瀕海富水軟土地質(zhì)懸掛式止水帷幕深基坑管涌防治技術(shù)*

張龍保,古漢卿,賈紅學(xué),李志明,李啟平

(中國建筑第八工程局有限公司,天津 300450)

0 引言

隨著我國軌道交通建設(shè)的發(fā)展,出現(xiàn)了不同線路交錯的情況,使得地下地鐵車站深度不斷增加[1],深基坑土方開挖過程中,極易產(chǎn)生管涌、突涌等險(xiǎn)情。在滲透水壓作用下土顆粒群體運(yùn)動,填充在骨架空隙中的細(xì)顆粒被滲水帶走稱為“管涌”[2]。管涌一旦發(fā)生發(fā)展非常迅急,應(yīng)正確分析管涌產(chǎn)生的原因,及時(shí)制定并實(shí)施應(yīng)對處理方案,將管涌危害降到最低,保證深基坑土方開挖的順利實(shí)施。

車燦輝等[3]對南京長江漫灘地區(qū)某深基坑承壓水管涌的形成條件和處理措施進(jìn)行分析和論述。董松等[4]對蘇州中潤廣場深基坑施工過程中發(fā)生的管涌事故進(jìn)行分析,制訂了改用大功率潛水泵、加厚墊層、對坑中坑基礎(chǔ)底板二次澆筑等合理可行的處理方案。胡云華[5]以南京緯三路長江隧道梅子洲風(fēng)井基坑為例,對臨江超深基坑開挖高承壓水問題進(jìn)行詳細(xì)分析并給出了處理對策。王榮華[6]、陳家春等[7]、李瑛等[8]等對深基坑工程地下水管涌事故原因進(jìn)行了分析,并進(jìn)一步針對管涌事故提供了詳細(xì)的預(yù)防和搶險(xiǎn)方案。

目前,缺乏針對天津?yàn)l海富水軟土地質(zhì)懸掛式止水帷幕條件下地鐵車站深基坑管涌險(xiǎn)情防治的研究,因此本文以天津?yàn)l海某地鐵車站深基坑工程施工為例,分析深基坑施工過程中出現(xiàn)管涌險(xiǎn)情的原因,介紹現(xiàn)場控制險(xiǎn)情的對策,并提出預(yù)防管涌險(xiǎn)情發(fā)生的建議,為類似工程基坑管涌險(xiǎn)情處理提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天津?yàn)l海某地鐵車站為地下3層雙柱三跨島式站臺結(jié)構(gòu),總長213.3m。車站共設(shè)置2組風(fēng)亭、3個(gè)出入口,采用明挖法順作施工[9]。車站深基坑開挖深度為24.99～26.79m。

1.2 工程與水文地質(zhì)條件

上部潛水埋藏較淺,勘察期間地下水埋深0.50～3.00m(高程-0.340～2.170m),地面高程為2.900m,主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層中的粉土、黏性土與淤泥質(zhì)土互層的地層中,含水層基本水平、垂直向滲透性差異較大,局部粉土含砂粒較多時(shí),其富水性、滲透性相應(yīng)增大,其中⑥43黏質(zhì)粉土、⑥44粉砂為主要含水層,場地內(nèi)⑥43黏質(zhì)粉土基本呈條帶狀分布。⑥44粉砂呈條帶狀及透鏡體分布。基坑開挖影響范圍內(nèi)各地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各地層物理力學(xué)參數(shù)

下部微承壓水以第Ⅰ海相層底部黏性土及第Ⅱ陸相層的黏性土為相對隔水頂板,主要賦存于第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層及第Ⅱ海相層的粉土、砂類土中。第1層微承壓水主要賦存在第Ⅱ陸相層中的⑧2黏質(zhì)粉土、第Ⅲ陸相層⑨2黏質(zhì)粉土、⑨24粉砂、⑨25細(xì)砂及第Ⅱ海相層的⑩2黏質(zhì)粉土、⑩24粉砂及⑩25細(xì)砂中,含水層厚度 0.8～25.5m,基本呈層狀分布,局部地段黏性土夾層較厚;第2層微承壓水主要賦存在第Ⅳ陸相層中的2黏質(zhì)粉土、42黏質(zhì)粉土及24粉砂、4粉砂中,含水層厚度1.8～5.9m,高程-55.910～-43.440m,基本呈層狀分布,局部與第1層微承壓水連通。

2 基坑降水設(shè)計(jì)

2.1 降水重難點(diǎn)分析

1)本工程大小里程盾構(gòu)井段底板位于第一微承壓水層⑨2黏質(zhì)粉土中,標(biāo)準(zhǔn)段底板部分位于第一微承壓水層⑧2黏質(zhì)粉土中,且第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關(guān)聯(lián)密切,且車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)未隔斷第1層承壓水和第2層承壓水,易導(dǎo)致地下水繞過墻底進(jìn)入基坑。故控制承壓水穩(wěn)定性,確保不出現(xiàn)涌水、涌砂等事故是本工程的重點(diǎn)。

2)第1層承壓水厚度約3.0～6.0m,含水量豐富,主要為⑧2,⑨2黏質(zhì)粉土層,土層透水性好。地下連續(xù)墻已隔斷第一承壓含水層,但未隔斷第2層承壓水,易導(dǎo)致第2層承壓水繞過地下連續(xù)墻墻底進(jìn)入基坑,并且第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關(guān)聯(lián)密切,結(jié)構(gòu)底板距離第1層承壓水頂板較近(局部揭穿)。根據(jù)上述情況,疏干井井底深入第1層承壓水,疏干水量大,為疏干降水難點(diǎn)。

3)需對第2層承壓水進(jìn)行抗突涌驗(yàn)算,對于第2層承壓水的合理有效控制是難點(diǎn)。

2.2 降水設(shè)計(jì)計(jì)算

2.2.1疏干井設(shè)計(jì)

1)疏干總涌水量

Qw=Q1+Q2=5 798.06m3

基坑降水所需總涌水量為5 798.06m3。

2)水泵選擇

基坑內(nèi)疏干井采用Q3-45/3-1.5型號潛水泵,水泵流量為3.0m3/h,由于場地淺層水多為粉質(zhì)黏土,滲透性差,無法滿足每臺泵均能保證3.0m3/h的出水能力,根據(jù)類似工程經(jīng)驗(yàn),單井出水量q平均取12m3/d。

3)降水井?dāng)?shù)量

根據(jù)DBT29—229—2014《建筑基坑降水工程技術(shù)規(guī)程》進(jìn)行基坑疏干井?dāng)?shù)量計(jì)算:

結(jié)合主體基坑形狀疏干井?dāng)?shù)量實(shí)際布設(shè) 26口,驗(yàn)算單井面積S=5 712m2/26=219.7m2,滿足單井經(jīng)驗(yàn)控制面積。

2.2.2基坑抗突涌驗(yàn)算

基坑下存在承壓含水層時(shí),按下列公式驗(yàn)算基坑抗突涌穩(wěn)定性。

(1)

第2層承壓水抗突涌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 抗突涌安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)基坑抗突涌驗(yàn)算,第2層承壓水安全系數(shù)均小于控制安全系數(shù) 1.1,考慮在坑內(nèi)、外設(shè)置相應(yīng)位置承壓水備用兼觀測井,實(shí)時(shí)監(jiān)測該層承壓水水位動態(tài),需要時(shí)開啟減壓降水。

3 管涌處理過程

3.1 管涌出現(xiàn)情況

2023年2月21日車站主體基坑標(biāo)準(zhǔn)段開挖至距基底約4m,坑內(nèi)第2層承壓水備用兼觀測井YB2-2周邊出現(xiàn)管涌,水夾著泥砂沿承壓井周邊上涌,且涌砂量持續(xù)增大,此時(shí)開挖面為⑥44粉砂,開挖面距離第1層承壓水頂約4.3m。

2023年4月6日,車站主體基坑大里程盾構(gòu)井段開挖至基底以上0.3m時(shí),坑內(nèi)第1層承壓水備用兼觀測井YG1-5周邊出現(xiàn)管涌,水夾著泥砂沿承壓井周邊上涌,且涌砂量持續(xù)增大,此時(shí)開挖面為⑨1粉質(zhì)黏土,開挖面距離第1層承壓水頂約1.0m。

3.2 管涌原因分析

主體基坑土方開挖前進(jìn)行了降水試驗(yàn),根據(jù)本工程抽水試驗(yàn)結(jié)果分析,可以得出以下結(jié)論:①各降水井出水量正常,降水井成井質(zhì)量均合格;②坑內(nèi)降水井布置滿足將基坑水位降至基底以下1m的要求;③坑外觀測井水位變幅平緩,無明顯下降趨勢,初步判斷基底以下地下連續(xù)墻無明顯滲漏點(diǎn)。

管涌發(fā)生是多方面綜合作用的結(jié)果,通過現(xiàn)場勘察和研討,對現(xiàn)場管涌現(xiàn)象進(jìn)行原因分析,得出管涌發(fā)生原因主要包括水文地質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工幾個(gè)方面。

3.2.1水文地質(zhì)

1)地質(zhì)條件

對照管涌點(diǎn)查閱了巖土工程勘察報(bào)告:YB2-2降壓井側(cè)壁濾料回填位置出現(xiàn)管涌時(shí)自開挖面至第2層承壓水底端存在厚度達(dá)17.6m的粉砂層,YG1-5降壓井側(cè)壁濾料回填位置出現(xiàn)管涌時(shí)自開挖面至第1層承壓水底端存在厚度達(dá)14.8m的粉砂層,粉砂層滲透系數(shù)大、透水性強(qiáng),這給管涌險(xiǎn)情的發(fā)生埋下了安全隱患。

該拉桿結(jié)構(gòu)中間螺紋桿不適合粘貼應(yīng)變計(jì)；耳環(huán)套筒螺紋段與螺紋桿相對位置不固定，受載時(shí)套筒傳力路徑不固定。此外，受尺寸和結(jié)構(gòu)限制，5號、6號點(diǎn)受尺寸限制，無法進(jìn)行應(yīng)變電橋改裝工作。因此，適合粘貼應(yīng)變片的位置為1號—4號點(diǎn)，其中1號和2號點(diǎn)位于套筒實(shí)心區(qū)域，位置對稱，3號和4號點(diǎn)分別位于腹板的正面與反面，位置對稱。

2)地下水

第1層承壓水及第2層承壓水主要賦存在黏質(zhì)粉土、粉砂、 細(xì)砂中,第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關(guān)聯(lián)密切,易造成涌水涌砂險(xiǎn)情的發(fā)生。

3.2.2設(shè)計(jì)

車站主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)插入深度不足,未隔斷第1層承壓水和第2層承壓水,易導(dǎo)致基坑外第1層承壓水、第2層承壓水源源不斷地繞過地下連續(xù)墻墻底進(jìn)入基坑。

3.2.3施工

1)成井施工質(zhì)量缺陷

可能由于降水井井管與井壁之間濾料填充不密實(shí),形成了涌水通道,并且承壓水水頭較高,在地下水滲流作用下,使得土體中的細(xì)顆粒沿著粗顆粒空隙通道向上流動,最終形成管涌險(xiǎn)情。

2)正式降水施工缺陷

本工程創(chuàng)新使用一種高效洗井設(shè)備,洗井在短時(shí)間內(nèi)完成,避免了局部突涌發(fā)生。通過反復(fù)提升攪拌器,使攪拌器沖擊擾動降水井底部淤積的泥砂,達(dá)到松散淤積泥砂的目的。當(dāng)洗井設(shè)備筒體向下落時(shí),擋板向筒體內(nèi)部開啟,讓底部泥砂從筒體底部進(jìn)入筒體中,再當(dāng)筒體向下運(yùn)動時(shí),泥砂不會輕易地再隨運(yùn)動重新進(jìn)入到降水井中,提高了清理泥砂作業(yè)效率。當(dāng)筒體向上提起時(shí),擋板關(guān)閉,泥砂將不會隨之流出筒體。如此周而復(fù)始,筒體上下往復(fù)運(yùn)動,可將降水井底淤積的泥砂不斷抽入泥砂容納裝置。最后卸開擋板,將筒體內(nèi)泥砂卸出即可完成洗井工作。

3.3 管涌處理措施

3.3.1雙液注漿封堵

以涌水點(diǎn)為中心采用導(dǎo)管進(jìn)行雙液注漿處理,選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比、水泥漿與水玻璃體積比均根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)調(diào)配,注漿深度為涌水點(diǎn)至涌水點(diǎn)以下10m。直至涌水點(diǎn)有漿液冒出,水頭逐漸減小后不再冒水,管涌得到有效控制。

3.3.2更換大功率潛水泵

通過近期水位觀測發(fā)現(xiàn),地下水補(bǔ)給量大,回水速率過快,原基坑內(nèi)降水井潛水泵為1.1kW,無法滿足現(xiàn)場實(shí)際降水需求,現(xiàn)改為使用2.2kW的大功率潛水泵,加大抽水力度。

3.3.3基坑內(nèi)作排水溝和集水井

1)下泵抽排基坑內(nèi)的明水,加入石灰吸收剩余坑底土殘留水分。

2)創(chuàng)新設(shè)置三橫五縱滲水溝,滲水溝深度400mm、寬度500mm,滲水溝頂標(biāo)高與墊層底標(biāo)高一致。滲水溝內(nèi)回填石袋,石袋應(yīng)緊密壓實(shí),石袋內(nèi)砂礫、碎石、卵石應(yīng)選用顆粒大小均勻的材料,將坑底明水滲透入石袋中流至明排井進(jìn)行抽排。

3)在部分橫、縱向滲水溝相交處設(shè)置2處明排井,明排井深度1 500mm、寬度1 800mm,明排井頂標(biāo)高與墊層底標(biāo)高一致。明排井底部滿鋪350mm厚碎石,下放高度1 500mm、寬度800mm的鋼筋籠,鋼筋籠外裹用于透水的20～30mm厚密目網(wǎng),鋼筋籠外側(cè)環(huán)向回填碎石至墊層底,應(yīng)選用粒徑30～50cm并且粒徑均勻的碎石回填,如圖1所示。

圖1 明排井施工剖面

4)鋼筋籠內(nèi)安放7.5kW水泵,抽排入市政污水管網(wǎng)。

3.3.4加強(qiáng)墊層

墊層采用30cm厚C30混凝土,增配單層雙向φ12@200鋼筋網(wǎng)片,防止承壓水突破其他薄弱環(huán)節(jié)造成突涌,應(yīng)快速組織、安排機(jī)械和人員進(jìn)行墊層澆筑[10]。

3.3.5增設(shè)降水井

1)為有效降低第1層承壓水水位,在管涌范圍附近約15m處增設(shè)2口特制管井降水井。

2)墊層施工完成后,底板鋼筋綁扎期間,將井管豎向扶直放入明排井中,底部采用混凝土結(jié)構(gòu)底板封閉牢固,井管管身下部900mm范圍內(nèi)開設(shè)寬8mm、高60mm的矩形孔。井管外側(cè)環(huán)向回填具有一定磨圓度的碎石濾料至墊層以上50mm,濾料回填速度應(yīng)均勻,不得過快,避免造成井管偏移,如圖2所示。

圖2 增設(shè)降水井施工剖面

3)增設(shè)的降水井施工完畢后,安放水泵進(jìn)行抽水,墊層上鋪設(shè)有混凝土結(jié)構(gòu)底板,在底板進(jìn)行鋼筋制作安裝時(shí),在井管周邊作防水處理,詳細(xì)防水做法如圖3所示,最后澆筑混凝土。

圖3 降水井穿通防水層防水示意

4)當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)底板達(dá)到一定強(qiáng)度后,隨著結(jié)構(gòu)的施工,逐步延伸井管至靜水位,最后拔出水泵,與基坑其他降水井一并封井處理。

4 結(jié)語

基于天津?yàn)l海地下連續(xù)墻未隔斷第1,2層承壓水、第2層承壓水與第1層承壓水局部連通以及承壓水層厚度較大的情況,針對本工程正式降水過程中出現(xiàn)的管涌險(xiǎn)情進(jìn)行原因分析,得出管涌發(fā)生是水文地質(zhì)、設(shè)計(jì)和施工3個(gè)方面綜合作用的結(jié)果。通過雙液注漿封堵、更換大功率潛水泵、基坑內(nèi)施作排水溝和集水井、加強(qiáng)墊層及增設(shè)降水井等多種處理措施,有效地控制了管涌險(xiǎn)情。為預(yù)防和減少后續(xù)類似工程管涌事故發(fā)生,建議從以下幾個(gè)方面做好預(yù)防措施。

1)降水方案中應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的備用降壓井,以備土方開挖后部分降壓井失效或應(yīng)急之用。坑內(nèi)備用降壓井及時(shí)啟用,坑外備用降壓井根據(jù)需要作為應(yīng)急啟動。

2)在基坑開挖前,針對主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中存在質(zhì)量缺陷導(dǎo)致滲漏的部位,應(yīng)采用高壓旋噴樁等有效措施進(jìn)行堵漏。

3)基坑土方開挖前應(yīng)進(jìn)行工程降水試驗(yàn),保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)封閉效果、降壓井成井質(zhì)量以及水位降至基底以下1m。

4)降壓井成井施工時(shí),濾料填充應(yīng)密實(shí)均勻,防止抽水過程中濾料大幅下降,避免形成涌水通道。

5)正式降水施工時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn):①嚴(yán)格控制土方開挖作業(yè),防止挖機(jī)破壞降壓井;②定時(shí)檢查和維修抽水泵,準(zhǔn)備備用電源;③井管堵塞時(shí)應(yīng)及時(shí)洗井,確保水泵放置于設(shè)計(jì)深度;④確保承壓水降到開挖面以下1m后方可進(jìn)行開挖。