池进行沉淀—经由输水管道—流入回灌池。
2．水文地质条件
根据区域动态资料显示，降水区及回灌区地处永定河冲洪积扇中部，第四系地层厚度40m左右。地层岩性以单层砂卵砾石为主，含水层渗透性能好，渗透系数75-300m/d，目前该区地下水位埋深22.5m左右，水位降深2-5m，单井出水量为50-80m3/h。地下水的迳流方向为自西向东流动，水力梯度1.5-2.0‰。
根据《北京轨道交通房山线北延工程北延工程丰益桥南站（含）～终点的岩土工程详细勘察报告》（勘察编号为：房北详勘2015-0809），工程区有两眼观测井分别为水文观测井SW-01、SW-02的水位监测数据及本次钻探揭露：勘察深度范围内共揭露一层地下水，类型为潜水。含水层主要赋存予卵石层中，由于潜水受大气降水影响，水位有一定的变化，变化幅度一般为2～3m。勘察期间实测地下水位（2014.11～2015.5测），丰益桥南站地下水位埋深19.6～24.8m，相应水位标高19.45～20.68m；丰益桥南站～终点地下水位埋深23.2～25.5m，相应水位标高19.56～20.45m。
3．含水层富水性特征
根据历史资料显示含水层岩性及结构特征、富水性不同，本区为第四系含水层主要有单层砂卵、砾石层和2-3层砂卵砾石层。自西向东第四系厚度逐渐增厚，岩性颗粒由粗变细。单层砂卵砾石含水层，第四系厚度一般30-40m，含水层渗透性能好，渗透系数75-500m/d，单井出水量一般在5000m3/d左右。根据勘查结果显示，潜水含水层主要为卵石⑥层。根据岩土工程勘察资料，本工程车站附近进行了一组水文试验。水井施工时抽水试验结果显示地层主要渗透系数范围为108-290m/d。地层主要为砂卵、砾石层，地层渗透系数为200-400m/d。本次野外抽水试验结果显示地层渗透系数为204.92m/d。综合以上，本次选取地层渗透系数为相对保守值200m/d，且靠近本次野外试验结果。
表3.1 场区地下水特征表
4、地下水动态特性
上层滞水的水位随季节的变化而变化，受大气降水、灌溉水及管道渗漏的影响，变化与赋存区域的环境关系密切，没有明显的变化规律。
潜水的动态与大气降水关系密切。每年7至9月份为大气降水的丰水期，地下水位自7月份开始上升，2至3月份达到当年最高水位，随后逐渐下降，至次年的6月份达到当年的最低水位，平均年变幅约为2至3m。
该区域内地下水主要接受大气降雨补给和侧向补给，由西向东流动，侧向流出该区域外。
5、回灌区位置选定
选定丰草河下游段，距地铁降水区约750m的河道南岸做为回灌区，其东西长350m，南北长14m。回灌区北侧距丰草河道6m。回灌现场见图6.1和图6.2。根据降水设计显示，需要对16万m3/d方水进行回灌，布设井数为85眼，包括84眼直径 529mm的管井及1眼直径2m的大口井。
6、回灌区位置合理性数值模型分析
随着计算机技术的迅速发展，地下水数值方法作为一种求解近似解的方法被广泛用于地下水水位预报和资源评价中，是目前定量研究地下水资源量的重要手段。地下水数值模拟的基本目的是预测地下水未来动态，为水质水量评价提供理论依据。
6.1模型概化
该区域主要含水层为第四系松散孔隙水。目前，国际上模拟多孔介质地下水渗流问题，广泛采用的是模块化三维有限差分地下水流模型MODFLOW。
本项目采用基于MODFLOW模型的可视化商业软件GMS。该软件以其良好的使用界面、强大的前后处理功能及优良的三维可视效果，在国内得到普及，使人们从繁杂的手工数据整理、输入等工作中解放出来，提高了数值模型的使用效率。
对该区域进行高度概化，假设第四系厚度为35m，含水介质为均质各项同性。模型概化为一层，空间网格剖分为10m×10m的正方形网格，剖分为约1440000个网格。该区域域地下水流向为自西向东偏南，水力梯度为1.5‰。含水层渗透系数取200m/d，并认为在回灌井回灌的全过程，其渗透系数保持不变，即不考虑回灌可能引起渗透系数减小或堵塞等情况。总回灌量为16×104m3/d，单井回灌量取1920m3/d，86眼回灌井。
模拟区以降水井和抽水井群为中心，充分考虑井群影响半径，以远大于井群影响半径的东西向和南北向大约15km范围为研究对象。
以区域地下水流场为参考，划定模拟区边界。见下图。图中西部的AB边界为定水头边界，水头值为28-30m，东南部CD边界为定水头边界，水头值为15m。其余边界为零流量边界。
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图6.1 区域初始地下水位等值线图
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图6.2 区域初始地下水位等值线图
6.2模拟结果
假设抽水区抽水后始终能维持水位在14.05-14.5m，回灌区回灌量为160000 m3/d。回灌15天后，回灌井水位33.9m，距离地面10.5m；回灌365天后，回灌井水位距离地面5.3m。
表6.1 同时抽灌时回灌井处水位值
图6.5 抽灌同时进行365天后地下水位等值线图
6.3结果分析
在抽水和回灌同时进行，回灌365天后，回灌井水位距离地面5.3m。比单独回灌水位降低2.7m，说明抽水对回灌有影响。根据模拟结果，在施工降水进行中，地下水的回灌会对施工区造成水位的抬高，对正在施工的基坑造成回流。局部地区较无回灌条件高4-6m。在抽水条件下，回灌水位稳定后埋深较大。抽水区与回灌区间距750m能满足降水回灌的平衡状态。
7．结束语
房山线北延丰益桥南站降水回灌工程在北京地铁施工中尚属首例，覆盖面广，涉及到降水、排水、回灌的各个方面，对于本工程的研究为后续的回灌施工起到了指导和示范的作用，在保持水资源方面有巨大的社会效益。北京是极度缺水的城市，降水回灌既避免了水资源的浪费，又给了地下水补给，保持了地下水位的平衡，控制了地层的沉降，体现了减量化、无害化、资源化的治理原则和可持续发展的战略思想，其产生的生态效益使地下水回灌具有广阔发展前景，值得深入研究。
参考文献：
[1] 丰益桥南站地下回灌工程实施方案 北京市水文地质工程地质大队