巖溶區(qū)基坑抗突涌穩(wěn)定性分析及處理方法

黃 建 寶

(福建東辰綜合勘察院，福建 龍巖　364021)

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·巖土工程·地基基礎(chǔ)·

巖溶區(qū)基坑抗突涌穩(wěn)定性分析及處理方法

黃 建 寶

(福建東辰綜合勘察院，福建 龍巖364021)

結(jié)合某項目場地的巖土工程條件，介紹了巖溶區(qū)基坑突涌發(fā)生的機理，從隔水帷幕、降壓降水、封底加固三方面，闡述了基坑抗突涌常用的處理方法，并提出了該工程的處理方案，達到了良好的治理效果。

巖溶區(qū)，基坑突涌，地質(zhì)條件，注漿

近年來隨著龍巖中心城市快速發(fā)展，高層建筑拔地而起，設(shè)計的地下室層數(shù)由早期1層，逐步向2層～3層發(fā)展。基坑開挖深度和面積逐漸增加，基底下不透水土層的厚度越來越薄，隨之而產(chǎn)生的基坑邊坡支護問題、基底隆起問題以及巖溶承壓水引起的基坑突涌問題也越來越多，最終有的項目因巖溶承壓水頂破坑底上覆土層而發(fā)生突涌，釀成基坑工程的危險事故。龍巖中心城區(qū)為山間盆地地貌，地下基巖為二疊系棲霞組石灰?guī)r，地下巖溶水十分發(fā)育，深基坑施工前應(yīng)進行施工方案論證，針對基坑開挖施工過程中產(chǎn)生的基坑支護、降水、突涌等問題應(yīng)及時采取措施。文章結(jié)合某工程實例簡要介紹巖溶區(qū)基坑突涌發(fā)生的機理，以及發(fā)生突涌后采取的處理方法和有效措施。

1　工程概況

某小區(qū)項目為十多棟19層～29層住宅樓，框架—剪力墻結(jié)構(gòu)，設(shè)計2層地下室，地下室占地面積約20 000 m2?；A(chǔ)形式為CFG樁(水泥粉煤灰碎石樁)加筏板基礎(chǔ)。基坑開挖形狀總體呈近似矩形。場區(qū)地形較為平坦，自然地坪標(biāo)高在331.31 m～332.25 m之間。建筑物總高度約89 m，室外設(shè)計標(biāo)高331.30 m。開挖深度為11.80 m，除東側(cè)為已建17層住宅小區(qū)外，其余的三面為空地。本基坑支護方案為東側(cè)采用排樁支護，南北側(cè)因無建筑物，采用放坡加掛網(wǎng)錨噴支護。由于基坑開挖深度較大，基坑開挖過程中控制與預(yù)防地下巖溶承壓水是基坑支護和土方開挖的關(guān)鍵。當(dāng)基坑開挖至8.2 m深度時，在東南側(cè)有4個部位出現(xiàn)基底土層滲水開裂，有地下水從裂隙中涌出，后續(xù)出現(xiàn)“沸騰”突涌現(xiàn)象。發(fā)生基底涌水后，剛開始緊急采用水泵抽排基坑涌水，但無法降低地下水位，后現(xiàn)場啟動應(yīng)急預(yù)案處理，及時疏散人員，挖掘設(shè)備，最終在日排水量達2萬m3仍無法降低地下水位時，只好暫停抽水等待采取措施。突涌發(fā)生后，最終穩(wěn)定水位在地面下3.5 m處，水位標(biāo)高327.80 m。

2　場地巖土工程條件

2.1地層工程地質(zhì)條件

勘察鉆探中④次生紅粘土和⑤含角礫粉質(zhì)粘土層局部發(fā)育有土洞，⑥中風(fēng)化灰?guī)r局部鉆孔見溶洞發(fā)育。在本場地灰?guī)r埋深在14 m～80 m之間，巖面起伏大，屬于淺～深覆蓋型巖溶區(qū)，巖溶、土洞較發(fā)育。巖溶形態(tài)以石筍、溶洞、溶溝、溶槽形態(tài)分布。

2.2水文地質(zhì)條件

根據(jù)含水層的性質(zhì)及賦存條件，本場區(qū)地下水分為兩種類型：上部③含泥卵石層的第四系孔隙型潛水，水位埋深約3 m，水位標(biāo)高328.30 m，富水性一般，透水性較好，補給來源主要為大氣降水，滲透系數(shù)為20 m/d；下部灰?guī)r內(nèi)存在的巖溶裂隙承壓水，水位埋深3.5 m，水位標(biāo)高327.80 m。補給來源主要為大氣降水、地表水及淺部地下水補給。根據(jù)現(xiàn)場抽水試驗，揭露該含水層單井涌水量大于5 000 m3/d。

3　基坑突涌的發(fā)生機理

3.1巖溶承壓水的形成和特征

承壓水是指上下兩個隔水層之間的含水層中的地下水，亦稱層間水?；?guī)r中因頂板傾斜、含水層厚度變化，特別是補給區(qū)水位高于本區(qū)隔水層頂板時，該含水層形成壓力水頭并高于頂板。巖溶水是指賦存于可溶性巖層的溶蝕裂隙和洞穴中的水，又稱喀斯特水(karst water)。巖溶水的基本特征是：水量豐富而不均一；含水系統(tǒng)中多重含水介質(zhì)并存。水量受巖溶發(fā)育程度的控制，在巖溶強烈發(fā)育區(qū)，受大氣降水或地表水的補給快，水量豐富。巖溶水的運動速度變化很大，因此其流態(tài)變化也很復(fù)雜。在溶孔、溶隙中，地下水緩慢地滲流，水流流態(tài)屬于層流狀態(tài)；而在溶洞、暗河等巖溶管道中，地下水流速大，處于紊流狀態(tài)；在介于兩者之間的大裂隙中則多顯示過渡的混合流狀態(tài)。

龍巖盆地四面環(huán)山，周邊山體巖性多為文筆山組泥巖、粉砂巖和童子巖組的泥巖、粉砂巖等煤系地層，為隔水巖組，區(qū)內(nèi)受斷層切割影響，周邊山體形成阻水巖體。龍巖中心城區(qū)下覆的石灰?guī)r受區(qū)域構(gòu)造和長期溶蝕影響，溶蝕裂隙經(jīng)長期發(fā)育成為地下暗河。在區(qū)內(nèi)灰?guī)r出露和淺覆蓋型裂隙發(fā)育區(qū)，吸收大量的大氣降水和地表徑流，補給形成了豐富的巖溶裂隙水。區(qū)內(nèi)整體地勢呈南高北低，地下水流向由南側(cè)向北側(cè)徑流排泄。地下水大量匯聚，并由水平方向變?yōu)榇怪狈较蛳蛏线\動，因巖溶發(fā)育和水位進一步抬高，在強大的靜水壓力下，巖溶承壓水在第四系沖積層較薄弱處涌出地表，形成天然涌泉。

3.2基坑突涌機理

基坑突涌是指建筑場地基坑開挖后，因其下部存在承壓含水層，基坑底面以下的隔水土層在下部承壓水的水頭壓力作用下，引起基底土體隆起開裂并同時發(fā)生涌水涌砂的現(xiàn)象。基坑開挖過程中，基底下不透水土層厚度越來越薄，承壓水可能頂破坑底而發(fā)生隆起、突涌，釀成基坑工程的重大危險事故，因而在基坑開挖中是必須嚴(yán)格注意的問題。目前，關(guān)于承壓水基坑抗突涌穩(wěn)定的定量分析方法很多，除了經(jīng)典壓力平衡法(規(guī)范法)外，還有土體剪切破壞理論、土體撓曲破壞理論、綜合考慮土體強度和剛度理論及統(tǒng)計預(yù)測法等，但不同方法的假設(shè)條件不一致，具一定的局限性。事實上，不難理解隔水土層的抗剪強度、基坑的平面尺寸、開挖時有無支護等都是影響基坑突涌的重要因素。

針對本工程實際情況，我們選擇GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范2009版7.3條經(jīng)典壓力平衡法(規(guī)范法)來分析本次基坑突涌問題。確切的說，當(dāng)H≥Hcr時，上覆土層的重力不小于承壓水的浮力，此時是安全的；當(dāng)基坑開挖至H

如圖1所示，本基坑工程隔水底板主要為④次生紅粘土和⑤含角礫粉質(zhì)粘土層，隔水土層的臨界厚度為：

Hcr=K·(γω/γ)·h

(1)

式中：γ——隔水土層的重度；

γω——水的重度；

H——基坑開挖后不透水層的厚度，m；

h——承壓水頭高于含水層頂板的高度；

K——安全系數(shù)，計算臨界厚度時取1.0。

根據(jù)本次基坑突涌結(jié)果，h=10.5 m，γ=18.5 kN/m3，γω=10 kN/m3，K=1.0，把以上數(shù)據(jù)代入式(1)，經(jīng)計算得Hcr=5.7 m。這一計算結(jié)果與基坑開挖至8.2 m時發(fā)生突涌非常吻合。

4　基坑發(fā)生突涌的處理方法

4.1常用處理方法

突涌處置措施方面，根據(jù)龔曉南等主編的《深基坑工程設(shè)計施工手冊》介紹，通常有“隔水帷幕”“降壓降水”及“封底加固”三種技術(shù)措施。

1)隔水帷幕。

對于承壓含水層埋藏深度相對較淺的深基坑工程，設(shè)計中可設(shè)置較深的地下連續(xù)墻作為隔水帷幕，并進入下部不透水層一定的深度，達到隔斷基坑內(nèi)外承壓水的水力聯(lián)系的目的，然后采用常規(guī)的基坑疏干降水法排水措施。

2)降壓降水。

對于基坑底部承壓含水層以上覆土不足以抵抗承壓水頭而又不適合隔斷承壓水的工程，可采用降壓降水的方法。降壓降水方案應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境條件等因素并通過計算綜合確定。設(shè)計降壓井后，應(yīng)使基底以下含水層上部保留的覆蓋層土體重力大于承壓含水層的水頭壓力。

3)封底加固。

封底加固措施一般適用于開挖至基底標(biāo)高時，承壓水的浮托力略大于上覆土重時，不能滿足抗承壓水穩(wěn)定性的基坑。封底加固一般可采用水泥土攪拌樁或高壓旋噴樁等加固體，利用地基處理后，基底土體重度、土層抗剪強度的提高，以及基坑內(nèi)部密布基樁的類似加筋作用，起到抵抗承壓水壓力的目的。

結(jié)合本工程實際，“隔水”法因基巖埋深起伏大，在巖層淺的地方難以設(shè)置地下連續(xù)墻隔水帷幕，不宜采用。經(jīng)專家論證，綜合考慮，優(yōu)先選用封底加固措施適時結(jié)合降壓措施。

4.2本工程突涌處理方案

首先，整個開挖基坑進行全面回填至穩(wěn)定承壓水頭以上約1.0 m，標(biāo)高至328.70 m；充分考慮對東側(cè)已建17層建筑的影響，在東側(cè)已建的排樁支護體系中設(shè)計多道內(nèi)斜支撐，在東側(cè)基坑外圍小區(qū)路面施工3排梅花形鉆孔，進行止水帷幕灌漿，外圍再施工多個地下水回灌井，減少對東側(cè)建筑的影響。其次，在開挖基坑邊界施工3排梅花形鉆孔，孔間距為3 m，進行止水帷幕高壓注漿；整個基坑范圍內(nèi)按孔間距3 m進行高壓旋噴注漿；在4個突涌點范圍周邊一定范圍內(nèi)加密注漿鉆孔，孔間距加密到2 m。注漿孔深度進入設(shè)計地下室基底下約10 m～15 m，在灰?guī)r比較淺的地方穿過破碎層進入完整巖層一定深度。采用雙管注漿方案，壓力注漿目的是：封堵地下滲水、孔隙水，加固土體，提高土體重度和抗剪強度。第三，加強對周邊臨近建筑的變形觀測。

4.3注漿效果檢測和補救方案

注漿一段時間后，選取其中一個突涌點進行鉆孔抽水試驗，檢測注漿的效果，經(jīng)試抽水，發(fā)現(xiàn)孔內(nèi)水位難以降低，該點注漿止水效果不明顯?？紤]到該項目工期延誤較久，急于開工，且大面積注漿已對土體起到一定的加固作用，后經(jīng)專家再次論證，確定分段開挖，先開挖突涌點外圍，基底設(shè)置多道排水盲溝，在地下室邊界外側(cè)的基坑底設(shè)置4個～5個集水坑。開挖至突涌點時，遇涌水導(dǎo)入排水盲溝進入外側(cè)集水坑，抽排出基坑外。最終基坑開挖完時經(jīng)測算總涌水水量達4.8萬m3/d。抽水工作直到上部結(jié)構(gòu)重量大于地下水浮力時，準(zhǔn)備回填基坑外側(cè)填土?xí)r才停止。

5　結(jié)語

1)隨著龍巖中心城市高層建筑地下室及地下工程的建設(shè)，基坑開挖的深度不斷增加，基坑周邊環(huán)境條件更加復(fù)雜，由此而產(chǎn)生的巖土工程問題也愈來愈多，巖溶承壓水條件下的基坑抗突涌問題應(yīng)引起充分重視。在該區(qū)進行工程建設(shè)，基坑開挖前應(yīng)充分分析和論證基坑開挖和地下水控制方案，特別對于基坑發(fā)生突涌時的處理方法要得當(dāng)，要及時，否則將造成巨大的損失。

2)處理巖溶水基坑突涌的隔水帷幕、降壓降水、封底加固三種方法，存在各自的適用條件和優(yōu)缺點，如隔水帷幕方法雖然安全，但地下連續(xù)墻存在造價高，施工質(zhì)量難以保證等缺點；降壓降水法易造成基坑周邊建筑沉降開裂；封底加固宜進入一定深度等，選用時要綜合考慮經(jīng)濟、安全及對周邊環(huán)境的影響。

3)規(guī)范采用的壓力平衡法來驗算基坑的抗突涌穩(wěn)定性，即把承壓含水層水頭壓力與上覆土層單位面積質(zhì)量相等作為基坑突涌破壞的判斷標(biāo)準(zhǔn)，并未考慮基底土層自身的抗剪強度、基坑平面尺寸和坑內(nèi)樁基等作用。該方法在實際使用中偏保守，易造成經(jīng)濟上的不必要的浪費。目前這類問題理論分析方法和計算模型多樣，但都存在一定的局限和缺點。根據(jù)不同的工程特點和場地巖土工程條件合理選用計算模型，才能使計算結(jié)果更接近實際。

[2]GB 50007—2012，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[3]JGJ 120—2012，建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程[S].

[4]丁春林.軟土地區(qū)承壓水基坑突涌穩(wěn)定計算法研究綜述[J].地下空間與工程學(xué)報,2007(2)：71-72.

[5]謝孔金.基于承壓水條件下基坑抗突涌穩(wěn)定性分析及處理方法[J].建筑科技與管理，2010(2):38-39.

[6]李超勝,何爽,劉珣.基坑抗突涌計算方法的對比分析[J].安全與環(huán)境工程,2008(9):15-17.

[7]劉有才.深大基坑施工中的防滲漏防突涌綜合技術(shù)[J].建筑施工,2008(9):58-60.

[8]鄭劍升,張克平,章立峰.承壓水地層基坑底部突涌及解決措施[J].隧道建設(shè),2003(10):42.

[1]GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范[S].

Stability analysis and handling method of anti-uprush of foundation pit in the karst area

Huang Jianbao

(FujianDongchenComprehensiveInvestigationInstitute,Longyan364021,China)

Combining with the geotechnical engineering conditions of the project field, the paper introduces the foundation water-gushing mechanism of karst area, describes common foundation water-gushing processing methods from three aspects of water-isolating curtain, step-down and precipitation, bottom-sealing reinforcement, and puts forward the engineering processing scheme, so as to achieve great treatment effect.

karst area, foundation water-gushing, geological conditions, grouting

1009-6825(2016)19-0047-03

2016-04-25

黃建寶(1972- )，男，高級工程師

TU463

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