強風化紅砂巖特殊地層深基坑工程地下水綜合處理

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強風化紅砂巖特殊地層深基坑工程地下水綜合處理

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（軌道交通工程信息化國家重點實驗室，中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043）

以蘭州市城市軌道交通1號線一期工程第三系紅砂巖特殊地層中深基坑工程地下水處理為例，針對蘭州地區(qū)紅砂巖遇水易軟化、崩解、流塑性強、暴露地表易風化等特性，首次提出了“上降下截”的地下水處理設計方案，總結深基坑開挖不同階段遇到的水文地質問題，形成了在強風化紅砂巖特殊地層中“攔、截、堵、排、降”的綜合處理措施，以期指引類似地層的設計和施工。

強風化紅砂巖；軟化崩解；上降下截；砂巖裂隙；深基坑；地下水綜合處理

城市軌道交通深基坑工程中地下水處理是一個非常復雜的課題，學術領域涵蓋水力學，技術上指導圍護體系選擇，工程方面涉及施工風險安全，經濟上影響工程投資控制。因此城市軌道交通深基坑地下水采用何種處理措施，對城市軌道交通的設計、施工、安全、質量、進度和投資都至關重要。特別是對第一次修建城市軌道交通的蘭州市，1號線一期工程基坑深度為17～30 m，尚屬首例，加之地勘揭示的蘭州老城區(qū)段（西關什字—五里鋪區(qū)段）位于成巖作用極差的強風化紅砂巖特殊地層，對施工安全和工程質量具有極大的挑戰(zhàn)。

筆者以蘭州市城市軌道交通1號線一期工程第三系紅砂巖特殊地層中深基坑工程地下水處理為例，針對蘭州地區(qū)紅砂巖風化強烈，鐵泥質膠結，遇水易軟化、崩解，流塑性強，暴露地表易風化等特性，開展了“蘭州城市軌道交通車站深基坑工程地下水處理措施研究”攻關工作，首次提出了“上降下截”的地下水工程設計方案，總結深基坑開挖不同階段遇到的水文地質問題，采取了在強風化紅砂巖特殊地層中“攔、截、堵、排、降”的綜合處理措施。形成適合蘭州地區(qū)強風化砂巖層地下水處理的設計和施工綜合技術，不僅為工程建設提供重要技術支持，保證工程的順利建設，而且對促進蘭州地區(qū)深基坑設計、施工及地下工程學科的發(fā)展，具有積極的推動作用[1-3]。

1 工程概況

1.1 蘭州城市軌道交通概述

根據2015年蘭州市政府批復的城市軌道交通線網規(guī)劃修編方案，蘭州市城市軌道交通共由5條線路組成，其中1、2、3號線為市區(qū)線網，4、5號線為市域快軌線，線網總長約228 km。

蘭州市城市軌道交通1號線西起西固區(qū)石崗北側環(huán)行西路，東至東崗，途經原石化廠區(qū)、陳官營、崔家大灘、迎門灘、馬灘、西客站、西關什字、東方紅廣場、東崗鎮(zhèn)，線路全長約34 km，共設24座車站。

根據國務院批復的2011—2020年建設規(guī)劃，1號線分兩期建設。一期工程為陳官營?東崗段，線路全長25.972 km；二期工程為石崗?陳官營段，線路全長約8.0 km，1號線線路走向詳見圖1。

圖1 蘭州軌道交通1號線走向

1號線一期工程（陳官營—東崗段）全長約26.0 km，均布設于主城區(qū)內，全線均為地下線，共設置20座車站，換乘站5座。20個車站均采用明挖法施工，車站主體圍護結構多采用混凝土灌注排樁或地下連續(xù)墻+內支撐支護形式[4-7]。

1.2 工程及水文地質

依據1號線一期工程沿線地貌特征、地層結構、地質構造和地下水的埋藏情況和賦存狀態(tài)等工程地質條件，蘭州軌道交通1號線一期工程沿線共分為以下五大工程地質分區(qū)，詳見圖2。

圖2 蘭州軌道交通1號線一期工程沿線地質分區(qū)

其中強風化砂巖地層主要集中在第四區(qū)段，主要涵蓋5座車站，分別為西關什字站、省政府站、東方紅廣場站、盤旋路站和五里鋪站。5座車站概況匯總詳見表1。

表1 砂巖地層車站概況匯總

根據地質詳勘資料揭示，本區(qū)段車站所處位置地形地貌、地層巖性以及水文地質各具特點。

1.2.1 地形地貌

本區(qū)段地貌單元屬黃河一級階地，地理位置主要位于蘭州城關老城區(qū)，站位周邊主要為密集的商業(yè)、辦公和居住區(qū)，多高層或多層建筑，且管線分布較多。地勢低緩平坦，西高東低，南北高中間低，局部地形有起伏，地面高程平均1 514～1 518 m。

1.2.2 地層巖性

工程場區(qū)揭露的地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、沖積（Q4al）黃土狀土、卵石及第三系古始新統(tǒng)（E1-2）砂巖組成。本區(qū)段車站基坑穿越的主要地層為2-10卵石層及4-2強風化砂巖層。

強風化砂巖層厚度大，對工程有較大影響，多為細粒結構，層狀構造，巖芯破碎，多呈3～8 cm短柱狀，鐵質、泥質膠結。成巖作用差，手可捏碎，遇水變成砂，暴露地表極易風化，經擾動后強度極低。

1.2.3 水文地質

根據本區(qū)段詳堪勘察結果，該場地所揭露的地下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石。地下水潛水位埋深3.5～6.0 m，潛水含水層（卵石層）厚度為5～10 m，卵石下的砂巖為相對隔水層，砂巖頂部可能存在局部裂隙水。卵石層滲透系數為25～50 m/d，強風化砂巖層滲透系數為5～10 m/d。選取本區(qū)段代表性車站西關什字站地質詳堪縱剖面圖如圖3所示。

圖3 西關什字站地質縱剖面

2 紅砂巖層地下水處理難點分析

軌道交通深基坑工程中地下水的處理有多種可行的方法，從處理方式來說可總分為止水法和降水法兩大類。止水法，即通過有效手段在基坑周圍形成止水帷幕，將地下水止于基坑之外，如咬合樁法、灌漿法、地下連續(xù)墻等；排水法是將基坑范圍內地表水與地下水排除，如明溝排水、井點降水等。止水法相對來說成本較高，施工難度較大；井點降水施工簡便、操作技術易于掌握，是一種行之有效的地下水方法，已廣泛得到應用。

紅砂巖層作為相對隔水層，強風化砂巖層細顆粒主要位于0.075～0.250 mm，多為細砂巖，砂巖層頂部的卵石層作為主要含水層，對砂巖層地下水有較快的補給，而且砂巖頂部存在局部裂隙，卵石層地下水沿著裂隙進入砂巖層較深位置，若單一采用止水法或降水法對砂巖地層地下水處理，存在以下難點：

1）當采用基坑外降水時，首先施工降水必然引起地表和基坑周邊建構筑物一定的沉降，降水引起的沉降包含排水引起的附加沉降和抽水出砂量超標造成地層細顆粒流失。特別是對紅砂巖地層，因其顆粒較細，一旦在降水過程中細顆粒過多流失，勢必出現地下空洞造成安全隱患；其次是在紅砂巖層降水，因施工降水井過程中對地層進行了擾動，砂巖層經擾動后迅速成散沙狀，加之地下水的作用，快速形成泥糊狀，在降水井濾網外側形成包裹層，阻塞濾網網眼，影響降水井出水量，達不到降水井預期效果，這也是在紅砂巖地層中普遍存在的難點問題。

2）當采用基坑圍護止水時，首先是在強風化砂巖層施工相應的圍護結構極易形成塌孔或沉渣厚度大，常出現樁、墻間滲漏水現象，因此在砂巖層選用合適的泥漿防止塌孔或結合地層特性進行工藝性試樁尤為重要，特別是泥漿的比重、黏度、含砂率、膠體率和pH值等參數與一般地層有較大差異，需要進行試驗多次確定；其次是在基坑開挖過程中，強風化砂巖一旦暴露，會快速風化，失去自穩(wěn)能力，地下水帶著砂巖層細顆粒流入基坑內，樁間出現涌水、涌砂、漏砂現象，導致圍護結構背后土體被掏空，從而形成重大安全隱患，在軌道交通設計之初，對沿線紅砂巖地層中的民建基坑進行了多次調研，圍護結構涌水、涌砂治理為紅砂巖地層深基坑的一個難點。紅砂巖地層深基坑涌砂詳見圖4[8-10]。

圖4 紅砂巖地層深基坑側壁涌砂

3 強風化砂巖特性影響分析

強風化砂巖出現的主要工程地質問題是受水、力作用巖體內部微觀結構改變而導致的變形。紅砂巖地層含水率對其物理特性影響較大，通過對巖樣分段含水率下平均天然密度和單軸抗壓強度試驗結果分析顯示，隨著含水率的增大，天然密度呈下降趨勢，相應的單軸抗壓強度也呈降低趨勢。當含水率大于10%以后，單軸抗壓強度基本保持在0～1 MPa，詳見圖5。

當紅砂巖層含水率較低時，砂巖顆粒間的黏土礦物包裹體存在黏聚力，使砂巖結構較穩(wěn)定，抗壓強度較大。當含水率增大時，顆粒間的黏土礦物包裹體發(fā)生溶蝕，顆粒間的黏聚力逐漸消失，導致砂巖承載能力迅速降低，以致發(fā)生塑變并最終發(fā)生流變。蘭州地區(qū)砂巖和泥巖呈互層分布，泥巖黏粒含量較高，在含水率較小情況下，泥巖單軸抗壓強度較砂巖高2～5 MPa，當含水率大于10%時，兩種巖石單軸抗壓強度差別不大，都保持在0～1 MPa，詳見圖6。

圖5 砂巖天然密度和抗壓強度隨含水率變化曲線

圖6 砂巖、泥巖含水率與單軸抗壓強度曲線對比

通過實驗分析，主要原因是含水率逐漸增大以后，泥質膠結成分軟化而導致砂巖和泥巖都基本喪失抗壓強度。而且，泥巖中以高嶺石、伊利石、蒙脫石等為主的黏土礦物具有很強的親水性，在受水作用后，這些黏土礦物的吸附水膜會隨著含水率的增大而不斷增厚，使巖石顆粒出現膨脹，伴隨著膠結物的不斷稀釋、溶解，最后導致巖石軟化。因此黏粒含量的多少對于砂巖在低含水率下抗壓特性具有關鍵影響作用，但在含水率不斷增大的情況下黏粒含量高可能會進一步加劇砂巖軟化流變。砂巖孔隙比能反映巖體密實程度，一般強風化帶砂巖的孔隙比大于弱風化帶砂巖，巖體孔隙比較大時，滲透系數增大，巖體受孔隙水壓力作用下易出現力學性質弱化。圖7反映了蘭州地區(qū)砂巖在不同吸水率下的極限抗壓強度變化。吸水率越大，極限抗壓強度越低，同一吸水率下飽和巖樣極限抗壓強度低于干燥巖樣。

綜上所述，含水率的大小對砂巖物理、力學特性有較大影響，隨著含水率的增大，砂巖天然密度呈下降趨勢，相應的單軸抗壓強度也逐漸降低。砂巖受水作用后，其內部顆粒間及顆粒表層黏土礦物出現溶蝕，使顆粒間的黏聚力逐漸消失，導致砂巖承載能力迅速降低，以致出現塑變并最終發(fā)生流變。

圖7 砂巖吸水率與極限抗壓強度關系曲線

4 強風化砂巖層地下水處理措施

鑒于強風化紅砂巖特殊地層地下水采用單一處理方法存在較多問題和難度，結合砂巖受水作用后其內部顆粒間及顆粒表層黏土礦物出現溶蝕，使顆粒間的黏聚力逐漸消失，導致砂巖承載能力迅速降低，出現塑變并最終發(fā)生流變的特性，首次提出了對紅砂巖上部富水砂卵石地層進行坑外井點降水，對紅砂巖地層進行咬合樁或地下連續(xù)墻止水的“上降下截”的工程設計方案。

結合砂巖特性，在設計和施工過程中對紅砂巖地層地下水處理原則如下：

1）減少地下水對砂巖的影響，對富水段采用超前降水措施將圍巖含水率控制在5%左右，確保圍巖具備相對較好穩(wěn)定性；

2）加強紅砂巖層止水帷幕效果，降低圍護結構側壁出現涌砂、涌水現象，避免因紅砂巖流失導致圍護結構背后形成空洞，降低基坑風險；

3）施工過程中，針對強風化紅砂巖特殊地層的滲、漏水風險應采用“攔、截、堵、排、降”的綜合處理措施，力求在實施過程中對周邊綜合影響降到最低。

4.1 紅砂巖層上部富水卵石層降水影響分析

深基坑降水引起周圍環(huán)境的地面沉降一直是工程界關心的問題。由于地鐵基坑降水的復雜性遠遠大于一般的基坑降水工程，再加上城市軌道交通施工對地面沉降的控制標準更嚴。因此研究砂巖層上部富水卵石地層地鐵基坑工程的降水問題，尤其是降水引起的沉降問題有很重要的現實意義。

基坑工程的降水過程，是地下水運動由非穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展到穩(wěn)定狀態(tài)的過程，其引起的降落曲線方程，可通過解析法或數值解法加以分析。解析法主要根據降水要求、場地水文地質條件、井類型等來選擇適當的滲流解析公式，并據此進行降水工程的設計計算。解析解可以將描述地下水運動的各種物理量，例如水頭（或降深）、水量及各種參數反映在一個表達式中，這樣就可以利用數學分析的方法來研究各個量相互聯系與相互制約的內在規(guī)律。因此，在可能的情況下，應盡量去求模型的解析解。顯然，對于基坑降水引起地面沉降是三維流固耦合問題。

針對紅砂巖地層上部富水卵石層降水，基于流固耦合理論，采用FLAC3D有限元建立整體模型，研究隨著地下水位的降低地層應力場的變化，求解由于降水固結引起的砂卵石地層和砂巖地層的位移。在本構模型建立過程中考慮了地鐵車站的圍護結構、周邊環(huán)境風險點等因素，降水井的模擬根據工程設計方案中的實際位置和情況進行模擬，降水均采用直徑800 mm的無砂水泥管井進行降水，間距約為8～20 m左右。典型工點的整體計算模型和計算分析見圖8、圖9。

圖8 砂巖地層典型工點的降水計算模型

圖9 砂巖地層典型工點的降水分析

在整體計算過程中，首先對降水井的抽水效果進行了模擬，降水產生了比較滿意的效果，在水井布置處產生了明顯的降水漏斗。通過對最終計算結果的分析，發(fā)現伴隨著抽降水的進行，產生的實際附加應力不僅會導致土體產生豎向沉降，還會引起土體的側向變形。本次研究過程中的創(chuàng)新點是重點考慮了該附加應力在水平方向的分量。設計計算結論區(qū)別于規(guī)范算法，單獨計算干土部分、疏干部分和飽和部分各自的沉降量，其中疏干部分和飽和土部分考慮土體的側向變形分量，從而歸納出由降水引發(fā)的地面總沉降量為3塊區(qū)域的土層產生的沉降量的總和。

在對降水引起的地標沉降進行設計計算和施工監(jiān)測對比后發(fā)現，需要對蘭州紅砂巖地層條件下計算降水引起的地層沉降考慮經驗折減，一般計算公式為：

其中： 為經驗系數，通過大量數據研究，在蘭州地區(qū)對于粉質黏土一般取0.1～0.2，砂層和卵石層一般取0.03～0.10。地鐵車站降水引起的地表沉降在1～5 mm。同時，發(fā)現經驗系數在數值模擬過程中難以體現，因此需要對程序分析的計算結果進行必要的調整[11-12]。

4.2 紅砂巖層止水帷幕基坑內真空井點輔助降水

根據地勘報告，蘭州紅砂巖層理論為隔水層，但在土方開挖時，由于地鐵車站基坑深度較深，達到17～30 m左右，且基坑較寬、跨度較大，施工過程中難免出現砂巖層裂隙水降深不徹底而造成開挖面軟化、泥濘等現象，存在一定的安全和質量隱患。

通過施工中一系列試驗發(fā)現，采用真空吸水型井點系統(tǒng)對處理紅砂巖層止水帷幕基坑內地下水取得了較為理想的效果，一般在土方開挖至距基底2 m后第一次布置真空井點，第一次布置真空井點位置應盡可能在涌水量大的地方，平均每組積水管間距2～4 m，每組布置6個真空井點，每個井間距1～2 m，在涌水量大的地方加密布置，每組集水管按照“平行于圍護結構”的原則布置（見圖10）。

真空井點井深4.5 m，由于紅砂巖有遇水軟化的特性，采用高壓水沖洗成井，用3 kW泥漿泵提供高壓水，成井機具采用 300 mm鋼管，一端加工成錐形，保證足夠水壓力能把軟化紅紗巖沖出井外。成井時應不斷活動鋼管保證井徑盡量大于300 mm并提高成井速度。待井深達到要求深度后關掉泥漿泵并快速拔出鋼管，及時將預制好的井管插入井內，整個過程要求速度比較快，防止流塑狀紅砂巖流進井內造成堵井。每成井6個及時安裝集水管，每安裝2組集水管后及時用真空泵抽水。

圖10 砂巖地層基坑內真空井點布置

根據現場經驗，待整個基坑全部布滿真空井點后，根據現場抽水效果，決定最后一層土方開挖時間，抽水2～3 d后用挖機小面積試挖，保證基坑水面標高在基底以下后，方可進行最后一層土方開挖作業(yè)，最后一層土方開挖至關重要，直接影響地基承載力。由于基坑涌水量大，根據試驗紅砂巖層水位上漲時間在1～1.5 h，所以在開挖前應對基坑進行分區(qū)域，開挖時分區(qū)域開挖，分塊原則“保證水位未上漲至基底時，區(qū)域內土方開挖完成”。一般在土方開挖機械準備就緒后，取掉第一次施工的井點積水管并及時進行土方開挖，開挖時應實時測量開挖標高防止超挖或欠挖，待開挖至基底標高后進行第二次真空井點施工，施工方法與第一次真空井點施工完全相同，待本區(qū)域內井點施工完成后方可進行下個區(qū)域土方開挖，直至整個基坑最后一層土方開挖完成。

4.3 紅砂巖層止水樁間漏水處理

砂巖層中樁間漏水易引起流砂，進而引起周邊地表及建筑物、管線沉降，圍護結構變形失穩(wěn)等問題，施工風險較大，通過施工總結，一般需要及時采取如下措施：

1）紅砂巖層中出現輕微滲水時，及時掛網噴混，防止砂巖沖裂。

2）紅砂巖層中出現小流量漏水時，若周邊咬合樁咬合質量較好，先使用5 cm鐵絲管設置引流，周圍使用土工布及水不漏封堵，隔約6 h后將鐵絲管直接封堵。

3）紅砂巖層中出現較大流量漏水時，先使用2～3條5 cm鐵絲管設置引流，漏水部位使用方木、鋼筋及土工布結合填塞，鋼筋樁外鑿除鋼筋或在素樁上植筋后焊接鋼筋網，并結合水不漏將樁面封堵，直至水流量減小后再將鐵絲管封堵。

4）砂巖層中出現大流量漏水時，若無砂巖流出，使用上述方法3處理；若伴隨砂巖流出，直接使用反壓土回填，待流砂穩(wěn)定后使用上述措施3從上往下邊挖土邊人工封堵。

4.4 紅砂巖層止水帷幕背后空洞處理

在圍護結構施工完畢之后，砂巖層樁后由于漏水、涌砂形成的空洞無法通過人為觀測直接發(fā)現，屬于隱蔽體。空洞若得不到妥善處置將會對周圍建筑物構成極大的威脅，嚴重者則會發(fā)生地基失穩(wěn)、坍塌等現象。針對此情況，在主體工程施工之前對漏水涌砂部位進行地質雷達掃描，確定空腔位置及大小再打設注漿管，注單液漿封堵。

為更準確、直觀地顯示雷達測試結果，需對現場實測剖面進行一系列的室內計算機處理，首先對實測圖像進行預處理，然后再進行一系列的數字化信號處理，經過數字信號處理后，可以有效地壓制干擾信號的能量，提高雷達信號的信噪比，使雷達圖像更易于識別地質信息，清晰地反映地質現象，從而提供更準確的解釋結果。地質雷達現場勘測及樁后空洞典型反射剖面圖見圖11（a），（b）為現場操作圖。

圖11 雷達勘測及空洞典型反射剖面圖和現場操作圖

砂巖地層止水帷幕背后空洞一般注漿采用WSS方式進行，注漿的目的包括堵水和加固兩方面，通過試驗利用二重管鉆機鉆孔至預定深度后，采用一臺同步注漿機注漿。漿液有兩種，即A液和B液（或C液），兩種漿液通過二重管端頭的漿液混合器充分混合，注漿時采用電子監(jiān)控手段實施定向、定量、定壓注漿，使巖土層的空隙或孔隙間充滿漿液并固化，以達到改變巖土層性狀的目的。

5 結論

1）針對蘭州地區(qū)紅砂巖遇水易軟化崩解、流塑性強、暴露地表易風化等特性，本文首次提出了“上降下截”的三位一體的地下水處理設計方案：第一位是止水帷幕結合坑外降水井將卵石層中含水降至砂巖面；第二位是在砂卵石膠結面垂直基坑線路方向設碎石截水溝，防止卵石層與砂巖層膠結面處明水流入砂巖層而造成砂巖軟化、流塌；第三位是通過真空井點輔助坑內降水，針對性地采用“攔、截、堵、排、降”的綜合處理措施，在降低水位利于土方開挖的同時，保證了砂巖層的地基承載力。

2）分析表明，紅砂巖地層上部富水卵石層基坑降水是引發(fā)地表變形的主要因素之一，同時需要對蘭州紅砂巖地層條件下計算降水引起的地層沉降考慮經驗折減，通過大量數據研究，在蘭州地區(qū)對于粉質黏土一般取0.1～0.2，砂層和卵石層一般取0.03～0.10。地鐵車站降水引起的地表沉降約在1～5 mm。

3）本文對紅砂巖影響特性進行了分析，發(fā)現含水率的大小對砂巖物理、力學特性有較大影響，特別是砂巖受水作用后，其內部顆粒間及顆粒表層黏土礦物出現溶蝕，使顆粒間的黏聚力逐漸消失，導致砂巖承載能力迅速降低，以致出現塑變并最終發(fā)生流變。

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（編輯：郝京紅）

Comprehensive Treatment of Groundwater in Deep Foundation Pit Engineering for Strongly Weathered Red Sandstone Strata

GAO Sheng

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization, China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043)

This study considers the third red sandstone special strata of a deep foundation pit groundwater treatment project in the Lanzhou City Metro Line 1 project as an example. The red sandstone in Lanzhou area contains water and exhibits easy softening, disintegration, and plasticity, and its exposed surface presents strong weathering characteristics. First, the groundwater treatment design for the target section for excavation is proposed to study the hydrogeological problems encountered in different stages of the deep foundation pit. Further, comprehensive treatment measures were developed for the weathered red sandstone in the special stratum section, including blocking, intercepting, stopping, discharging and lowering; these measures will guide the groundwater treatment projects in similar strata.

strongly weathered red sandstone; softening and disintegration; up and down cutting; sandstone fracture; deep foundation pit; comprehensive treatment of groundwater

U231

A

1672-6073(2018)02-0091-07

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.015

2017-06-14

2017-06-30

高升，男，學士，高級工程師，研究方向為地下結構工程，240638997@qq.com

軌道交通工程信息化國家重點實驗室項目（11-49）