地鐵施工中深基坑涌水分析和處理措施研究

郭 水

(北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100089)

0 引言

近年來(lái)，隨著工業(yè)化、城市化進(jìn)程的推進(jìn)，我國(guó)在地下空間開(kāi)發(fā)利用方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展，特別是以城市地下道路、綜合管廊、地下商業(yè)、地下車站等為主導(dǎo)的城市地下空間開(kāi)發(fā)進(jìn)入到快速增長(zhǎng)階段。

明挖法是地下空間施工中的施工技術(shù)，例如城市地下工程及高層建筑的地下室工程，以明挖法為主。明挖法以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于地下工程施工建設(shè)當(dāng)中，明挖基坑由于受地質(zhì)、水文條件影響較大，存在著大量不可預(yù)見(jiàn)的施工質(zhì)量影響因素。本文結(jié)合北京某標(biāo)段地下工程，闡述了在承壓水地層中，明挖法基坑施工過(guò)程中突發(fā)涌水時(shí)的處理措施。

本工程位于北京市通州區(qū)，明挖區(qū)間基坑位于待開(kāi)發(fā)的土地內(nèi)，施工環(huán)境較好。基坑總長(zhǎng)度159.6 m，主要包含以下特點(diǎn)：1)基坑寬度較寬：標(biāo)準(zhǔn)段寬度為35.8 m；2)基坑深度較深：標(biāo)準(zhǔn)段深度22.49 m；3)基坑內(nèi)設(shè)置2排格構(gòu)柱，格構(gòu)柱間距10.8 m。圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐形式，地下連續(xù)墻厚度800 mm，C30混凝土，地下連續(xù)墻之間采用工字鋼接頭。地連墻標(biāo)準(zhǔn)段墻深為28 m，墻底進(jìn)入基坑底面下⑦-4粉質(zhì)黏土層約為0.36 m～2.2 m。

內(nèi)支撐體系采用豎向4道撐，第一、二、四道采用φ609×16 mm鋼管撐；第三道采用φ800×20 mm鋼管撐(斜撐第三道、四道φ800×20 mm鋼管撐)，除第一道撐水平間距6 m，其余間距3 m；基坑內(nèi)中間設(shè)兩道臨時(shí)格構(gòu)柱，縱向間距6 m，臨時(shí)立柱下為樁基礎(chǔ)，直徑1.2 m，長(zhǎng)8 m。

土方開(kāi)挖情況：基坑土方開(kāi)挖嚴(yán)格按照“縱向分段、豎向分層、中部拉槽、先撐后挖、隨挖隨支”的原則進(jìn)行。開(kāi)挖主要以機(jī)械化作業(yè)進(jìn)行開(kāi)挖，每層土方開(kāi)挖至鋼支撐標(biāo)高下500 mm時(shí)安裝鋼支撐，安裝時(shí)間不得超過(guò)24 h，并施加預(yù)應(yīng)力。中部拉槽土方開(kāi)挖時(shí)，縱向分段長(zhǎng)度不大于8 m，段間土坡比不大于1∶1，豎向分層的高度不大于6 m，中拉槽兩側(cè)的土臺(tái)頂面寬度不小于2 m，放坡比不大于1∶1。

工程地質(zhì)水文情況：基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地層以素填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂層為主[1]；地下水為潛水(二)、層間潛水～承壓水(三)、承壓水(四)、承壓水(五)，實(shí)測(cè)承壓水(五)細(xì)砂層水頭標(biāo)高為12.5 m，承壓水(五)的測(cè)壓水位位于結(jié)構(gòu)底板以上約9 m。

地下連續(xù)墻施工情況：地下連續(xù)墻施工采用成槽機(jī)一槽三抓法施工，泥漿護(hù)壁，成槽后及時(shí)進(jìn)行清孔和刷接頭，然后進(jìn)行鋼筋籠下放和混凝土澆筑，鋼筋籠下放完成至混凝土開(kāi)始澆筑時(shí)間間隔不超過(guò)4 h，混凝土澆筑過(guò)程中未發(fā)生中斷及下雨現(xiàn)象?；油练介_(kāi)挖前采用聲波透射法進(jìn)行地連墻樁身完整性檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果合格。

1 基坑的滲流穩(wěn)定分析

基坑底部的滲流穩(wěn)定性計(jì)算，包括以下三個(gè)方面：

1)當(dāng)基坑底上部為不透水層，而基底下的透水層中有承壓水時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗突涌和流土穩(wěn)定性計(jì)算，保證透水層頂板以上到基坑底部之間土體重量大于水的浮托力Pw，安全系數(shù)為：

K=(γsat)/pw·t

(1)

其中，γsat為土的飽和重力密度，本工程取γsat=20 kN/m3；t為透水層頂板到坑底的厚度，t=7.75 m(承壓水(五))；pw為承壓水的浮托力，kN，pw=γhw，hw為透水層頂板以上的水頭，m。一般要求K≥1.1～1.2。

pw=γhw=10 kN/m3×11.6 m=116 kN/m2。

K=(γsat)/pw·t=20 kN/m3×7.75 m/116 kN/m2=1.34≥1.1～1.2，滿足要求。

2)當(dāng)坑底以下為粉土和砂土?xí)r，需驗(yàn)算抗管涌穩(wěn)定性，使該地基的滲透比降i小于該地層的允許滲透比降[i]。通常粉細(xì)砂地基約為[i]=0.2～0.3。

3)當(dāng)基坑底部以下地基為黏性土與砂土層互層時(shí)，應(yīng)進(jìn)行上面兩項(xiàng)滲流穩(wěn)定核算，特別是當(dāng)黏性土很薄時(shí)，應(yīng)當(dāng)核算該層土的滲透比降是否滿足要求。在多數(shù)情況下，應(yīng)把滲流計(jì)算出來(lái)的hd作為基坑地連墻入土(巖)深度的最小限值，以保證基坑不會(huì)發(fā)生滲透破壞事故。

2 涌水處理原則

明挖基坑施工過(guò)程中出現(xiàn)涌水情況時(shí)，首先確認(rèn)涌水位置、涌水范圍；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際涌水量，判斷涌水事故嚴(yán)重程度；及時(shí)掌握基坑內(nèi)外地下水位變化情況，采取有效措施保證基坑安全穩(wěn)定。

當(dāng)涌水量較小，僅浸濕坑底表面土層，且未出現(xiàn)明顯水流時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水位情況，停止施工，采取坑內(nèi)回填反壓措施，控制初期涌水。

當(dāng)涌水量較大，開(kāi)挖面出現(xiàn)明顯水流溢出時(shí)，立即停止施工，涌水范圍內(nèi)全部進(jìn)行回填反壓(回填高度至頂層不溢水)，加大降水力度，采取基坑降水明排措施。

當(dāng)涌水量非常大，坑內(nèi)土層出現(xiàn)水坑，且地下水不停向上翻涌時(shí)，立即停止施工，在涌水范圍外加設(shè)堵水圍堰，坑內(nèi)采用碎石材料進(jìn)場(chǎng)濾水反壓，圍堰內(nèi)加設(shè)抽水泵進(jìn)行抽水，基坑內(nèi)外降水井增大降水功率，坑外增設(shè)減壓井降低承壓水水頭，將地下水位控制在基坑底面以下1 m。

初期涌水得到有效控制之后，及時(shí)對(duì)涌水原因進(jìn)行分析，對(duì)涌水部位進(jìn)行注漿加固等處理措施，保證基坑安全穩(wěn)定。

3 涌水發(fā)生及原因分析

3.1 涌水事故發(fā)生

根據(jù)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及施工資料顯示，明挖區(qū)間開(kāi)挖至距基底80 cm左右，現(xiàn)場(chǎng)在清理槽底土過(guò)程時(shí)，發(fā)生涌水現(xiàn)象，出現(xiàn)涌水基坑內(nèi)的4道支撐已按設(shè)計(jì)圖紙架設(shè)完畢，實(shí)測(cè)承壓水(五)水位標(biāo)高12 m，由于初期涌水量非常大，出現(xiàn)4個(gè)涌水點(diǎn)，施工現(xiàn)場(chǎng)立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，停止土方開(kāi)挖并回填超挖土方，采用級(jí)配砂石進(jìn)行濾水反壓，并在周圍設(shè)置攔水圍堰，根據(jù)涌水量調(diào)集4臺(tái)水泵進(jìn)行抽水外排，加強(qiáng)基坑巡視、監(jiān)測(cè)頻率，檢查鋼支撐軸力變化，待坑內(nèi)涌水水頭穩(wěn)定后，砂土流失造成地面沉降外側(cè)采用注漿填充,如圖1所示。

基坑發(fā)出涌水時(shí)基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為：墻體最大位移26.53 mm，位于墻體h=15 m處；地表最大沉降為-25.55 mm。

3.2 基坑涌水原因分析

經(jīng)過(guò)查閱地質(zhì)資料以及根據(jù)多年的施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出涌水問(wèn)題的原因如下：

1)基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地質(zhì)情況主要各層呈互層狀分布，存在透鏡體夾層，地質(zhì)條件復(fù)雜。開(kāi)挖范圍內(nèi)富含多層地下水，且比詳勘時(shí)水位普遍抬升，地下水位高。涌水發(fā)生后，對(duì)區(qū)間地質(zhì)水文情況進(jìn)行補(bǔ)勘，實(shí)測(cè)承壓水(五)水頭標(biāo)高12.5 m比詳勘水頭標(biāo)高8.8 m上升3.7 m，水頭壓力增大。

2)基坑涌水初步判斷水頭增大、隔水層有起伏突變?cè)斐煽油馑@過(guò)地連墻從基坑內(nèi)涌出。

3)在這種地質(zhì)條件下，地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)嵌固深度不足。

4)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻接頭形式為工字鋼接頭，接頭處無(wú)加固、防滲水設(shè)計(jì)，在地質(zhì)條件復(fù)雜的富水砂層地區(qū)易出現(xiàn)墻體接縫處滲漏水現(xiàn)象。

結(jié)合工程實(shí)際情況，此次涌水問(wèn)題發(fā)生的主要原因在于地下連續(xù)墻設(shè)計(jì)深度不足，墻底未嵌入隔水層或嵌入深度過(guò)小，導(dǎo)致地下水繞過(guò)墻底進(jìn)入基坑。

盾構(gòu)井段基坑較深，地層情況復(fù)雜，存在地質(zhì)斷層，地連墻設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)初勘地質(zhì)情況及水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，墻底嵌入隔水層僅2 m左右，隔水層⑦-4粉質(zhì)黏土層較薄。工程施工階段，地下水水位上漲3.7 m，透水層頂板以上到基坑底部之間的土體重量不足以抵抗水的浮托力，且地層存在局部斷層現(xiàn)象，最終導(dǎo)致基坑發(fā)生涌水。

4 涌水處理方案

以地下工程實(shí)際情況為依據(jù)，根據(jù)分析意見(jiàn)，基坑坑底涌水主要處理方法可歸納為基坑內(nèi)外側(cè)同時(shí)處理，即基坑內(nèi)側(cè)堵水、排水、地層加固，基坑外側(cè)降水、隔水、加強(qiáng)觀測(cè)[2]。

4.1 初期涌水控制

對(duì)于高承壓水下基坑涌水現(xiàn)象，在涌水初期首先要控制基底砂土的流失，發(fā)生涌水時(shí)，立即停止施工，將超挖土方回填至原位置，采用粒料砂石或無(wú)紡布水泥袋等材料進(jìn)行濾水反壓，削弱涌水流量(必要時(shí)可用低標(biāo)號(hào)混凝土回填)；然后在涌水區(qū)域外圍設(shè)置一道攔水土壩，土壩高度需高于涌水液面1 m以上，防止涌出的水?dāng)U散至基坑其他位置；最后控制土壩內(nèi)涌水液面穩(wěn)定不上漲，現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)實(shí)際涌水量大小，設(shè)置多臺(tái)水泵進(jìn)行抽水作業(yè)，防止事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大。阻水控制如圖2所示。

4.2 基底土體加固

由于涌水造成基底土體流失、松散，高水頭壓力下開(kāi)挖仍具有較大的風(fēng)險(xiǎn)，為保證基坑開(kāi)挖順利進(jìn)行，需進(jìn)行坑內(nèi)土體加固處理。

在開(kāi)挖至基底以上1.5 m后進(jìn)行基底土體加固。加固范圍為涌水區(qū)域的地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)，將突涌對(duì)墻體根部可能造成的擾動(dòng)部分進(jìn)行加固，加固部分形狀為“L”形，長(zhǎng)度為13.6 m，寬度為2 m。

注漿范圍內(nèi)采用速凝的漿液即A液(水泥漿采用普通硅酸鹽P.O42.5水泥,配合比為水∶水泥=1∶1)和B液(水玻璃采用濃度42 Be′，配合比為水玻璃=1∶1)及C液(速凝劑)的混合漿液注入地層[3]。注漿壓力:注漿終壓為0.8 MPa～1.0 MPa。擴(kuò)散半徑:漿液擴(kuò)散半徑為500 mm。注漿加固范圍如圖3所示。

4.3 減壓降水措施

由于承壓水水頭較詳勘時(shí)高，坑內(nèi)土體厚度不足以抵抗來(lái)自基底的水壓力，從而造成涌水現(xiàn)象。基坑外減壓降水是防止基坑涌水問(wèn)題最有效的措施之一，根據(jù)工程水文、地質(zhì)條件及減壓降水深度，計(jì)算基坑涌水量(見(jiàn)表1)，確定減壓降水井?dāng)?shù)量及布置方式。

表1 涌水量計(jì)算參數(shù)表

根據(jù)基坑涌水量確定減壓降水井需配備24眼，在東西兩側(cè)應(yīng)急設(shè)置，設(shè)計(jì)井深均為37.0 m，穿過(guò)⑦-2細(xì)砂層進(jìn)入⑦-4粉質(zhì)黏土層，井間距6.0 m，降水井均采用無(wú)砂混凝土濾管井，降水井上部5 m用黏土封填，下部32 m用1 mm～3 mm濾料填充，具體布置如圖4所示。

4.4 坑外補(bǔ)充注漿

基坑內(nèi)涌水量較大，導(dǎo)致圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體松散，局部出現(xiàn)空洞，硬化地面出現(xiàn)不同程度的沉降，為保證下一步施工正常進(jìn)行，需進(jìn)行地面補(bǔ)充注漿加固。

在涌水位置外側(cè)，基坑周邊上打設(shè)注漿孔，通過(guò)地面注漿孔向圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)土體進(jìn)行注漿加固，此部分與坑內(nèi)土體注漿加固同步進(jìn)行，注漿時(shí)要保證漿液擴(kuò)散充分，注漿壓力不得過(guò)大，注漿終壓控制在0.8 MPa～1.0 MPa，防止因注漿壓力過(guò)大造成地下連續(xù)墻位移或開(kāi)裂。

4.5 支撐軸力補(bǔ)加

對(duì)涌水區(qū)域周圍的地下連續(xù)墻鋼支撐體系節(jié)點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的檢查，檢查區(qū)域內(nèi)外格構(gòu)柱、連系梁的位移變化情況，對(duì)連接關(guān)鍵位置進(jìn)行焊接補(bǔ)強(qiáng)。

4.6 打設(shè)觀測(cè)井

在基坑南北兩側(cè)分別打設(shè)一眼水位觀測(cè)井，加強(qiáng)基坑周邊的水位觀測(cè)，委派專職人員每天三次對(duì)水位情況進(jìn)行觀測(cè)，隨時(shí)掌握地下水位變化情況，收集整理水位觀測(cè)數(shù)據(jù)作為基坑穩(wěn)定的一項(xiàng)重要依據(jù)。

5 基坑監(jiān)測(cè)

涌水發(fā)生后立即安排監(jiān)測(cè)小組對(duì)基坑及硬化路面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：地下連續(xù)墻傾斜狀況、地下連續(xù)墻墻頂位移、鋼支撐軸力變化、硬化路面沉降、基坑內(nèi)外觀測(cè)井水位變化情況等內(nèi)容，施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)巡視，并及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均處于穩(wěn)定狀態(tài)且滿足設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，基坑及周邊路面處于安全可控狀態(tài)[4-5]。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)進(jìn)一步基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，經(jīng)過(guò)涌水處理后，基坑涌水現(xiàn)象得到迅速緩解，并為后續(xù)施工創(chuàng)造了有利條件?；佑克幚硪⒅貙?duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)同時(shí)進(jìn)行處理，采取多項(xiàng)處理措施，并保證每項(xiàng)處理措施均得到切實(shí)有效的落實(shí)，堵水、排水、加固、降水相結(jié)合，共同保證基坑施工的安全質(zhì)量。

對(duì)于深基坑來(lái)說(shuō)，宜首先采用地下連續(xù)墻做支護(hù)，深基坑主要防滲的預(yù)控措施有：

1)結(jié)構(gòu)底部加長(zhǎng)。

2)底部或在坑外(內(nèi))側(cè)采用水泥帷幕灌漿或高壓噴射灌漿(土層)。

3)坑內(nèi)降水(承壓水或潛水)。

4)坑外降水(承壓水或潛水)。

5)基坑坑底加固(高壓旋噴灌漿或水泥攪拌樁)。

另外地連墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度(配筋)所需要的入土深度常常較小，所以為了防滲需要而接長(zhǎng)的那段外，一般不必配置鋼筋。

對(duì)于解決基坑涌水問(wèn)題需從多方面入手，在勘察階段要保證勘查數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并在地層復(fù)雜區(qū)域加密勘察點(diǎn)；在設(shè)計(jì)階段需要充分考慮隔水層厚度與地下水水頭高度，保證地連墻嵌入隔水層深度滿足要求；在施工階段要嚴(yán)格按照規(guī)定進(jìn)行開(kāi)挖，不得超挖，及時(shí)記錄地層實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)處理?；影l(fā)生涌水時(shí)，若不及時(shí)進(jìn)行有效處理，輕則致使基坑浸水，影響地基強(qiáng)度，重則造成基坑坍塌，危及人員生命安全并造成重大經(jīng)濟(jì)損失。

本次基坑涌水處理過(guò)程中采取的各項(xiàng)處理措施及時(shí)有效，為解決高承壓水下深基坑開(kāi)挖涌水問(wèn)題處理提供了依據(jù)，在地下工程明挖基坑施工過(guò)程中起到了較好的效果。