古河道內(nèi)切砂層造成深大基坑管涌突涌的成因分析與搶修方法研究

張 弛

(上海建工二建集團(tuán)，上海 200080)

0 引 言

開發(fā)地下空間是緩減日益緊張的城市地上空間和交通擁擠問題的重要方法[1]。同樣，在城市更新的項目里，開發(fā)地下空間也不失為解決各種矛盾的一種最佳方案。開發(fā)地下空間首先是大型基坑的開挖，而基坑工程始終面臨著強大的土水壓力，在臨水區(qū)域還時刻受到高水頭承壓水層的威脅。開挖基坑時需要保證安全、主體地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，以及周圍環(huán)境不受損害。施工內(nèi)容包含支護(hù)結(jié)構(gòu)、防滲帷幕、降水、土方開挖與回填[2]。開挖基坑時，易產(chǎn)生流砂、流水、坑底隆起、邊坡失穩(wěn)及坑壁坍塌等險情[3]。

地下水直接作用于土體，也會改變土體性質(zhì)。以基坑底出現(xiàn)的險情為例：當(dāng)坑底為不透水層時，突涌常常表現(xiàn)為坑底被頂破，出現(xiàn)網(wǎng)狀或樹枝狀裂縫；地下水從裂縫中涌出，并帶出下部泥沙顆粒；當(dāng)坑底為弱透水層時，在水壓力和滲透力的作用下，土結(jié)構(gòu)被破壞，產(chǎn)生流砂、流水和噴水冒砂等現(xiàn)象[4]。

隨著深大地下工程的增多，止水圍護(hù)結(jié)構(gòu)多采用地下連續(xù)墻[5,6]或止水帷幕[7-11]。施工地下連續(xù)墻時，會出現(xiàn)以下不良狀況：首先，地墻起吊時安全性差；其次，地墻的接頭處難以處理、注漿質(zhì)量不易保證，且地墻垂直度不好控制等。這些情況下，地下連續(xù)墻易出現(xiàn)空隙，從而影響隔水效果[12]。而止水帷幕施工時，也會由于旋噴水泥漿體未能及時凝固，以致被水沖散，或是因為垂直度和咬合度不夠，無法起到良好的止水作用[13]。當(dāng)坑內(nèi)挖土?xí)r，內(nèi)外土水壓力失衡，坑外壓力過大，沖破樁間并不完全密實的接縫，從而出現(xiàn)基坑大面積涌砂和滲漏現(xiàn)象[14,15]。

基坑管涌突涌的搶修措施應(yīng)根據(jù)涌水部位的水量大小選取。針對基坑管涌突涌的成因，采取綜合處治的方法。一般，水量較小時，采用雙液注漿；水量較大時，采用回填土結(jié)合雙液注漿?；靥钔烈阅軌驂鹤∮克^為止，必要時加固坑底。險情緩減時，水量減小，水質(zhì)變清[16]；基坑的重要部位，如墻體、壓墻梁或者基坑底的變形減小。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)狀況

基坑工程優(yōu)先考慮承壓水層的影響。承壓水的形成與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。上下有隔水層，中間是透水層，且水充滿整個透水層。在合適的地質(zhì)構(gòu)造中，無論是松散的沉積物，還是基巖，都會形成承壓水。

該次險情中，古河道內(nèi)切過來的砂層完全符合承壓水層的特點。其可能的成因是5②層中某古河流改道切削而來，在原有土層中插入超厚的砂層。砂土層厚達(dá)到5～6 m，常出現(xiàn)在河流的切削或轉(zhuǎn)彎處。

1.2 基坑狀況

該次出現(xiàn)險情的為長方形大型逆作主基坑。周圍設(shè)置了MJS止水帷幕與雙層排樁。在混凝土支撐與側(cè)壁梁完成后開始施工基坑大底板時，險情出現(xiàn)。

2 險情成因分析

2.1 古河道內(nèi)切成因

2.1.1 拜耳定律

德國有機化學(xué)家阿道夫·馮·拜耳曾研究了運動位移較大的物體將不可避免地受到地球自轉(zhuǎn)的影響：北半球物體受到地球自轉(zhuǎn)引起的偏向力影響，會向右旋轉(zhuǎn)；南半球則向左旋轉(zhuǎn)。因此，國內(nèi)的河流在長年累月的偏心力作用下，流水會侵蝕河道右邊的下沿，河底的泥沙因而重新分配，如圖1所示。

2.1.2 茶葉悖論

愛因斯坦用茶葉悖論解釋過拜耳定律：人們攪拌茶杯時，杯底對茶葉產(chǎn)生的摩擦力大于旋轉(zhuǎn)離心力，茶葉會沉在杯底。將河流看成茶杯，泥沙看成茶葉。受到壓力梯度的作用，攪拌茶葉時，茶葉并非按照常理沿著茶杯旋轉(zhuǎn)，而是沉在底部。這是因為底部對物體的摩擦力，大于旋轉(zhuǎn)離心力。茶葉限于重力，無法上升。

圖1 拜耳定律示意圖

一側(cè)被侵蝕后，河道底部泥沙會重新分配，大量的泥沙會沉底并嵌入原有的土層中，而這一嵌入的厚砂層會在地下水充足時形成承壓水層，帶來基坑施工時的管涌突涌風(fēng)險。

2.2 砂、土物理指標(biāo)對比

由于河道底部的砂石較多，且一般顆粒較大，雜質(zhì)情況復(fù)雜。目前僅從中砂、粉細(xì)砂和各類土層的物理指標(biāo)進(jìn)行對比，來分析內(nèi)切砂層的影響，見表1。

表1 砂層與土層的物理力學(xué)指標(biāo)對比表[17]

表1中，土和砂的密度相差不大。砂的天然含水率低一些，黏聚力很差，流動性很強。很容易被水裹挾，且滲透系數(shù)很大。換言之，一旦砂層進(jìn)水，不僅重量會增加，還會產(chǎn)生流沙現(xiàn)象[18]。原有的空隙會被水填滿，對基坑或井側(cè)壁的壓力驟增。降水井和觀測井等一旦打到砂層也極易造成滲水。

2.3 “U”形管作用

河道內(nèi)切現(xiàn)象，會使原來的地質(zhì)狀況變得更加復(fù)雜，打破和攪亂原有土層層次分明的布局。此外，古河道底部的沉積物種類多，常含有尺寸不一的砂石。在暴雨天氣，隨著基坑的開挖，暴露的古河道底部成為一個聚水或吸水的積水區(qū)。內(nèi)切砂層本身重量大，吸水之后重量增加，流動性加強。若部分內(nèi)切砂層厚度達(dá)到了坑底，由于“U”形管的貫穿作用，砂層還會向基坑底流動。此時，砂層對基坑側(cè)壁和基坑底的壓力都在增加，給基坑的整體性防水施工提出更高要求。

2.4 流沙現(xiàn)象

從表1可見，砂層中的細(xì)砂與中砂的密度與上部土層的密度非常接近。但砂和土的黏聚力相差甚遠(yuǎn)。在暴雨等極端天氣下，地下水充足時，砂層很容易吸收大量水分。砂土層在被水充分浸泡后，其中親水土壤顆粒更加容易沖散和吸水膨脹，從而產(chǎn)生流動和懸浮的狀態(tài)，加之砂層極佳的透水性和極差的黏聚力，非常容易在側(cè)向土體壓力的作用下開始流動。此時，如果在附近有新建建筑或有開挖基坑，這類突如其來的破壞土體平衡的因素，會帶來很大的側(cè)向土體壓力。

因此，在進(jìn)行與河道相鄰的深大基坑施工時，應(yīng)主動避免使用傳統(tǒng)的降水措施。不建議使用降水井，因為滲漏區(qū)域很容易通過降水井使得涌水的通道變寬，從而造成更大量的管涌和突涌，甚至是局部的塌方；而應(yīng)采用隔水措施，主要是打各種止水帷幕。

3 險情及工程應(yīng)對

3.1 基坑管涌突涌

此次險情中，坑底出現(xiàn)積水，不明孔洞突發(fā)坑底涌水；坑壁梁出現(xiàn)變形；基坑圍護(hù)邊角處出現(xiàn)管涌；水質(zhì)渾濁，流速快。當(dāng)時正值雨季，如不及時搶險，將帶來嚴(yán)重的安全隱患。

3.2 險情應(yīng)對

首先，在坑底壘起壩體。用砂土袋和土包壓住坑底可能的更大變形。管涌突涌區(qū)域采用雙液注漿，并增設(shè)降水井；坑外對應(yīng)區(qū)域增打雙排灌注樁止水帷幕，穩(wěn)定基坑變形；設(shè)置引水管，即帶閥門的軟管或鋼管，水流變小后關(guān)閉?；靥钔? m后，涌砂停止，水質(zhì)變清，水流變小。完成雙排止水帷幕后，開挖若干減壓井來抽水。井水高度從-7 m降到了-9 m，并持續(xù)抽水，直到-22 m(開挖面下1 m)。最終，險情解除。

4 搶修辦法綜述

不同于微層壓水，內(nèi)切砂層引起的險情，往往伴隨著基坑側(cè)壁與地梁變形，這是很嚴(yán)重的安全隱患。因而，搶險方式也有別于普通險情，需要采用快速綜合的方法。除了繼續(xù)監(jiān)測管涌突涌情況、側(cè)壁和地梁變形及支撐受力與變形情況外，還應(yīng)回填并設(shè)置濾管，并加強坑外止水。根據(jù)險情和現(xiàn)場條件靈活應(yīng)對，就地取材，及時響應(yīng)，全程跟蹤監(jiān)測。

4.1 地下連續(xù)墻

地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因常采用鎖扣管，也具有止水功能。其常常與支護(hù)灌注樁、MJS攪拌樁及SMC等厚度水泥攪拌墻等結(jié)構(gòu)協(xié)同工作，共同“守”在基坑周邊。

4.2 止水帷幕

打樁和頂推管幕等施工時會產(chǎn)生振動，使得止水(隔水/防水)帷幕出現(xiàn)分叉或不封閉。此時流砂會給基坑內(nèi)壁造成額外壓力，并伴有涌砂涌水現(xiàn)象。

除了地墻，止水帷幕的做法更多樣。常見有單排、雙排，甚至多排；兩種或多種樁型的組合，咬合止水。按施工工藝分，有高壓旋噴樁、SMW工法樁、水泥攪拌樁、鉆孔灌注樁止水、PHC管樁、MJS水泥攪拌樁、TRD和SMC(雙輪銑)水泥土攪拌墻等。

4.3 雙液壓力注漿(涌水區(qū)域)

雙液注漿是指用工地上存有的水泥漿與水玻璃Na2SiO3，在涌水點四周堵水。根據(jù)涌水孔洞的走向，在涌水孔附近注雙液漿加固。加固深度一般從涌水點下方到開挖面，且需要在相對較大的平面區(qū)域內(nèi)(大幾十平方米)都注漿加固。雙液注漿主要起減緩流量的作用，并做到控砂控水，砂水比應(yīng)至少大于1∶0.5。可采用引導(dǎo)管(帶閥門的軟管或鋼管)，在水流變小后，關(guān)閉開關(guān)即可。流出的水用容器盛放。

4.4 導(dǎo)流管

在采用其他方式封堵時，可同時采用引導(dǎo)管/導(dǎo)流管(帶閥門的鋼管或軟管)。以導(dǎo)流鋼管為例，首先安裝導(dǎo)流鋼管，再在導(dǎo)流鋼管內(nèi)洗孔，隨即在鋼管內(nèi)回填砂石并降水。此時，可采取施工高壓旋噴樁等方式來加固坑底。

若險情緩減且水流減小，則開始搶做基坑大底板。綁扎鋼筋并澆筑混凝土底板與承臺。并且，在導(dǎo)流管內(nèi)雙液注漿，封堵鋼管中的混凝土，并割去多余的鋼管。當(dāng)管內(nèi)水流變小時，關(guān)閉開關(guān)即可。流出的水用容器盛放。

若險情并未緩減且水流并不見小時，則需要回填一定厚度的泥土或沙袋。直至導(dǎo)流管內(nèi)雙液壓力注漿后流出的水變清，水流變小。若坑壁和梁上發(fā)生較大變形，則可采用工地上常用的砂土包或土體堆砌壩體的坑壁加固方式來緊急處置。

4.5 圍堰法與套箱法

管涌區(qū)域外圍筑黏土圍堰，支設(shè)木樁與木支撐形成擋墻。圍堰內(nèi)設(shè)置防水紗布或水工布，形成濾層，流出清水。若仍有險情，可繼續(xù)深挖，填碎石或放置套箱。在套箱內(nèi)填砂礫，掛濾布，濾出清水，再用泵抽水。

4.6 坑底加固

為防止坑底管涌突涌引發(fā)更大變形，需要視險情用旋噴樁加固坑底，封住可能的承壓水空洞。材料選用速凝水玻璃、水泥，和水。引孔機打孔，并做直徑1 m左右的高壓旋噴樁來阻水。樁長宜穿過透水區(qū)域，插入土層以獲得較大的摩擦力。打樁可間隔0.5 m左右，強度在0.8～1 MPa。先回填壓實的情況下，樁長要增加；場地條件允許的情況下，也可以先打樁再回填壓實。待坑外降水、隔水帷幕完成，再重新開挖，并最終完成底板墊層和防水。

4.7 降水井

觀察降水井能很好地了解管涌突涌情況?？油饨邓畠?nèi)抽水，或增打降水井都能在一定程度上緩解坑內(nèi)的風(fēng)險。在管涌突涌區(qū)域附近的降水井，易被承壓水和潛水擊穿，形成管涌通道，挾砂土上涌。通過在坑外一系列降水井的分設(shè)，能很好地監(jiān)控基坑變形，掌握可能的涌砂涌水風(fēng)險。在搶險時，亦能從中抽水或灌水來維持基坑的安全。

5 結(jié)束語

基坑施工前，應(yīng)首先熟悉水文地質(zhì)情況，再根據(jù)可能的基坑險情，提前預(yù)研險情成因，做到基坑施工過程全監(jiān)控。早發(fā)現(xiàn)早預(yù)警，把隱患消除在未萌。提前編制詳細(xì)的應(yīng)急預(yù)案，現(xiàn)場常備搶險物資，確?？焖夙憫?yīng)險情。上報迅速，多管齊下，如雙液注漿、基坑回填、坑底加固、降水井抽水、隔水帷幕加固、重力壩、套筒反濾、引排和封堵等。