富水砂層深基坑地下水控制措施與突涌分析

朱清鵝 趙亞軍 呂 朋 劉 偉

（中建一局集團第五建筑有限公司，北京 100000）

0 引言

在地鐵施工過程中，地下水涌出、滲漏等是近幾年來造成基坑事故主要原因，這為地鐵工程建設(shè)敲響了警鐘[1]。地鐵施工中，有效地控制地下水是保障地鐵施工質(zhì)量安全的重要因素之一[2]。隨著軌道交通的發(fā)展，深基坑也越來越多，施工環(huán)境越來越復(fù)雜，在深基坑施工中面對的風(fēng)險越來越多，其中，地下水控制的成功與否，對深基坑工程是否能安全施工起關(guān)鍵性作用[3]。該文以福州市城市軌道交通4號線一期工程第2標度8工區(qū)為背景，對地下水控制措施進行介紹，對工程出現(xiàn)突涌現(xiàn)象的應(yīng)急處理進行研究，得出一套回填+注漿+降水井+迅速澆筑底板的應(yīng)急處理方法，為以后類似工程提供參考意見。

1 工程概況

1.1 項目概況

福州市城市軌道交通4號線一期工程第2標度8工區(qū)項目包括兩站兩站兩區(qū)間，前嶼站（不含）～光明港站（含）～鰲峰洲站（含），全長1.6km。兩站均采用地連墻+內(nèi)支撐的圍護結(jié)構(gòu)形式、均采用明挖法施工，基底均采用深層水平封底加固。鰲峰洲站為為地下3層島式車站，車站長145m，標準段寬22.1m。車站北側(cè)為光明港二支河河涌，南側(cè)為鰲峰路，車流量較大；車站東側(cè)有110KV高壓電纜（架空）及村民房屋；西側(cè)為富閔時代廣場。光明港站為地下二層島式車站，車站總長為238.6m，標準段寬為19.7m，標準段基坑深度18.9m。共設(shè)置3個出入口和1組風(fēng)亭，其中3號出入口和1號風(fēng)亭設(shè)置于前橫南路西側(cè)的空地塊內(nèi)，1號出入口和4號出入口設(shè)置于前橫南路東側(cè)的空地塊內(nèi)。

1.2 工程地質(zhì)條件

車站基坑所處地層由上至下依次為 ＜1-2＞雜填土，＜2-4-1＞淤泥，＜2-4-4＞淤泥夾砂，＜2-4-6＞含泥中細砂，＜3-1＞粉質(zhì)黏土，＜3-2＞粉細砂，＜3-3＞中粗砂。基坑開挖范圍內(nèi)地層主要為淤泥、淤泥夾砂層、含泥中細砂層，基底部分處在含泥中細砂層。地連墻深入粉細砂地層，接近粉細砂層的最底部。地質(zhì)縱斷面圖如圖1所示。

圖1 地質(zhì)縱斷面圖

1.3 地下水類型及不良作用

1.3.1 地下水類型

1.3.1.1 上層滯水

整個場地地表廣泛分布人工填土層，部分為填砂，填石等。主要分布于表層填土層內(nèi)，為孔隙水，透水性較好，水量不大，水位變化隨周圍環(huán)境變化。上層滯水的水位和水量隨季節(jié)變化較大，雨季上層滯水水量較豐富，枯季水量變小。

1.3.1.2 松散層孔隙潛水

松散層孔隙潛水分布范圍比較大，第四系風(fēng)積層粉細砂、中砂、第四系沖海相沉積（含泥）中細砂中，該層屬強透水層，其上部為素填土、雜填土層、填砂、填石直接覆蓋，具有統(tǒng)一地下水位，為潛水。

1.3.1.3 松散層孔隙承壓水

根據(jù)場地鉆孔資料，松散巖類孔隙承壓水主要賦存于中粗砂、中粗砂中。砂的形狀、顆粒級配、大小、黏粒含量等決定了松散層孔隙承壓水含水性能，以上各地層均屬中等～強透水層。

1.3.2 地表水

兩站緊靠光明港河，地表水體發(fā)育。

閩江是天然的泄洪排沙水道，長約16km，江面寬為2000m～3000m，最寬處達4000m以上，枯水期一般淺槽水深1m～5m。河床底的土層具有高滲透特性。遠洋路站主體結(jié)構(gòu)距離閩江約1500m，鰲峰路站主體結(jié)構(gòu)距離閩江約450m。

1.3.3 地下水位

該工程場地范圍內(nèi)，松散層孔隙潛水初見水位埋深為0.00m～3.56m ，標高為2.45m～5.32m，穩(wěn)定水位埋深為0.00m～4.01m，標高為2.45m～4.77m；松散層孔隙承壓水穩(wěn)定水位埋深為1.75m～4.32m，標高為2.30m～4.30m。

1.3.4 不良作用

隨著基坑開挖，承壓含水層上覆土層越來越薄，相應(yīng)的土壓力下降，當(dāng)土壓力≤承壓含水層的頂托力時，基底土層可能被承壓水頂起，甚至被頂裂產(chǎn)生滲水通道，導(dǎo)致突涌這一不良作用。

2 地下水控制措施

2.1 方案選型

該工程針對地下水控制重難點，選擇相應(yīng)的設(shè)計方案。

2.1.1 承壓含水層突涌風(fēng)險

針對粉細砂層，根據(jù)現(xiàn)有圍護設(shè)計資料可知，主體基坑地連墻底深入該層且圍護底已水平封底，因此坑內(nèi)降水屬于封閉式帷幕降水。對基坑開挖造成主要影響的承壓含水層為粉細砂層。隨著基坑開挖深度越深，承壓含水層上覆土層越來越薄，相應(yīng)土壓力越來越小，當(dāng)土壓力小于承壓水頂托力時，突涌將成為引起基坑事故的最大風(fēng)險源之一。由于該工程圍護形式與地層關(guān)系較為復(fù)雜，常規(guī)的解析公式因與該工程實際情況匹配度不高，因此須考慮采用三維數(shù)值模擬法，根據(jù)該工程實際情況建立三維滲流模型，進行坑內(nèi)外的降深預(yù)測。

2.1.2 開挖面范圍內(nèi)以砂性土為主

根據(jù)詳勘資料，潛水含水層主要分布于埋深約40m的砂土中，重力釋水量較大，須采取措施降低土層含水量，否則容易產(chǎn)生流砂、開挖面積水等不良現(xiàn)象，影響開挖施工。針對該風(fēng)險性，設(shè)計了如下方案：1）疏干井和降壓井分開布置，疏干井主要針對上部潛水含水層，為避免疏干井揭穿水平封底，引起承壓水沿著疏干井突涌的問題，疏干井深度控制在水平封底頂以上至少1m。降壓井主要用于基坑開挖底面下分布的粉細砂含水層。疏干井?dāng)?shù)量按200m2一口布置。2）配置雙路電源或備用發(fā)電機，確保后期抽水持續(xù)。3）施工組織設(shè)計時，應(yīng)精心設(shè)計排水系統(tǒng)，確保排水通暢。4）為減少后期封井風(fēng)險，坑內(nèi)二分之一的疏干井采取不割管處理，靠近支撐搭設(shè)輔助平臺進行管理。5）要求前期成井后，須進行降水驗證試驗，檢驗降深效果，評估地墻止水效果并細化降水方案。

2.1.3 周邊環(huán)境復(fù)雜

由于工程所處周邊建筑物、管線眾多，對沉降控制要求高，基坑采用封閉式帷幕降水，在基坑圍護良好的前提下，坑內(nèi)降水對坑外影響很小。針對這一風(fēng)險，設(shè)計如下方案：1）通過坑外每80米左右設(shè)置1口淺層水位觀測井來判定坑內(nèi)抽水對坑外的滲流影響，對沉降要求極高的構(gòu)筑物環(huán)境周圍，可以適當(dāng)增加淺層水位觀測井?dāng)?shù)量。部分坑外區(qū)域因場地翻交，無法施工水位觀測井，因此水位觀測井盡量布設(shè)在施工圍擋內(nèi)。當(dāng)圍護發(fā)生嚴重滲漏時，可適當(dāng)短時開啟坑外水位觀測井，降低坑內(nèi)外水頭差，利于控制險情，便于地墻堵漏。2）施工過程中，須密切關(guān)注坑內(nèi)抽水對坑外水位的影響。對坑外的水位進行實時監(jiān)測，加強對周邊沉降變形監(jiān)測。3）優(yōu)化坑內(nèi)井點設(shè)計深度及井位布置，抽水井位盡量設(shè)置在遠離構(gòu)筑物附近。

2.2 降水設(shè)計

2.2.1 降水井設(shè)計

該工程淺層土主要以砂層為主，滲透性較好，a井取200m2。坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量：n=A/a井式中：n為基坑內(nèi)降水井?dāng)?shù)量（口）；A為基坑面積 （m2）；a井為單井有效降水面積 （m2）。

該工程疏干作用降水井?dāng)?shù)量布置情況見表1。

表1 疏干井設(shè)計

2.2.2 降壓設(shè)計

2.2.2.1 降水滲流模型及依據(jù)

針對該工程，＜3-2＞厚度較大且上覆無連續(xù)的隔水層，主體基坑止水帷幕以及水平封底已隔斷該層，減壓降水形式屬帷幕深入并揭穿含水層頂板、將含水層完全隔斷的封閉式降水滲流模型。

2.2.2.2 井深設(shè)計

考慮到開挖面范圍及以下以砂性土層為主，為保證疏干效果，疏干井須確保一定的水力梯度，井底宜進入坑底以下至少7m左右；3-2層降水，部分降水井深入至水平封底以上，兼顧3-2層的降水，加深的降水井宜搭設(shè)輔助平臺進行管理。因此該工程坑內(nèi)降水井設(shè)計深度為25m及31m。

2.2.2.3 數(shù)值模擬

2.2.2.3.1 地下水滲流三維數(shù)學(xué)模型

將地下水問題簡化為求解地下水在多孔介質(zhì)中流動的問題。根據(jù)該工程的水文地質(zhì)條件，利用下述地下水滲流連續(xù)性方程，及其定解條件，來建立與之相適應(yīng)的地下水三維非穩(wěn)定滲流數(shù)學(xué)模型。

式中Sy—給水度；S—儲水系數(shù)；M—承壓含水層厚度，m；B—潛水含水層厚度，m；SS—儲水率 ，（1/m）；M—承壓含水層厚度，m；W—源匯項（1/d）；Ω—計算域；h0、h1—計算域初始水頭值、第一類邊界的水頭值，m；kxx，kyy，kzz—各向異性主方向滲透系數(shù)（m/d）；t—時間（d）；Γi—第i類邊界（i取1、2）；nx、ny、nz—邊界Γ2的外法線沿x、y、z軸方向單位矢量；q—Γ2上單位面積的側(cè)向補給量（m3/d）；x、y、z—離散模型中三維坐標值；h—點（x、y、z）在t時刻的水頭值，m；—水頭值h對x、y、z、t偏導(dǎo)。

2.2.2.3.2 離散模型

利用有限差分法對上述數(shù)學(xué)模型進行離散得到數(shù)值模型，并以此模型為基礎(chǔ)，編制計算程序預(yù)測和計算因降水引起的地下水位時空分布。

根據(jù)地勘報告建立模型，對文地質(zhì)特性根據(jù)經(jīng)驗值進行賦值，利用模型預(yù)測。為了能夠忽略邊界對模擬結(jié)果的影響，將此次模擬計算區(qū)域邊界外擴約1000m。

在考慮抽水井、帷幕和觀測井在離散模型中的空間位置的前提下，根據(jù)計算的平面范圍、初始條件、邊界條件和地層概化，對計算區(qū)域進行離散，并建立相應(yīng)的三維計算數(shù)值模型。離散后的水文地質(zhì)模型示意圖見圖2。

圖2 離散模型三維劃分

2.2.2.3.3 降水計算

根據(jù)建立的模型進行計算主體基坑降水情況。因該工程為封閉式圍護條件下抽水，理論上坑內(nèi)降水對坑外無影響，實際假定圍護底水平封閉加固滲透系數(shù)為0.1m/d，計算降水對坑外的影響作為參考。根據(jù)模型計算，在坑內(nèi)水位降至開挖面以下1m時，坑外層水位最大降深約0.7m。

2.2.3 坑外觀測井設(shè)計

結(jié)合該工程地層情況，通過在主體基坑外每80米左右布置1口淺層水位觀測井來判斷坑內(nèi)抽水對坑外的滲流影響。

主要設(shè)置在主體基坑外圍，布置8口坑外觀測井，井深為31m，井號為GQ1～GQ8。

后期根據(jù)坑內(nèi)外水位觀測情況，結(jié)合周邊環(huán)境監(jiān)測情況，必要時增加坑外觀測井或應(yīng)急抽水井。

2.2.4 工作量統(tǒng)計

最終確定25m深坑內(nèi)降水井10口，31m深坑內(nèi)降水井12口，坑外31m深水位觀測井8口。

3 突涌險情分析

此次發(fā)生突涌的位置是位于基坑南端頭的Y8降水井，基坑挖土至基坑深度一半位置時，Y8降水井井壁周圍有輕微清水涌出來，隨著挖深的進一步加大，當(dāng)開挖到設(shè)計底板深度時，Y8降水井涌水量開始加大，并伴有少量泥砂涌出。Y8降壓井的埋深為31m，井身穿過＜2-4-6＞層及＜3-1＞層進入＜3-2＞層，根據(jù)降壓井、基坑圍護及水平封底與地層的關(guān)系，可能存在以下兩種涌水原因：1）通過水平封底與底板間墻縫之間存在薄弱點，隨著基坑開挖至底，坑內(nèi)外水頭差約16m，在較大的水頭壓力差作用下，地下水沿降水井井壁形成滲流通道，發(fā)生涌水情況；2）圍護墻底水平封底加固不均勻，存在薄弱點，造成地下水沿降水井井壁形成滲流通道，發(fā)生涌水情況。

4 應(yīng)急搶險措施

4.1 階段處理措施

階段處理措施如下：1）發(fā)生涌水情況時，第一時間組織人員進行回填，把地下水進行反壓，盡量減少泥砂的涌出。2）坑外組織對圍護結(jié)構(gòu)地連墻進行注漿，阻斷可能通過水平封底與底板間墻縫之間產(chǎn)生的地下水的繼續(xù)涌入。3）在涌水區(qū)域增加降水井?dāng)?shù)量，因承壓水位高于開挖面已經(jīng)近9m，坑內(nèi)無法再繼續(xù)直接施打降水井，只能通過坑外施打降壓井，強制降低地下水位，然后再進行坑內(nèi)施打降水井，降水井施打數(shù)量根據(jù)計算確定。4）坑內(nèi)降水井施打完成以后，同時開始抽水，并且迅速把涌水區(qū)域底板澆筑完成。

4.2 整體思路

在富水砂層基坑發(fā)生涌水涌沙情況時，首先利用搶險的黃金時間，馬上組織機械和人員對涌水涌沙區(qū)域迅速回填反壓。

然后分析其產(chǎn)生涌水涌沙的原因，根據(jù)其可能的成因，進行對應(yīng)措施的地下水隔斷，或者減緩地下水噴涌的速度，減小其可能對基坑產(chǎn)生淹沒的風(fēng)險。

同時立即組織降水隊伍在坑內(nèi)進行降水井的施打，如果因開挖面已經(jīng)超過承壓水水頭標高太多，不具備在坑內(nèi)施打降水井的條件，可以在坑外先施打降壓井降低其地下水位，同時要做回灌井，根據(jù)周邊建筑物監(jiān)測情況，隨時進行回灌。降水井施打數(shù)量根據(jù)涌水公式和降水試驗數(shù)據(jù)進行確定。

降水井施打完成以后，坑內(nèi)降水井同時開啟，迅速施工底板鋼筋綁扎，混凝土澆筑工作，盡快完成涌水位置的底板施工。

5 結(jié)論

該文通過對福州市城市軌道交通4號線一期工程第2標段8工區(qū)地下水控制措施、突涌應(yīng)急搶險措施的研究，得到以下結(jié)論：1）對深基坑開挖可能產(chǎn)生的承壓水風(fēng)險，須在制定降水方案時就充分考慮，施打足夠的降壓井和疏干井，這將大大縮減可能發(fā)生險情的處理時間，大大減小基坑被淹沒的風(fēng)險。2）水平封底作為圍護結(jié)構(gòu)的一部分，對防止突涌情況發(fā)生起至關(guān)重要的作用，所以對有水平封底的車站，在水平封底施工階段嚴把質(zhì)量關(guān)，盡可能發(fā)揮水平封底阻斷地下水的作用。3）當(dāng)發(fā)生類似突涌時，采用回填+注漿+降水井+迅速澆筑底板的方法，能夠有效及時地解決突涌險情。