深大基坑底部承壓水突涌控制技術及其對周邊環(huán)境影響

潘紅桂

（中鐵四局集團有限公司，安徽 合肥 230023）

0 前言

隨著我國城市化進程的不斷深入，地下空間開發(fā)需求與日俱增，大批深基坑項目應運而生，不可避免帶來了一些承壓水突涌問題[1]，有些不僅危及工程自身安全，也給臨近建筑物、管線帶來重大風險[2]，承壓水突涌危害已經(jīng)成為深基坑工程技術人員需要面對的問題之一。

目前，國內(nèi)外已有不少學者對軟土基坑支護側(cè)移規(guī)律[3]、深基坑降水施工引起周邊地表沉降與建筑物管線變形問題進行了研究[4]，吳林高教授[5]就承壓水對基坑工程的危害、滲流計算、地表沉降計算、降水設計與回灌等內(nèi)容進行了研究，為深基坑工程降承壓水設計、施工提供了重要參考。但是，對于承壓水突涌引起的基坑淹沒、后續(xù)處理措施及影響研究相對較少，專門針對承壓水與基坑組合問題研究的論文相對較少[6]。

本文依托某城際鐵路基坑突涌問題，研究一種坑外降承壓水及控制敏感建筑物沉降的方法，此方法有效解決了基坑突涌事件后續(xù)處理問題，為類似地層承壓水突涌控制提供了一種借鑒與參考。

1 工程概況

1.1 設計概況

本文依托某城際鐵路某車站開挖深基坑。該站外包總長457.65m，標準段外包總寬22.1m，采用明挖順作法施工，基坑設計三道封堵墻，共分為4個基坑組織施工，發(fā)生突涌事件的基坑為1#基坑（見圖1）。

圖1 車站設計概況

該基坑開挖深度為28.4m，連續(xù)墻深度為55.9m，基坑底位于5④粉砂層，地連墻墻趾位于8③粉質(zhì)黏土夾粉土層。

基坑采用1.0mm厚地下連續(xù)墻+7道內(nèi)支撐(端頭井8道)+2道鋼換撐的圍護方案，第一、五道為鋼筋混凝土支撐，第二、三、四道為φ600mm×16mm鋼管支撐，第六、七（八）道為φ800mm×20mm鋼管支撐?；庸诹撼叽鐬?200mm×1000mm，第一道支撐尺寸為800mm×1000mm；第五道腰梁尺寸為 1000mm×1000mm，支撐尺寸為1000mm×1000mm，均采用C30鋼筋混凝土。

基坑南側(cè)為既有高鐵站站前廣場，基坑距離高鐵站房約150m（見圖2）。

圖2 基坑與既有車站位置關系圖

1.2 地質(zhì)水文條件

基坑地質(zhì)情況自上而下依次是①2層人工填土，③2層黏質(zhì)粉土，⑤4層粉砂，⑦2-1層粉質(zhì)黏土夾粉土，⑦3-1層粉土，⑧3層粉質(zhì)黏土，⑨3-1層細砂，⑨4層圓礫。基坑底位于⑤4層粉砂，地連墻墻趾位于⑧3層粉質(zhì)黏土中（見圖3）。

圖3 1#基坑地質(zhì)縱斷面圖

⑤4層粉砂：稍密狀，土質(zhì)均勻性稍差，局部呈粉土狀，性質(zhì)稍好，空間分布連續(xù)性差，適宜作為低層輕型附屬建筑物的天然地基持力層。

⑧3層粉質(zhì)黏土：可塑狀，土質(zhì)均勻性一般，空間水平向空間分布連續(xù)性較好，頂部埋深起伏較大，在其分布區(qū)域下部無軟弱層分布，力學性質(zhì)較好，具有中等偏低壓縮性，適宜作為一般建筑物的短樁持力層。

孔隙潛水主要賦存于場區(qū)淺部人工填土及黏性土層內(nèi)，穩(wěn)定水位埋深為地面下1.2～3.5m，表層填土含水層組其富水性和透水性具有各向異性，透水性良好，下部黏性土層含水層組其富水性和透水性具有各向同性，透水性弱。動態(tài)變幅一般在1.0～1.5m左右。

孔隙承壓水主要賦存于下部的⑤4粉砂、⑨3細砂、⑨4圓礫（礫砂）層中，根據(jù)勘察報告，其上覆的⑦2層粉質(zhì)黏土夾粉土、⑧3粉質(zhì)黏土構成相對隔水層。

潛水位地面以下0.5m，承壓水地面以下6m。

1.3 突涌狀況

基坑突涌時西側(cè)端頭井開挖至23.4m（距設計坑底標高5m），支撐架設至第6層；東側(cè)開挖至18.5m，中間為22.5m（距設計坑底標高3.5m），支撐架設到第6層。

圖4 土方開挖縱斷面圖

12月15日15 :30左右，1#基坑第9道與第10道混凝土支撐之間開挖面突發(fā)涌水并伴有粉細砂顆粒，孔徑約5cm，現(xiàn)場及時采取棉絮堵孔和砂袋反壓，但效果不明顯。18:50左右距離端頭井28m處，發(fā)現(xiàn)第2處坑底涌水涌砂，同時伴有大量礫石，水頭約20cm，直徑約30cm，現(xiàn)場及時采用?273mm、長4m鋼管插入，但涌水情況越來越大，約為0.08m3/s。

圖5 基坑突涌出水點

圖6 基坑突涌帶出圓礫石

當日19:20左右，經(jīng)過砂袋反壓、回填土方均無法有效減小涌水量，現(xiàn)場及時采取了水泵集中明排。同時撤離基坑人員，加強基坑變形及水位監(jiān)測，后續(xù)采用混凝土反壓回填，但效果有限，水位逐漸上升至淹沒基坑，上升至坑底以上5m后保持穩(wěn)定。

通過觀察突涌點位置、形狀、帶出圓礫石特點，結合勘察點點位初步判斷為疑似隔水層地層起伏變化較大，前期勘探孔封孔不牢，隨著基坑開挖深度增加，勘探孔內(nèi)上覆土層土柱厚度不足以抵抗承壓水水頭差引發(fā)突涌。

圖7 現(xiàn)場基坑淹沒照片

2 深基坑施工底部承壓水突涌機理及成因分析

基坑開挖后，由于承壓含水層上覆土層厚度變薄，其上覆土的壓力降低。當上覆土的壓力小于或等于承壓含水層的頂托力時，承壓水將可能使基坑底面產(chǎn)生隆起，嚴重時使土體被頂裂產(chǎn)生滲水通道，從而發(fā)生基坑突涌。

圖8 基坑抗承壓水突涌穩(wěn)定性驗算原理示意圖

2012年頒布的行業(yè)標準《建筑基坑支護技術規(guī)程》（JGJ120-2012）首次將滲流分析概念引入承壓水突涌安全計算[7]，采用下式判別基坑開挖后是否處于抗底部承壓含水層突涌穩(wěn)定（安全）的狀態(tài)。

對于需采取減壓降水措施的基坑工程，在計算減壓降水幅度時一般取臨界狀態(tài)[8]進行計算

Ps—承壓含水層頂面至基底面之間的上覆土壓力，（kPa）

Pw—初始狀態(tài)下（未減壓降水時）承壓水的頂托力，（kPa）

hi—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的厚度，其和等于圖8中的h，（m）

γsi—承壓含水層頂面至基底面間各分層土層的重度，（kN/m3）

H—高于承壓含水層頂面的承壓水頭高度，即圖6中所示H，（m）

γw—水的重度，取10，（kN/m3）

Fs—安全系數(shù)，一般取1.05～1.20，本次研究取1.10。

計算安全系數(shù)下Fs=1.10的承壓水頂托力：Fs·γw·H＝533.5kPa，基坑臨界開挖面深度22.78m（標高-16.78m），即在不降壓的情況下基坑開挖至22.78m時處于抗突涌臨界狀態(tài)。

3 基坑承壓水突涌控制方法

3.1 降承壓水技術

根據(jù)地勘報告、坑內(nèi)坑外地表變形、場地條件等因素綜合考慮，確定處理方案為坑外降承壓水方案，在布設坑外降壓井前需要進行降水試驗與降水井設計。

3.1.1 降水試驗

降水試驗主要針對細砂、圓礫承壓含水層，驗證群井降深能力是否滿足降深要求，提出合理的單井出水量建議值，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，分析計算降水影響范圍及降水影響沉降等值線，防止因承壓水層判別不明引發(fā)基坑突涌事件。

本次降水試驗1#基坑外共設置試驗井（孔）24口，編號為：抽水井J1～J20，觀測井GCJ1～GCJ4，其中抽水井8口，備用抽水井12口，觀測井4口。其中1#基坑外設置20口，在距J1和J20平行于基坑處80m、150m位置共設2口，基坑南側(cè)既有高鐵沿線布置2口（見圖9）。

圖9 降水試驗井位布置圖

單井抽水試驗時，共設置試驗井（孔）3口，呈一字型布置，各井間距均為10m；其中抽水井1口，水位觀測孔2口。抽水井編號為J3，觀測孔J4、J5。

群井抽水試驗共設置試驗井（孔）24口，其中抽水井8口，其編號為J1～J8;備用抽水井2口，J10、J11；其余為觀測井。

3.1.2 滲透系數(shù)計算

按承壓含水層完整井的穩(wěn)定流公式計算含水層滲透系數(shù)。根據(jù)相關規(guī)范、規(guī)程，承壓水含水層穩(wěn)定流滲透系數(shù)計算公式：

式中：r—觀測井距離抽水井的距離（m）；

S—觀測井水位降深（m）；

Q—單井出水量（m3/d）。

兩次計算的滲透系數(shù)取平均，K=（18.43+24.43）/2=21.43m/d；

3.1.3 影響半徑計算

通過現(xiàn)場觀測井水位，影響半徑按照內(nèi)插法計算。

計算得影響半徑R=463m。

3.1.4 降壓井設計

經(jīng)天漢降水軟件模擬計算，1#基坑外共布置20口減壓井，其中14口降水井，觀測井6口，觀測井兼做備用降水井。利用降水試驗所設置的1#基坑外20口減壓井進行降基坑承壓水。

根據(jù)現(xiàn)場要求，擬采用2個出水口排出基坑地下水，每個排水口流量Q為700m3/h。

3.2 隔水層封孔方案

1#基坑涌水孔封孔采用雙液漿封孔，當坑內(nèi)承壓水水頭降低到地面下18m即可開始隔水層封孔。隔水層封孔達到強度期間,坑內(nèi)承壓水水位盡量保持平穩(wěn),防止?jié){液流失。

當承壓水水壓平衡后,采取雙液漿（水泥漿和水玻璃）對涌水孔到處⑧3層承壓水隔水層穿孔區(qū)進行注漿加固,封堵出水點。加固范圍為1號涌水通道和2號涌水通道周邊5m范圍,加固深度為進入⑧3層粉質(zhì)黏土層2m，總下鉆深度自基坑第五道混凝土支撐梁頂起算約32m，每個涌水孔處計劃布置5個注漿孔。

圖10 用于鉆孔注漿搭設的作業(yè)平臺

①注漿壓力

注漿壓力是保證注漿質(zhì)量的重要因素。如果壓力過小，漿液流不到預計范圍內(nèi)，擴散范圍小易形成空白區(qū)；如果壓力過大，則會損壞現(xiàn)有土體結構，致使?jié){流沿土體薄弱部位逸散，達不到注漿的目的，本次注漿壓力控制在0.5～0.8MPa。

②漿液配合比

水泥采用P.0 42.5袋裝普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比為1:1（質(zhì)量比）。水泥漿與水玻璃體積比為1:0.6。

③本次注漿封孔加固深度為進入粉質(zhì)黏土層2m，總下鉆深度自鉆孔平臺起算約32m，注漿加固深度約16m。

④輸漿速度：輸送漿液的管道流速宜為1.4m/s至2.0m/s。

⑤漿液膠凝時間：漿液的膠凝時間宜為30s～50s。

4 基坑承壓水注漿對周邊環(huán)境影響

4.1 監(jiān)測布點方案

出現(xiàn)基坑突涌后，項目部及時加密施工監(jiān)測，每3小時監(jiān)測一次。監(jiān)測項目主要有墻體測斜、墻頂位移、坑外水位、地表沉降、立柱沉降、混凝土支撐軸力、鋼支撐軸力等。此部分可以列表展示，測試內(nèi)容，數(shù)量，方法等與圖對應。

降承壓水方案實施前，在既有高鐵車站站前廣場地面、車站立柱、車站附近橋墩上布設了監(jiān)測點，觀測降承壓水對既有車站造成的影響。

1#基坑單井降水試驗參數(shù)表 表1

1#基坑單井降水試驗參數(shù)表 表2

如圖11所示，在平行于基坑長邊靠近既有高鐵站一側(cè)每50m布置一個地表沉降監(jiān)測斷面，監(jiān)測點號用J表示，高鐵橋墩用墩身上標示的墩號標示，高鐵站房用ZF標示，降承壓水后同時對基坑外原有及加密監(jiān)測點、坑外地下水水位、沉降監(jiān)測斷面、橋墩、站房同時進行監(jiān)測，保證所有變形能夠通過數(shù)據(jù)反映出來。

圖11 監(jiān)測點位平面布置圖

4.2 基坑外地表及既有高鐵站監(jiān)測結果

本次突涌事件自1月4日開始抽承壓水、坑內(nèi)水，至1月26日整個1#基坑底板澆筑結束，監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析如圖12。

圖12 監(jiān)測數(shù)據(jù)累計變化曲線圖

從監(jiān)測數(shù)據(jù)看，距離1#基坑55m監(jiān)測斷面J4點位沉降變形最大，為4.86mm；距離1#基坑105m監(jiān)測斷面J11點位沉降變形最大，為2.57mm；高鐵站房沉降變形最大點位為ZF1，為1.63mm；高鐵墩柱沉降變形最大點位為326號墩，為1.50mm。地表累計沉降、高鐵站房累計沉降、高鐵橋墩累計沉降均在運營管理單位所要求的控制標準之內(nèi)（3mm）。

4.3 后續(xù)施工情況

根據(jù)前述分析，本基坑承壓水隔水層可能存在著不連續(xù)性，加之坑內(nèi)外壓力差較大，降低了抗突涌安全系數(shù)，造成穿孔現(xiàn)象?？油饨党袎核桨复_定以后，總體處置順序如下。

第一步：降承壓水，將承壓水水頭降至地面以下18m；

第二步：隔水層封孔（坑外水位與坑內(nèi)明水水位保持平衡后開始）；

第三步：坑內(nèi)明排水；

第四步：坑內(nèi)土層疏干，采用小集水井形式；

第五步：重啟開挖；

第六步：施做主體結構。

在控制承壓水降水降深的情況下，實現(xiàn)了坑內(nèi)不再突涌、基底干爽、坑外沉降受控的理想狀態(tài)，快速高效完成了基坑底板，達到了既定目標，本次處置基坑突涌比較成功。

5 結論

針對深基坑施工承壓水突涌淹坑難題，通過研究分析，得出了以下結論：

①基坑發(fā)生突涌與承壓水上覆弱透水層密切相關，只要上覆弱透水層不發(fā)生流土，接觸沖刷就不會發(fā)生，坑底整體滲流破壞就不會發(fā)生，此時安全系數(shù)小于1.0也不會發(fā)生突涌，相反，若上覆弱透水層不連續(xù)或被打通，即使安全系數(shù)大于1.0，也不能保證基坑不會發(fā)生涌水；

圖13 基坑恢復正常開挖

②降低承壓水水頭對控制基底突涌有明顯的作用，但是降承壓水也會導致建筑物的沉降，降承壓水影響半徑大，建議臨近敏感建筑物的深基坑要盡量采用隔水帷幕阻斷坑內(nèi)承壓水的方法，以免給后期基坑開挖帶來風險；

③基坑勘探孔封堵與地鐵車站結構完成后降壓井的封堵同等重要，其封孔工藝要求高，勘察單位應將勘探孔的封孔作為一項重要工作來對待，施工單位進場后應對勘探孔封孔情況進行調(diào)查，對于確定存在問題的，要提前進行封閉。