深大基坑底部承壓水突涌控制技術(shù)及其對(duì)周邊環(huán)境影響

潘紅桂

（中鐵四局集團(tuán)有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷深入，地下空間開發(fā)需求與日俱增，大批深基坑項(xiàng)目應(yīng)運(yùn)而生，不可避免帶來了一些承壓水突涌問題[1]，有些不僅危及工程自身安全，也給臨近建筑物、管線帶來重大風(fēng)險(xiǎn)[2]，承壓水突涌危害已經(jīng)成為深基坑工程技術(shù)人員需要面對(duì)的問題之一。

目前，國(guó)內(nèi)外已有不少學(xué)者對(duì)軟土基坑支護(hù)側(cè)移規(guī)律[3]、深基坑降水施工引起周邊地表沉降與建筑物管線變形問題進(jìn)行了研究[4]，吳林高教授[5]就承壓水對(duì)基坑工程的危害、滲流計(jì)算、地表沉降計(jì)算、降水設(shè)計(jì)與回灌等內(nèi)容進(jìn)行了研究，為深基坑工程降承壓水設(shè)計(jì)、施工提供了重要參考。但是，對(duì)于承壓水突涌引起的基坑淹沒、后續(xù)處理措施及影響研究相對(duì)較少，專門針對(duì)承壓水與基坑組合問題研究的論文相對(duì)較少[6]。

本文依托某城際鐵路基坑突涌問題，研究一種坑外降承壓水及控制敏感建筑物沉降的方法，此方法有效解決了基坑突涌事件后續(xù)處理問題，為類似地層承壓水突涌控制提供了一種借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

本文依托某城際鐵路某車站開挖深基坑。該站外包總長(zhǎng)457.65m，標(biāo)準(zhǔn)段外包總寬22.1m，采用明挖順作法施工，基坑設(shè)計(jì)三道封堵墻，共分為4個(gè)基坑組織施工，發(fā)生突涌事件的基坑為1#基坑（見圖1）。

圖1 車站設(shè)計(jì)概況

該基坑開挖深度為28.4m，連續(xù)墻深度為55.9m，基坑底位于5④粉砂層，地連墻墻趾位于8③粉質(zhì)黏土夾粉土層。

基坑采用1.0mm厚地下連續(xù)墻+7道內(nèi)支撐(端頭井8道)+2道鋼換撐的圍護(hù)方案，第一、五道為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道為φ600mm×16mm鋼管支撐，第六、七（八）道為φ800mm×20mm鋼管支撐。基坑冠梁尺寸為1200mm×1000mm，第一道支撐尺寸為800mm×1000mm；第五道腰梁尺寸為 1000mm×1000mm，支撐尺寸為1000mm×1000mm，均采用C30鋼筋混凝土。

基坑南側(cè)為既有高鐵站站前廣場(chǎng)，基坑距離高鐵站房約150m（見圖2）。

圖2 基坑與既有車站位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)水文條件

基坑地質(zhì)情況自上而下依次是①2層人工填土，③2層黏質(zhì)粉土，⑤4層粉砂，⑦2-1層粉質(zhì)黏土夾粉土，⑦3-1層粉土，⑧3層粉質(zhì)黏土，⑨3-1層細(xì)砂，⑨4層圓礫。基坑底位于⑤4層粉砂，地連墻墻趾位于⑧3層粉質(zhì)黏土中（見圖3）。

圖3 1#基坑地質(zhì)縱斷面圖

⑤4層粉砂：稍密狀，土質(zhì)均勻性稍差，局部呈粉土狀，性質(zhì)稍好，空間分布連續(xù)性差，適宜作為低層輕型附屬建筑物的天然地基持力層。

⑧3層粉質(zhì)黏土：可塑狀，土質(zhì)均勻性一般，空間水平向空間分布連續(xù)性較好，頂部埋深起伏較大，在其分布區(qū)域下部無軟弱層分布，力學(xué)性質(zhì)較好，具有中等偏低壓縮性，適宜作為一般建筑物的短樁持力層。

孔隙潛水主要賦存于場(chǎng)區(qū)淺部人工填土及黏性土層內(nèi)，穩(wěn)定水位埋深為地面下1.2～3.5m，表層填土含水層組其富水性和透水性具有各向異性，透水性良好，下部黏性土層含水層組其富水性和透水性具有各向同性，透水性弱。動(dòng)態(tài)變幅一般在1.0～1.5m左右。

孔隙承壓水主要賦存于下部的⑤4粉砂、⑨3細(xì)砂、⑨4圓礫（礫砂）層中，根據(jù)勘察報(bào)告，其上覆的⑦2層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑧3粉質(zhì)黏土構(gòu)成相對(duì)隔水層。

潛水位地面以下0.5m，承壓水地面以下6m。

1.3 突涌狀況

基坑突涌時(shí)西側(cè)端頭井開挖至23.4m（距設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高5m），支撐架設(shè)至第6層；東側(cè)開挖至18.5m，中間為22.5m（距設(shè)計(jì)坑底標(biāo)高3.5m），支撐架設(shè)到第6層。

圖4 土方開挖縱斷面圖

12月15日15 :30左右，1#基坑第9道與第10道混凝土支撐之間開挖面突發(fā)涌水并伴有粉細(xì)砂顆粒，孔徑約5cm，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取棉絮堵孔和砂袋反壓，但效果不明顯。18:50左右距離端頭井28m處，發(fā)現(xiàn)第2處坑底涌水涌砂，同時(shí)伴有大量礫石，水頭約20cm，直徑約30cm，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采用?273mm、長(zhǎng)4m鋼管插入，但涌水情況越來越大，約為0.08m3/s。

圖5 基坑突涌出水點(diǎn)

圖6 基坑突涌帶出圓礫石

當(dāng)日19:20左右，經(jīng)過砂袋反壓、回填土方均無法有效減小涌水量，現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取了水泵集中明排。同時(shí)撤離基坑人員，加強(qiáng)基坑變形及水位監(jiān)測(cè)，后續(xù)采用混凝土反壓回填，但效果有限，水位逐漸上升至淹沒基坑，上升至坑底以上5m后保持穩(wěn)定。

通過觀察突涌點(diǎn)位置、形狀、帶出圓礫石特點(diǎn)，結(jié)合勘察點(diǎn)點(diǎn)位初步判斷為疑似隔水層地層起伏變化較大，前期勘探孔封孔不牢，隨著基坑開挖深度增加，勘探孔內(nèi)上覆土層土柱厚度不足以抵抗承壓水水頭差引發(fā)突涌。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)基坑淹沒照片

2 深基坑施工底部承壓水突涌機(jī)理及成因分析

基坑開挖后，由于承壓含水層上覆土層厚度變薄，其上覆土的壓力降低。當(dāng)上覆土的壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時(shí)，承壓水將可能使基坑底面產(chǎn)生隆起，嚴(yán)重時(shí)使土體被頂裂產(chǎn)生滲水通道，從而發(fā)生基坑突涌。

圖8 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗(yàn)算原理示意圖

2012年頒布的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-2012）首次將滲流分析概念引入承壓水突涌安全計(jì)算[7]，采用下式判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌穩(wěn)定（安全）的狀態(tài)。

對(duì)于需采取減壓降水措施的基坑工程，在計(jì)算減壓降水幅度時(shí)一般取臨界狀態(tài)[8]進(jìn)行計(jì)算

Ps—承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，（kPa）

Pw—初始狀態(tài)下（未減壓降水時(shí)）承壓水的頂托力，（kPa）

hi—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，其和等于圖8中的h，（m）

γsi—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，（kN/m3）

H—高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，即圖6中所示H，（m）

γw—水的重度，取10，（kN/m3）

Fs—安全系數(shù)，一般取1.05～1.20，本次研究取1.10。

計(jì)算安全系數(shù)下Fs=1.10的承壓水頂托力：Fs·γw·H＝533.5kPa，基坑臨界開挖面深度22.78m（標(biāo)高-16.78m），即在不降壓的情況下基坑開挖至22.78m時(shí)處于抗突涌臨界狀態(tài)。

3 基坑承壓水突涌控制方法

3.1 降承壓水技術(shù)

根據(jù)地勘報(bào)告、坑內(nèi)坑外地表變形、場(chǎng)地條件等因素綜合考慮，確定處理方案為坑外降承壓水方案，在布設(shè)坑外降壓井前需要進(jìn)行降水試驗(yàn)與降水井設(shè)計(jì)。

3.1.1 降水試驗(yàn)

降水試驗(yàn)主要針對(duì)細(xì)砂、圓礫承壓含水層，驗(yàn)證群井降深能力是否滿足降深要求，提出合理的單井出水量建議值，通過抽水試驗(yàn)停止后的水位恢復(fù)試驗(yàn)，了解承壓水水位恢復(fù)特征，分析計(jì)算降水影響范圍及降水影響沉降等值線，防止因承壓水層判別不明引發(fā)基坑突涌事件。

本次降水試驗(yàn)1#基坑外共設(shè)置試驗(yàn)井（孔）24口，編號(hào)為：抽水井J1～J20，觀測(cè)井GCJ1～GCJ4，其中抽水井8口，備用抽水井12口，觀測(cè)井4口。其中1#基坑外設(shè)置20口，在距J1和J20平行于基坑處80m、150m位置共設(shè)2口，基坑南側(cè)既有高鐵沿線布置2口（見圖9）。

圖9 降水試驗(yàn)井位布置圖

單井抽水試驗(yàn)時(shí)，共設(shè)置試驗(yàn)井（孔）3口，呈一字型布置，各井間距均為10m；其中抽水井1口，水位觀測(cè)孔2口。抽水井編號(hào)為J3，觀測(cè)孔J4、J5。

群井抽水試驗(yàn)共設(shè)置試驗(yàn)井（孔）24口，其中抽水井8口，其編號(hào)為J1～J8;備用抽水井2口，J10、J11；其余為觀測(cè)井。

3.1.2 滲透系數(shù)計(jì)算

按承壓含水層完整井的穩(wěn)定流公式計(jì)算含水層滲透系數(shù)。根據(jù)相關(guān)規(guī)范、規(guī)程，承壓水含水層穩(wěn)定流滲透系數(shù)計(jì)算公式：

式中：r—觀測(cè)井距離抽水井的距離（m）；

S—觀測(cè)井水位降深（m）；

Q—單井出水量（m3/d）。

兩次計(jì)算的滲透系數(shù)取平均，K=（18.43+24.43）/2=21.43m/d；

3.1.3 影響半徑計(jì)算

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)井水位，影響半徑按照內(nèi)插法計(jì)算。

計(jì)算得影響半徑R=463m。

3.1.4 降壓井設(shè)計(jì)

經(jīng)天漢降水軟件模擬計(jì)算，1#基坑外共布置20口減壓井，其中14口降水井，觀測(cè)井6口，觀測(cè)井兼做備用降水井。利用降水試驗(yàn)所設(shè)置的1#基坑外20口減壓井進(jìn)行降基坑承壓水。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)要求，擬采用2個(gè)出水口排出基坑地下水，每個(gè)排水口流量Q為700m3/h。

3.2 隔水層封孔方案

1#基坑涌水孔封孔采用雙液漿封孔，當(dāng)坑內(nèi)承壓水水頭降低到地面下18m即可開始隔水層封孔。隔水層封孔達(dá)到強(qiáng)度期間,坑內(nèi)承壓水水位盡量保持平穩(wěn),防止?jié){液流失。

當(dāng)承壓水水壓平衡后,采取雙液漿（水泥漿和水玻璃）對(duì)涌水孔到處⑧3層承壓水隔水層穿孔區(qū)進(jìn)行注漿加固,封堵出水點(diǎn)。加固范圍為1號(hào)涌水通道和2號(hào)涌水通道周邊5m范圍,加固深度為進(jìn)入⑧3層粉質(zhì)黏土層2m，總下鉆深度自基坑第五道混凝土支撐梁頂起算約32m，每個(gè)涌水孔處計(jì)劃布置5個(gè)注漿孔。

圖10 用于鉆孔注漿搭設(shè)的作業(yè)平臺(tái)

①注漿壓力

注漿壓力是保證注漿質(zhì)量的重要因素。如果壓力過小，漿液流不到預(yù)計(jì)范圍內(nèi)，擴(kuò)散范圍小易形成空白區(qū)；如果壓力過大，則會(huì)損壞現(xiàn)有土體結(jié)構(gòu)，致使?jié){流沿土體薄弱部位逸散，達(dá)不到注漿的目的，本次注漿壓力控制在0.5～0.8MPa。

②漿液配合比

水泥采用P.0 42.5袋裝普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比為1:1（質(zhì)量比）。水泥漿與水玻璃體積比為1:0.6。

③本次注漿封孔加固深度為進(jìn)入粉質(zhì)黏土層2m，總下鉆深度自鉆孔平臺(tái)起算約32m，注漿加固深度約16m。

④輸漿速度：輸送漿液的管道流速宜為1.4m/s至2.0m/s。

⑤漿液膠凝時(shí)間：漿液的膠凝時(shí)間宜為30s～50s。

4 基坑承壓水注漿對(duì)周邊環(huán)境影響

4.1 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)方案

出現(xiàn)基坑突涌后，項(xiàng)目部及時(shí)加密施工監(jiān)測(cè)，每3小時(shí)監(jiān)測(cè)一次。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有墻體測(cè)斜、墻頂位移、坑外水位、地表沉降、立柱沉降、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力等。此部分可以列表展示，測(cè)試內(nèi)容，數(shù)量，方法等與圖對(duì)應(yīng)。

降承壓水方案實(shí)施前，在既有高鐵車站站前廣場(chǎng)地面、車站立柱、車站附近橋墩上布設(shè)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)降承壓水對(duì)既有車站造成的影響。

1#基坑單井降水試驗(yàn)參數(shù)表 表1

1#基坑單井降水試驗(yàn)參數(shù)表 表2

如圖11所示，在平行于基坑長(zhǎng)邊靠近既有高鐵站一側(cè)每50m布置一個(gè)地表沉降監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)點(diǎn)號(hào)用J表示，高鐵橋墩用墩身上標(biāo)示的墩號(hào)標(biāo)示，高鐵站房用ZF標(biāo)示，降承壓水后同時(shí)對(duì)基坑外原有及加密監(jiān)測(cè)點(diǎn)、坑外地下水水位、沉降監(jiān)測(cè)斷面、橋墩、站房同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證所有變形能夠通過數(shù)據(jù)反映出來。

圖11 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位平面布置圖

4.2 基坑外地表及既有高鐵站監(jiān)測(cè)結(jié)果

本次突涌事件自1月4日開始抽承壓水、坑內(nèi)水，至1月26日整個(gè)1#基坑底板澆筑結(jié)束，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析如圖12。

圖12 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)累計(jì)變化曲線圖

從監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看，距離1#基坑55m監(jiān)測(cè)斷面J4點(diǎn)位沉降變形最大，為4.86mm；距離1#基坑105m監(jiān)測(cè)斷面J11點(diǎn)位沉降變形最大，為2.57mm；高鐵站房沉降變形最大點(diǎn)位為ZF1，為1.63mm；高鐵墩柱沉降變形最大點(diǎn)位為326號(hào)墩，為1.50mm。地表累計(jì)沉降、高鐵站房累計(jì)沉降、高鐵橋墩累計(jì)沉降均在運(yùn)營(yíng)管理單位所要求的控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)（3mm）。

4.3 后續(xù)施工情況

根據(jù)前述分析，本基坑承壓水隔水層可能存在著不連續(xù)性，加之坑內(nèi)外壓力差較大，降低了抗突涌安全系數(shù)，造成穿孔現(xiàn)象。坑外降承壓水方案確定以后，總體處置順序如下。

第一步：降承壓水，將承壓水水頭降至地面以下18m；

第二步：隔水層封孔（坑外水位與坑內(nèi)明水水位保持平衡后開始）；

第三步：坑內(nèi)明排水；

第四步：坑內(nèi)土層疏干，采用小集水井形式；

第五步：重啟開挖；

第六步：施做主體結(jié)構(gòu)。

在控制承壓水降水降深的情況下，實(shí)現(xiàn)了坑內(nèi)不再突涌、基底干爽、坑外沉降受控的理想狀態(tài)，快速高效完成了基坑底板，達(dá)到了既定目標(biāo)，本次處置基坑突涌比較成功。

5 結(jié)論

針對(duì)深基坑施工承壓水突涌淹坑難題，通過研究分析，得出了以下結(jié)論：

①基坑發(fā)生突涌與承壓水上覆弱透水層密切相關(guān)，只要上覆弱透水層不發(fā)生流土，接觸沖刷就不會(huì)發(fā)生，坑底整體滲流破壞就不會(huì)發(fā)生，此時(shí)安全系數(shù)小于1.0也不會(huì)發(fā)生突涌，相反，若上覆弱透水層不連續(xù)或被打通，即使安全系數(shù)大于1.0，也不能保證基坑不會(huì)發(fā)生涌水；

圖13 基坑恢復(fù)正常開挖

②降低承壓水水頭對(duì)控制基底突涌有明顯的作用，但是降承壓水也會(huì)導(dǎo)致建筑物的沉降，降承壓水影響半徑大，建議臨近敏感建筑物的深基坑要盡量采用隔水帷幕阻斷坑內(nèi)承壓水的方法，以免給后期基坑開挖帶來風(fēng)險(xiǎn)；

③基坑勘探孔封堵與地鐵車站結(jié)構(gòu)完成后降壓井的封堵同等重要，其封孔工藝要求高，勘察單位應(yīng)將勘探孔的封孔作為一項(xiàng)重要工作來對(duì)待，施工單位進(jìn)場(chǎng)后應(yīng)對(duì)勘探孔封孔情況進(jìn)行調(diào)查，對(duì)于確定存在問題的，要提前進(jìn)行封閉。