地鐵深基坑連續(xù)墻滲漏風(fēng)險(xiǎn)的量化控制

王 鵬鐘有信杜廣林王 亮

（1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,430062，武漢；2.南寧軌道交通集團(tuán)有限責(zé)任公司，530029，南寧；3.廣西帝壩科技有限公司，530022，南寧；4.中鐵一局集團(tuán)有限公司，710054，西安∥第一作者，高級(jí)工程師）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展以及地下空間的進(jìn)一步開發(fā)，基坑工程的建設(shè)規(guī)模向更深、更大的方向發(fā)展。地下連續(xù)墻止水帷幕的施工質(zhì)量對(duì)基坑工程安全至關(guān)重要。但受當(dāng)前施工技術(shù)的限制和復(fù)雜地質(zhì)條件不確定因素的影響，止水帷幕滲漏現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。一旦因止水帷幕缺陷造成管涌滲漏，基坑穩(wěn)定性將存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，造成國內(nèi)軌道交通建設(shè)事故的主因分別為滲流破壞（62%）、支撐失穩(wěn)（13%）、坑內(nèi)滑坡（13%）、機(jī)械傷人（8%）、踢腳破壞（2%）和突涌破壞（2%）等。可見，地下連續(xù)墻滲漏是主要的工程事故誘因［1-3］。因此，在基坑開挖前，準(zhǔn)確檢測出墻體是否存在滲漏，并有針對(duì)性地采取超前補(bǔ)強(qiáng)措施，可有效規(guī)避基坑滲漏風(fēng)險(xiǎn)。

目前，止水帷幕缺陷的檢測方法主要是通過坑內(nèi)降水并觀察坑外水位變化情況［4-5］。該方法僅能做出定性判斷，無法定量確定缺陷的空間位置、滲流量和滲流速度，從而難以指導(dǎo)增強(qiáng)堵漏方案的設(shè)計(jì)和施工。因此，既不受環(huán)境條件制約又能準(zhǔn)確全面獲得水文地質(zhì)參數(shù)的方法亟待創(chuàng)新，特別是基于新技術(shù)手段，亟待研究出先進(jìn)、成熟、準(zhǔn)確的檢測止水帷幕缺陷滲流的新方法［6-9］。

1 聲納滲流測量原理

聲納滲流探測技術(shù)，是利用聲波在水中的優(yōu)異傳播特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)水流速度場的測量。如果被測水體存在滲流，則測點(diǎn)必然存在滲流場，聲納探測器陣列能夠精細(xì)地測量出聲波能量在流體中傳播的大小與分布。依據(jù)探測器陣列測量數(shù)據(jù)的時(shí)空分布，即可檢測出滲流發(fā)出的方向［7-8］。

圖1為三維流速矢量測量技術(shù)原理圖。利用滲流聲源方向上的傳感器2與探頭頂部傳感器1的距離和相位之差，建立連續(xù)滲流場的流速方程：

式中：

U——兩傳感器之間聲道上的平均流速；

L——聲波在傳感器之間傳播路徑的長度；

X——傳播路徑的軸向分量；

t1,2、t2,1——從傳感器1到傳感器2和從傳感器2到傳感器1的傳播時(shí)間。

軸向流速矢量的方向可以根據(jù)時(shí)間t1，2和t2，1的大小關(guān)系確定，徑向流速矢量的方向可以通過將不同傳感器之間測得的流速投影到直角坐標(biāo)系中進(jìn)行確定。

圖1 三維流速矢量聲納測量儀原理圖

2 聲納滲流測量方法

基于現(xiàn)有三維流速矢量聲納測量系統(tǒng)進(jìn)行滲流測量。該系統(tǒng)由聲納測量探頭、電纜和筆記本電腦三部分組成［8］。在進(jìn)行現(xiàn)場滲流測量之前，必須根據(jù)室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)滲流試驗(yàn)對(duì)設(shè)備進(jìn)行基本參數(shù)標(biāo)定。在室外現(xiàn)場測量時(shí)，將聲納測量探頭放入水文地質(zhì)測量孔水面以下開展測量工作。測量從地下水位開始，順序?yàn)樽陨隙?，? m設(shè)置一個(gè)測量點(diǎn)，1個(gè)測點(diǎn)上的測量時(shí)間為1 min。該點(diǎn)測量完成后，測量數(shù)據(jù)將自動(dòng)保存在電子文檔中，再進(jìn)行下一個(gè)點(diǎn)的測量，直到測至孔底。

3 地鐵基坑連續(xù)墻滲漏及堵漏檢測案例

3.1 案例概況

南寧某地鐵站位于邕江南岸，基坑底部的礫石層較厚，且與邕江水相通。地下連續(xù)墻深度為地表以下49 m，并進(jìn)行基巖隔斷承壓水，為施工難度極高的地下隱蔽工程。當(dāng)基坑開挖至接近底板時(shí)，基坑內(nèi)漏水量超標(biāo)，水位升高，開挖困難。施工方曾采取高強(qiáng)度的灌漿，但對(duì)堵漏無任何效果。因此，采用三維流速矢量聲納測量儀針對(duì)相關(guān)的24幅地下連續(xù)墻的止水效果進(jìn)行了滲漏聲納檢測，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行了分析計(jì)算，獲得了原位測量孔內(nèi)每米滲透流速、滲流方向、滲漏流量及滲透系數(shù)等數(shù)據(jù)的分布情況。

3.2 現(xiàn)場滲漏測量分析

圖2為24個(gè)測孔單位時(shí)間的滲漏量結(jié)果，24個(gè)測量孔總滲漏量為3.82×105cm3/s。其中：有5個(gè)測孔的滲漏量顯著高于其他測孔的結(jié)果，分別是8#、15#、16#、14#、7#；除 7#孔外，其余 4 個(gè)測孔的滲漏流量均超過4.96×104cm3/s。通過對(duì)比，判明上述5個(gè)孔發(fā)生了大量滲漏，這與現(xiàn)場降水施工所觀察到的滲漏結(jié)果完全一致。

圖2 車站基坑單孔聲納滲漏流量柱狀圖

滲漏流速作為基坑滲漏的關(guān)鍵指標(biāo)之一，其大小及分布可以有效反映滲漏發(fā)生的空間位置，為后續(xù)堵漏施工提供準(zhǔn)確的位置信息。24個(gè)測孔的滲漏流速的滲漏分布如圖3所示。8#測孔是本項(xiàng)目施工中滲漏量最大的位置，其所測得的滲漏流速也比其他測孔大得多。通過圖3可知，8#測孔的滲漏發(fā)生在深度17～22 m的位置。15#測孔的滲漏主要發(fā)生在21～27 m深度處，測孔16#在18 m和23 m處有兩個(gè)明顯的滲漏點(diǎn)。從平均流速看，數(shù)據(jù)分別為：8#孔 0.526 cm/s；15#孔 0.420 cm/s、16#孔 0.306 cm/s、14#孔 0.198 cm/s、7#孔 0.416 cm/s。平均流速的計(jì)算結(jié)果與圖2中的滲漏量也相匹配。

為了能夠更加清晰地認(rèn)識(shí)滲漏破壞發(fā)生的原因和機(jī)理，基于聲納滲流測量的大量數(shù)據(jù)，反演計(jì)算得到了整個(gè)空間域的滲流場。如圖4所示，將現(xiàn)場測量得到的所有540組（每組由60萬個(gè)物理測量值組成）聲納原位測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入聲納滲流可視化成像智能專家分析系統(tǒng)，反演得到了三維可視化空間滲流場。該滲流場同時(shí)包含了流速、流向和流量等的信息，這使得三者之間的相關(guān)分析成為可能。圖4以指定三維坐標(biāo)位置球形的大小來表征流量的大小，清晰地呈現(xiàn)了深基坑周圍區(qū)域的滲漏流場，局部滲流流速異常大的位置正是止水結(jié)構(gòu)有缺陷的位置。圖4還全面地呈現(xiàn)了不同測井滲漏之間的關(guān)系：8#孔滲漏最大，其周圍的測孔滲漏則較少。這說明了8#號(hào)測井位置止水結(jié)構(gòu)施工時(shí)局部出現(xiàn)較大缺陷，同時(shí)周圍止水較好，導(dǎo)致該處滲漏顯著。14#、15#和16#三個(gè)測井在大致相同的深度范圍發(fā)生大量滲漏，同時(shí)7#測井的位置也與上述三個(gè)測井接近，說明了此處滲漏的發(fā)生存在一定的相關(guān)性，可能是存在顯著不良地質(zhì)體或者存在系統(tǒng)性的施工缺陷。

圖3 各測量孔滲漏流速隨測量深度分布曲線

圖4 車站基坑聲納滲流場三維成像截圖

基于聲納技術(shù)測得的大量流速空間分布數(shù)據(jù)反演計(jì)算出三維流速等值線截圖，如圖5所示。流速的大小是以等值線的密度與色彩的深淺表示的，這為科學(xué)設(shè)計(jì)堵漏方案提供了直接有效的數(shù)據(jù)支持。

從以上數(shù)據(jù)分析可知，有5個(gè)測量孔的平均滲透流速大于0.1 cm/s，屬超標(biāo)流速，存在較大安全隱患。

針對(duì)5個(gè)滲漏異常位置設(shè)計(jì)合理的堵漏方案，滲流方向的識(shí)別至關(guān)重要?；诼暭{滲流矢量的確定方法，圖6給出這5個(gè)滲漏流場的主方向，其中：箭頭的長度表示滲透流速的大小，箭頭的方向顯示滲透流速的指向。探測數(shù)據(jù)為現(xiàn)場施工堵漏指明了位置和方向。

圖5 車站基坑聲納滲流三維流速等值線截圖

圖6 車站基坑聲納測量滲漏方向圖

3.3 灌漿堵漏效果分析

針對(duì)探明的連續(xù)墻滲漏通道，本項(xiàng)目進(jìn)行了灌漿處理，然后再次進(jìn)行聲納滲漏檢測。選擇7#孔和14#孔前后兩次測量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，分析處理方案的效果。總體上，灌漿封堵效果顯著，達(dá)到預(yù)期的處理效果。如圖7、圖8所示，從局部堵漏效果看，14#孔主要滲漏通道得到了顯著抑制，處理后的滲漏流速及滲漏量極小，可以忽略不計(jì)。相比而言，如圖9所示，7#孔的灌漿封堵效果不如14#孔，該孔處理后的平均滲透流速在3×10-4cm/s至5×10-4cm/s之間，仍然偏大。但較處理前，7#孔的滲漏流速已顯著降低，主要的滲漏通道也得到了有效控制。

本項(xiàng)目在針對(duì)性局部灌漿后，再次觀測了坑內(nèi)降水效果。如表1所示，堵漏灌漿前（9月份）和灌漿后（10月份）進(jìn)行對(duì)比，3個(gè)端頭降水井（JSJ5、JSJ6、JSJ7）的坑內(nèi)排水量均有所下降。特別是端頭降水井JSJ7，其排水總量是14#、15#和16#等3個(gè)孔排水量之和，減小了83.5%，坑內(nèi)降水得到了有效控制。

圖7 車站14#孔灌漿前后滲漏流速對(duì)比曲線

圖8 車站14#孔灌漿前后聲納滲漏檢測對(duì)比曲線

圖9 車站7#孔灌漿前后滲漏流速對(duì)比曲線

表1 灌漿前后端頭降水井排水量對(duì)比表

4 結(jié)語

采用聲納滲漏檢測法對(duì)24幅地下連續(xù)墻止水結(jié)構(gòu)進(jìn)行滲流檢測，可快速、準(zhǔn)確地確定滲漏通道的位置。在此基礎(chǔ)上指導(dǎo)局部封堵灌漿，從而使基坑滲漏水量迅速得到控制，并驗(yàn)證了灌漿效果。聲納滲漏檢測為深基坑止水結(jié)構(gòu)滲漏檢測預(yù)警、風(fēng)險(xiǎn)治理、應(yīng)急事故處置等方面提供了完整的滲漏缺陷解決方案，為同類型地鐵深基坑地下連續(xù)墻缺陷堵漏提供了可靠的技術(shù)參考。