某深基坑工程中的承壓水防治措施

孫 紅

SUN Hong

(杭州市建設工程質量安全監督總站，浙江 杭州310005)

隨著我國城市建設行業的迅速發展，深基坑工程日益增多。工程實踐表明，基坑事故中與地下水有關的約占45%～70%［1-3］，因而地下水防治成功與否直接關系到深基坑工程的安全。不同于潛水與上層滯水，深基坑受承壓水的影響表現出如下一些特征:(1)當坑底至承壓含水層頂板的殘留土層的自重力小于承壓水壓力時，基坑在施工中容易產生突涌現象，如上海浦東煤氣廠過江管線嫩江路豎井基坑工程的突涌破壞［4］。(2)由于承壓水壓力很大，易造成坑底隆起變形與圍護結構變形的增大，影響到基坑的穩定。很顯然，基坑開挖深度過深或承壓水頭過高時，基坑的穩定性不容易得到滿足。此時，如何采取有效措施處理坑底的承壓水問題，防止基坑失穩，值得工程技術人員深入研究。

本文擬結合某過江隧道工作井基坑工程中處理承壓水的成功實踐，探討下伏承壓水層深基坑工程的穩定性與治理問題。

1 工程概況

某過江隧道江南盾構工作井基坑凈長為86.8 m，凈寬為25. 2 m，西線基坑開挖深度為28.79 m，東線基坑開挖深度為29.36 m，中間設備井段基坑開挖深度為24.00 m，為浙江省最深的基坑工程之一。圍護結構采用地下連續墻結構，墻厚1 200 mm，封堵墻厚600 mm，地下連續墻深度為47 m，墻底位于⑧層圓礫、卵石層，共設5 道鋼筋混凝土支撐梁和1 道Φ609 mm×16 mm 鋼管支撐。

根據地質勘察報告，基坑坑底位于④層淤泥質粉質黏土和⑤2層粉質黏土地層中。地下水主要分為第四系孔隙潛水含水層和第四系孔隙承壓水含水層。潛水主要賦存于場區淺部人工填土及其下部粉、砂性土層內，含水層底板大致以④層淤泥質粉質黏土層為界，滲透系數1.49～4.21 ×10-4cm/s。承壓水主要賦存于⑦砂土和⑧層圓礫、卵石層內，上覆④層、⑤層、⑥層黏性土構成了含水層的承壓頂板。含水層頂板標高為-32.67～-24.10 m，厚度大于20 m，透水性良好，受上游側向徑流補給，勘察實測承壓穩定靜止水位埋深為9.30～11.15 m，相對標高為-3.98～-3.80 m(施工期間專業監測單位現場實測承壓穩定靜止水位相對標高-1.99～-2.69 m)，單位涌水量為1.8×103～2.3 ×103L/h·m。可見，承壓水含水層頂標高與工作井東西線深基坑的底標高(東線為-23.56 m、西線為-22.99 m)非常接近，且場區內普遍缺失⑥層土，承壓水上覆層為⑤2層(層底標高為-27.01 m)。承壓頂板的厚度為3.5 m 左右，而存在23 m 左右的水頭差，這給處理下伏承壓水帶來了相當大的困難，且基坑開挖風險也非常大。

2 基坑底板穩定性分析

當基坑開挖到一定深度后，承壓含水層上部土壓力就會小于含水層中承壓水的頂托力，導致基坑底部失穩，誘發突涌現象，需要對基坑底板穩定性進行驗算，并據此給出解決對策。

2.1 基坑底板的穩定條件

基坑底板至承壓含水層頂板間的土壓力應大于安全系數下承壓水的頂托力，即:

式中:H—基坑底至承壓含水層頂板間的距離(m);

γs—基坑底至承壓含水層頂板間的土層的飽和重度(kN/m3);

γw—水的重度，取10 kN/m3;

h—承壓水頭高度至承壓含水層頂板的距離(m);

Fs—抗承壓水穩定安全系數，取1.2。

根據實測承壓穩定靜止水位標高為-2.58 m，⑦2層粉細砂承壓含水層頂板標高為-27.68 m，由式(1)可得出⑦2層承壓含水層在安全系數下承壓水的頂托力為301.2 kPa。由此得出基坑穩定所要求的承壓水水位控制標高，見表1。

表1 承壓水水位控制標高

2.2 基坑底板穩定性驗算

為了保證基坑穩定，根據式(1)可計算出基坑開挖時基坑穩定的臨界開挖深度。地面標高為5.8 m，承壓水頂托力為301.2 kPa，則其臨界開挖深度為17. 56 m。也就是說基坑開挖深度不超過17.56 m 時，可不考慮對承壓含水層采取水頭降壓或隔水等處理措施。但當基坑開挖超過17. 56 m時，下部承壓水的頂托力將大于基坑底至承壓含水層頂板間的土壓力，基坑容易發生突涌現象，基坑開挖不安全，需要采取措施防治承壓水的影響。很顯然，工程的實際開挖深度大大超過臨界開挖深度，需要采取措施進行承壓水治理。

3 治理承壓水的技術措施

全抽水降壓方案、高壓旋噴樁隔滲帷幕輔助坑內抽水降壓方案以及地下連續墻隔滲帷幕輔助坑內抽水降壓方案都具有理論可行性。全抽水降壓方案是在坑內外布置50 口降水井抽水降壓;高壓旋噴樁隔滲帷幕輔助坑內抽水降壓方案是緊貼圍護結構地下連續墻設置高壓旋噴樁帷幕，切斷承壓水含水層，然后在基坑內設置若干口降水井輔助抽水降壓;地下連續墻隔滲帷幕輔助坑內降水降壓方案是在坑外四周3 m 左右設置地下連續墻，考慮該地下連續墻僅為止水隔滲，不承擔基坑圍護的水土壓力，采用素混凝土即可，然后在基坑內設置若干口降水井輔助抽水降壓。為了確保基坑工程安全，最大限度地減小工程施工對周圍環境的影響，最終確定了采用“基坑外素混凝土地下連續墻隔滲帷幕+基坑內減壓降水”的處治方案。

3.1 隔滲帷幕施工

地下連續墻圍護結構1.2 m 厚、深46 m、平面尺寸為86.8 m×25.2 m。基坑外素混凝土地下連續墻隔滲帷幕平面尺寸為94.7 m ×43.1 m，與原地下連續墻三邊相距3 m，與明挖段側相距13 m，連續墻厚0.8 m;設計深度為60.5 m，以進入下臥⑨1層全風化含礫砂巖不小于2 m 作為入巖控制指標，為落底式隔滲帷幕。墻體材料采用C20 素混凝土，其中盾構穿越段采用C15 素混凝土。

根據施工區域的地層特點、施工條件等因素，隔滲帷幕地下連續墻施工采用抓斗和CBC25 型液壓雙輪銑聯合成槽，槽幅間采用“接頭管”法剛性連接，混凝土澆筑采用泥漿下直升導管法。其中，液壓銑性能參數如下:(1)最大開挖深度150 m;(2)開挖尺寸0.8～2 m ×2.8 m;(3)最大起重能力120 t;(4)泥漿泵排量400 m3/h;(5)泥漿凈化設備的處理能力為450 m3/h。

用抓斗抓取上部雜填土、砂質粉土層、粉砂夾粉土和粉質黏土層，采用三抓成槽，先行幅先抓兩端、后抓中間，閉合幅先抓中間、后抓兩端。抓至圓礫卵石層后，使用液壓銑削至孔底，與抓斗相同，分三銑成槽，先行幅先銑兩端、后銑中間，閉合幅先銑中間、后銑兩端。“接頭管法”接頭既延長了滲透路徑，又形成了墻體之間的可靠連接，有利于墻體的抗滲要求。帷幕施工中，需要重點控制以下工程質量環節:

(1)施工區域地下水位較高，容易導致成槽中槽孔失穩、縮孔或坍孔現象，需要對施工區域實施井點降水，將潛水水位降至地面以下6 m 深度。

(2)隔滲帷幕進入⑨1層深度的質量檢驗和確定。為確保隔滲帷幕能夠達到設計隔滲要求，勘察、設計等各方對先期施工的兩幅槽段的槽底出渣進行綜合分析判斷，優化并最終確定隔滲帷幕進入⑨1層全風化含礫砂巖深度的現場控制標準。后期槽段施工中嚴格執行了這一標準要求，每一幅槽段成槽至底部時都由監理方進行基底驗槽。

(3)成槽質量。槽孔的垂直度(孔斜)是地下連續墻的重要參數指標，工程中槽孔深度達到60 多米深，對孔斜的控制顯得尤為重要。導墻施工時已通過準確定位，可以確保成槽施工時槽口位置的準確性。成槽施工前，進行槽孔位置校核。抓斗開槽時，嚴格按照設計槽孔偏差控制斗體下放位置，將斗體中心線對正槽孔中心線，緩慢下放斗體抓取地層土，要求每抓2～3 斗即旋轉斗體180°，以此確保槽孔垂直。在成槽過程中，利用抓斗和液壓銑上的孔斜顯示裝置監控孔斜情況，隨時可以監測成槽的偏斜情況，出現孔斜及時使用糾偏裝置(糾偏板)進行糾偏。地下連續墻隔滲帷幕呈長方形，四個轉角幅均采用兩銑成槽，這樣既有利于拐角處的墻體連接，也縮短了成槽時間，更減小了由于施工成槽時間過長對槽孔穩定性帶來的不利影響。

(4)泥漿質量。定期對施工中的泥漿相對密度進行檢測，當泥漿不符合規定時立即對使用中的泥漿循環處理或換用新漿，直至符合要求。帷幕東側短邊有4 口承壓降水深井，距離外墻邊約2.5 m，暗埋段有1 口承壓觀測井，距離內墻邊約1 m。為減小深井對槽段施工的影響，需要更加嚴格地控制護壁泥漿的性能，并保持漿面至地面的距離不大于500 mm。

(5)清孔質量。槽孔深度深，沉渣處理難度很大，選用的銑槽機要求帶有根據漿液循環原理進行泵吸出渣處理的振動篩設備。清孔標準為孔底淤積厚度≤100 mm，密度≤1. 20 g/m3，馬氏漏斗黏度32～50 s與含砂量＜6.0%。閉合槽在清孔換漿結束前，用專用的刷子鉆具刷洗清除先行槽幅端頭混凝土壁上的泥皮和地層殘留物，以刷子鉆具基本上不帶泥屑，孔底淤積不再增加為合格標準。

(6)墻段連接質量。墻段連接采用“接頭管法”，先行幅澆筑成墻后根據混凝土的初凝時間及澆筑時間的長短確定接頭管的起拔時間，接頭管起拔過程中采用液壓站作為動力裝置，拔管機、履帶吊作為輔助動力設備的裝置進行拔管施工，避免拔管不及時帶來的重大質量事故。

(7)隔滲帷幕墻體質量。地下墻槽孔深度達60多米，混凝土澆筑中可能出現導管阻塞現象。在澆筑導管埋深滿足規范的前提下，提升導管500～1 000 mm，上下活動數次，使混凝土恢復入倉。如果混凝土仍不能順利入倉，在確保導管埋深的前提下，拆卸1～2 節導管。混凝土澆筑時，每隔2 h 取樣進行坍落度、擴散度的現場檢測。隨機在槽口處取樣，制作試塊養護，進行28 d 室內試驗檢測。工程中采用過程控制對墻體的各項指標進行跟蹤檢測，整體工程完成后基坑滲水仍不能滿足后續施工要求時，對墻體的薄弱區域采用灌漿或高壓旋噴等處理。

3.2 降水施工

帷幕雖為落底式隔滲帷幕，考慮到仍存在滲漏的可能性，為確保基坑安全，在隔滲帷幕內布置了減壓降水井及備用井。依據設計方案，素混凝土地下連續墻內共布設7 口降壓井，在暗埋段留設若干口備用井。在全部的隔滲帷幕達到設計強度后，進行降壓井抽水運行現場試驗，調整或決定降壓備用井的施工。

(1)承壓降水井構造。承壓降水井深均為47 m，井壁管采用直徑Φ325 mm、壁厚6 mm 的鋼管。濾管長度10 m，直徑同井壁管，采用機床定加工，位于埋深36～46 m。過濾管以下1 m 為沉淀管，主要起到過濾器不致因井內沉砂堵塞而影響進水的作用，沉淀管接在濾水管底部，底口用鋼板封死，直徑與濾水管相同，位于埋深46～47 m。井管外34～47 m 范圍內人工填砂，29～34 m 范圍內封堵黏土球，0～29 m 范圍內填充黏土。

(2)試抽水運行。試運行之前，準確測定各井口和地面標高、靜止水位，后開始試運行，以檢測隔滲帷幕的效果，檢驗設計承壓降水井數量、抽水設備、抽水與排水系統能否滿足降水要求。

(3)降水施工要求:①確保隔滲帷幕的施工質量以減小基坑涌水量及降水漏斗的影響范圍;②在深基坑開挖過程中，應根據挖土程序的需要及施工進度，合理調整抽水井的開啟數量;③基坑開挖施工時，應通過觀測和現場觀察，獲得準確數據并及時分析處理，嚴密監視是否有險情及險情發生發展的情況;④抽水井初期含砂量小于1/50 000，長期運行時含砂量小于1/100 000，在降水前期階段，對各降水井出水量、含砂量進行測定以保證降水井的含砂量不超過有關規范要求;⑤設置于坑內的降水井，穿越基礎底板處應設置止水環;⑥深井降水完畢后，應采取有效措施封堵井孔，避免承壓水沿井孔及井壁上涌，采用“以砂還砂、以土還土”的原則，并對管井進行封填，并確保封填質量。

3.3 信息化施工

為確保基坑工程的安全，施工中對圍護體水平位移、圍護體頂部水平位移、圍護體頂部垂直位移、支撐軸力、地下水位、基坑周圍地表沉降、周圍建(構)筑物變形、坑底隆起等內容進行監測。尤其在承壓水處治過程中要對基坑內外承壓水頭進行全過程監控。施工過程中對監測數據及時分析判斷，當出現基坑土體回彈、立柱樁上浮、圍護結構傾斜變形等數據突然增加且超過常規警戒值時，或者出現坑外地面沉降加劇等情況，應及時分析是否為承壓水問題所造成，并采取針對性的技術措施。

4 結 語

(1)基坑工程中承壓水問題的常用處理方法為“隔水”、“降壓”和“封底”等。基坑工程開挖前，需要開展承壓水勘察與現場抽水試驗工作，結合工程地質條件選用合理的處治方法，確保基坑工程安全，以此減小對場地周邊環境的影響。

(2)素混凝土地下連續墻隔滲帷幕的質量控制，隔滲帷幕內的減壓降水與可靠的封井技術措施，以及基坑施工過程中的信息化指導施工，都是確保本深基坑工程安全的重要措施。

(3)對本文過江隧道工程江南盾構工作井基坑開挖時承壓水對基坑底板的影響進行了計算分析，根據計算結果采取了“基坑外素混凝土地下連續墻隔滲帷幕+基坑內減壓降水”的承壓水治理對策。實踐表明此方法是可行的，它有效地控制了地下承壓水對坑底穩定性的影響，成功地防止了坑底的突涌，并確保了基坑工程的安全。

［1］ 王曙光，溫文.深基坑工程事故分析與工程實踐［J］.地基基礎工程，2000，10(6):1 -9.

［2］ 蔣紅星，李龍，馮芳. 深基坑支護工程中的地下水防治問題研究［J］.中國煤田地質，2003，15(1):41 -43.

［3］ 葉琳昌.要重視基坑圍護中的防水問題［J］. 中國建筑防水，2000(1):18 -22.

［4］ 戴斌，王衛東.受承壓水影響深基坑工程的若干技術措施探討［J］.巖土工程學報，2006，28(增1):1659 -1663.