高承壓水深基坑突涌事故快速處置實踐

李小平

中鐵四局二公司 江蘇 蘇州 215131

近年來隨著城市地下空間開發進程加快，地下基坑的面積和埋深越來越大，在富水軟土地區的深基坑工程施工中，隨著基坑開挖深度越來越深，承壓水帶來的風險也越來越大，基坑突涌是一種常見的且破壞極大的事故[1-2]。為此，從根本上提高深基坑施工過程中對承壓水危害的認識和技術管理水平，不斷完善設計和施工工藝工法，提前防控，才能最大限度的減少安全事故和經濟損失。

本文基于事故快速處置實踐，提出縮短治理工期及降低施工成本的高承壓水突涌治理技術[1]，并且從優化設計、施工調查、應急管理、降承壓水、突發事件的應急等方面提出了深基坑承壓水危害防控建議。

1 工程概況

1.1 項目簡介

某城際鐵路工程車站為地下三層站，主體基坑建筑面積約為30375㎡，西側1#基坑為預留始發井，最大開挖深度30m，采用明挖法施工。主體基坑施工受橋梁拆復建、河道改移及鄰近的地鐵運營線保護影響，基坑縱向設計三道中間分隔墻，分為4個小基坑組織施工。

1.2 施工環境

車站主體基坑東側臨近已運營的地鐵線，距離地鐵車站最近31m，距離地鐵隧道區間最近43.5m；北側大里程臨近已建成的地下停車場，距離2.5m；北側小里程為人工湖；南側為已運營高鐵，距離站房約140m。

1.3 水文地質

圖1 典型地質剖面圖

基坑開挖范圍內地層以透水性較強的粘質粉土、粉砂土為主，基底位于（5）4粉砂土中，地下孔隙承壓水主要賦存于約地面55m以下的⑨3粉砂、⑨4圓礫（礫砂）層中。根據勘察報告，（5）4粉砂土與⑨3粉砂土之間的⑦層粉質黏土（夾粉土）、⑧3粉質黏土構成相對隔水層。潛水位地面以下0.5m，承壓水位地面以下6m[3]。

1.4 設計概況

基坑采用1.0m厚地下連續墻+7道內支撐(端頭井8道）的圍護方案。地連墻深52-56m不等，墻趾位于8（3）粉質黏土層（不透水層底部），地連墻插入比約1:0.92，未隔斷下部承壓水（如隔斷承壓水，需增加投資約5000萬）?；雇挥肯禂禐?.06～1.13，設計方案在西側1#基坑外設置了8口減壓降水井，待基坑開挖至距坑底2m時啟動坑外減壓降水。

1.5 基坑開挖面突涌概況

車站1#基坑開挖至22.5m時（距設計坑底約4.5m，準備架設第六層鋼支撐），開挖面突發涌水，水流渾濁并伴有粉細砂顆粒，涌水孔徑約10cm，現場采取棉絮堵孔和砂袋反壓應急處理，但涌水量未見明顯減小。當晚18:50左右，距第1處涌水孔西側約22m處出現第2處涌水孔道，孔徑約20cm，明顯有圓礫石伴隨涌出，現場就近利用挖機插入降水井鋼管，但涌水量越來越大，且涌水后15分鐘，水頭已上升約1.5m高，超過插入的井管，隨后采用了棉絮塞堵、集中砂袋反壓，但基本無效果，且涌水量未見減小。

圖2 基坑突涌部位開挖斷面示意圖

1.6 應急處置情況

基坑突涌后，項目根據現場實際情況采取應急處置措施。一是為防止承壓水頂托力的作用加劇對地層的破壞，從而影響圍護結構安全，立即采取泵送砼對涌水點進行反壓；二是為平衡基坑內外壓力，就近河道抽水回灌基坑，確保支護體系的穩定；三是增加基坑監測頻次并密切關注監控量測結果。

通過混凝土反壓、回灌水及水位監測，最終基坑內水位穩定在第五層砼支撐處（水位上漲約7m），基坑各項監測數據穩定，初步判定基坑涌水已停止，應急處置得當。

1.7 承壓水突涌原因分析

在現行的基坑規范或手冊里，都采用壓力平衡法計算基坑坑底抗滲流穩定性[4]。經典壓力平衡法假定坑底承壓水水頭只要能克服坑底不透水層自重壓力，即可發生突涌，基坑突涌穩定性應符合[1]：

式中：Kh為突涌穩定安全系數，Kh≥1.1；D為坑底隔水層厚度；γ為隔水層土的天然重度；hw為承壓水水頭高度；γw為水的重度。

根據第2處涌水孔道伴有砂礫石的現象，結合地勘資料，可以判斷涌水來源于地面以下62m處9（4）圓礫土層中的承壓水。根據基坑突涌時開挖深度，結合地層資料，計算開挖面突涌穩定安全系數為1.26，滿足Kh≥1.1要求，理論上不應該出現突涌。根據專家會審意見，一是疑似承壓水層上部的相對隔水層分布不連續，存在局部薄弱點被主動擊穿；二是承壓水位高于地表（開挖面）時，可以沿天然或人工開鑿的通道溢出地表，也是常被稱作為自流水的原因。

2 深基坑承壓水突涌快速處置

深基坑承壓水突涌直接影響工程的安全與進度，同時由于基坑周邊重要建筑物較多，鄰近運營高鐵站、地鐵站，人流量大，且臨近湖泊，若不快速處置，有可能引起次生災害。

通過分析基坑承壓水突涌的原因，結合當地類似案例的處理及各方專家組處置方案研討意見，本次深基坑承壓水危害的快速處置總體分為七步：

第一步：封堵涌水孔，在涌水孔相對隔水層內注漿封孔；

第二步：降承壓水，降深至地面以下22.5m（驗證封堵效果或是否有其它涌水孔）；

第三步：坑內明水抽排；

第四步：增加疏干井，坑內土層疏干；

第五步：土方開挖并做好應急措施；

第六步：開挖見底后，承壓水抗突涌和封孔情況驗證，為后續基坑優化提供參考；

第七步：施做主體結構底板。

2.1 涌水孔注漿封堵

當水位平衡后,采取雙液漿對涌水孔道處（8）-3承壓水隔水層穿孔區進行注漿加固，封堵出水點。封堵注漿深度為進入（8）-3粉質黏土層2m，總下鉆深度自基坑第五道支撐梁頂起算約32m，每個涌水孔處計劃布置5個注漿孔。本次封孔注漿作業要求僅在7層土和8層土中注漿。

隔水層封孔達到強度期間，坑內承壓水水位盡量保持平穩，防止漿液流失。封孔注漿24小時后，逐步抽排基坑明水，觀察并分析水位變化情況。

圖3 封孔注漿方案設計

2.2 降承壓水設計

降水井布置：根據軟件模擬計算，在涌水基坑外設置20口減壓井，深度60m，插入承壓水層。降水前沿基坑縱向及南側既有高鐵站附近共布置4口觀測井。

降水試驗目的：

（1）本次降水試驗主要針對下部（9）3-1細砂及（9）4圓礫承壓含水層。

（2）驗證群井降深能力是否滿足要求。

（3）根據群井試驗提出合理的單井出水量建議值。

（4）通過抽水試驗停止后的水位恢復試驗，了解承壓水水位恢復特征。

（5）通過現場抽水試驗實測數據，復核場區水文地質參數，并結合相關工程經驗進行分析計算降水影響范圍、降水影響沉降等值線，為后續三個基坑施工提供參考依據，以保證基坑工程施工與周邊環境的安全。

正式降水要求：

（1）施工期間根據承壓水的水位、設計降深等因素綜合考慮降水，在滿足設計降深的前提下，盡量少抽水，按照備用井原則布井，做到按需降水原則。降水維持過程中，根據基坑開挖及底板施工進度，合理調整抽水井開啟數量：可采用局部施工地段集中開啟部分降水井，而適當關閉其它區域部分降水井，作為觀測井，具體開啟數量以現場實測水位降深加以控制調整。

（2）基坑開挖到底后，調整降水井的開啟，使得承壓水水位維持在坑底以下lm，盡快澆筑墊層和底板。

（3）底板達到強度后，如果證明封孔良好且無其它穿孔區，可以逐步關停降水井。

（4）如果封孔質量不能保證或者存在其它穿孔區，承壓水水位維持在坑底以下1m需一直持續到結構回筑且覆土回填完成整個過程中，以防止結構抗浮失穩和承壓水倒灌。

2.3 承壓水處置效果

（1）本次減壓降水開在啟涌水基坑北側2口、西側1口及南側1口降水井后，即可將承壓水位降至28m，滿足施工要求。

（2）基坑降承壓水期間為保證運營高鐵車站及線路的安全，必須確保高鐵線路沿線承壓水位穩定，通過優化降水設計，在高鐵周邊布設2口回灌井（最終未啟用）和2口觀測井，形成軟帷幕。

（3）降水期間除基坑本身的監測外，應加強高鐵橋墩、站房立柱監測。在整個承壓水危害處置期間，高鐵橋墩及站房結構日變量均未超出報警值，高鐵橋墩累計最大沉降量1.5mm，未超報警值，橋墩沉降及站房立柱沉降控制在允許范圍內。

（4）現場按照經專家評審的專項方案組織施工，在1#基坑開挖見底的同時進行承壓水抗突涌和封孔情況驗證。根據基底驗收期間的承壓水水位觀測結果，封孔注漿效果良好，本次1#基坑突涌應是承壓水層擊穿局部薄弱隔水層造成。

（5）由于地勘孔間距較大，(8) 3粉質黏土隔水層局部起伏較大，有可能在局部出現隔水層薄弱的情況。鑒于1#基坑承壓水突涌事件，為了提高安全性，設計單位對后續2#、3#、4#基坑進行了優化設計，在2#、3#基坑外側布置12口減壓井。一方面可以在開挖過程中，適當降低承壓水頭，提高基坑安全性，另一方面可以在基坑出現險情時及時降水，保證基坑安全。

（6）完成涌水孔封堵、降水、疏干等工作后，自2019年1月5日開始正式土方開挖，各工序節點能按照既定目標完成。從基坑承壓水突涌險情發生以來，歷時42天，截至2019年1月27日，車站1#基坑底板全部完成，承壓水安全隱患順利消除。

（7）此次深基坑承壓水危害處置過程中，為快速施工底板結構梁鋼筋，從而縮短底板施工周期，研發了結構梁鋼筋模塊化預制胎架，總結了“深基坑結構梁鋼筋模塊化快速施工技術”，獲2020年安徽省QC成果一等獎；2020年江蘇省工法；獲授權發明專利1項，實用新型專利1項。

（8）深基坑承壓水突涌事故處置完成后，建設單位組織各參建單位及行業內專家召開專題總結會，各方一致認為本次基坑承壓水突涌事故，現場應急處治措施合理得當、及時有效，消除了隱患，并對后續基坑施工提出建議。

3 基坑承壓水危害的防控建議

基于車站深基坑承壓水突涌事故處置實踐，結合現場實際情況，對深基坑承壓水危害防控提出幾點建議：

（1）優化設計

應高度重視承壓水深基坑突涌問題，了解基坑突涌發生機理，從“隔水”、“降壓”、“封底”技術路徑防治突涌事故[1]。在條件允許的情況下盡可能的使止水帷幕隔斷下部承壓水并慎重降水，確需降水的必須委托有專業資質的專業班組。

（2）施工調查

應詳細核查場區內水文地質資料，有疑義時主動進行坑外補勘，并仔細排查坑內鉆孔，收集周邊建筑物的基礎資料。

（3）應急管理

備足應急物資，按最不利的情況考慮，強化應急降水井的日常管理，加強突發情況的應急演練。重視前期技術管理，嚴格管控圍護結構施工期間各工序質量及降水井維護。

（4）降承壓水

降水范圍易小不易大、時間易短不易長、易淺不易深，做到按需降水。

（5）突發事件的應急處置

面對突發事件，要嚴判風險、正確應對、做到處危而能避，同時大膽創新，敢于嘗試。應結合工程實際情況選用不同的突涌治理組合技術，治理過程應遵循科學快速原則，可達到經濟、安全的效果[1]。