富水砂層深基坑墻體滲漏災害與對策分析?

劉俊城，譚 勇

（同濟大學地下建筑與工程系， 上海 200092）

0 引言

深基坑工程施工由于涉及到土體-結構-地下水的相互作用，同時受到人為因素的干擾，一旦控制不當極易引發(fā)嚴重的工程災害事故，造成顯著的經濟損失和人員傷亡［1-2］。 周紅波等［3］對52 例地鐵深基坑工程事故原因進行統(tǒng)計分析得出，因地下水處理不當引起的滲流破壞是最為常見的事故類型之一。 近年來頻繁發(fā)生的深基坑止水帷幕滲漏、管涌和坑底突涌事故是滲流破壞的主要表現(xiàn)形式，若事故發(fā)生后未及時采取有效措施進行控制，極易導致基坑失穩(wěn)破壞［4］和坑外地表塌陷［5］等嚴重后果。在我國富水砂層地區(qū)，由于具有地下水位高、砂層厚度大、穩(wěn)定性差等復雜的水文地質條件，深基坑止水帷幕存在缺陷的情況較為普遍。 一旦形成貫通的滲流通道，坑外大量的砂土顆粒將隨地下水快速涌入坑內，造成嚴重的地層損失，因此相應的事故前預防措施和事故后處理措施顯得尤為重要［6］。但目前已有的深基坑滲漏事故分析主要集中在軟土或軟土局部夾砂地層，對于深厚富水砂層鮮有報道。

以富水砂層某地鐵深基坑的2 起墻體滲漏事故為例，對事故主要原因進行探討，并總結該類特殊地層基坑滲漏事故的預防、應急堵漏和后續(xù)加固措施，以對日后類似工程災害提供參考。

1 工程概況

1.1 基坑概況

本地鐵車站基坑工程沿東西向布置，為島式站臺地下3 層車站。 基坑由西端頭井、標準段和東端頭井3 部分組成，長約163m，寬約23m，標準段開挖深度約25.9m，端頭井開挖深度27.4 ～28.6m。 在基坑西北側有1 棟敏感建筑物（筏板基礎，距基坑最近處約12.4m），基坑及監(jiān)測點平面布置如圖1 所示。

圖1 基坑及監(jiān)測點布置Fig.1 Site plan of project site along with instrumentation layout

1.2 工程地質和水文地質條件

該車站基坑地貌類型屬于長江下游沖積平原，地形平坦，地貌較為單一。 坑底位于④2粉質黏土夾粉土，開挖深度范圍內以砂土為主，依次為①填土、②砂質粉土、③1粉砂夾粉土、③2粉砂和④2粉質黏土夾粉土；開挖面以下則依次為④2t砂質粉土夾粉質黏土、⑤1粉砂夾粉土、⑤t粉質黏土夾粉土、⑤2砂質粉土夾粉質黏土、⑤3粉砂夾粉土、⑥粉砂。各土層的主要物理特性參數(shù)如表1 所示。

表1 土層主要物理特性參數(shù)Table 1 Major physical parameters of soil layers

根據地下水埋藏條件，本基坑場址內主要涉及上層潛水和微承壓水。 其中，潛水水位埋深為1.6～2.3m，平均水位埋深為2m，地下水位較高；承壓水主要賦存于④2層和⑤t層下部的粉砂層中，即⑤1層、⑤2層、⑤3層和⑥層，水頭埋深2 ～5m。 由于隔水層④2層和⑤t層厚度較薄且夾雜粉土，因此承壓水和潛水之間存在一定的水力聯(lián)系。

1.3 基坑支護方案

本基坑采用半蓋挖順作法施工，圍護支撐體系為地下連續(xù)墻＋內支撐的形式，其中內支撐包括鋼筋混凝土支撐和鋼支撐。 本工程地下連續(xù)墻不僅作為圍護結構同時兼作止水帷幕，因此采用防水性能相對較好的工字鋼接頭；此外，富水砂層由于含水層的厚度過大，止水帷幕難以完全隔斷坑內外的水力聯(lián)系，同時考慮到施工成本，故在地下連續(xù)墻底部另加一段素混凝土墻。 基坑標準段和端頭井的典型剖面如圖2 所示。

圖2 基坑典型剖面（單位：m）Fig.2 Typical cross-sections of deep excavation （unit： m）

2 滲漏事故案例

2.1 滲漏點1

2019 年12 月1 日上午10 時左右，基坑已開挖至坑底，開挖深度約25.9m，施工人員準備澆筑底板，突然發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻N22 和N23 之間的接縫處嚴重漏水，并夾帶泥砂，滲漏點位置如圖1 所示，漏水情況如圖3 所示。 由于此時已準備澆筑底板，施工單位為加快進度，僅在滲漏位置采用砂袋進行初步反壓，未采取其他措施。 2019 年12 月1 日下午13 時左右，初始滲漏點處的涌水涌砂量明顯加大，施工單位迅速在坑內反壓砂袋、水泥和雙快水泥，并在坑外鉆孔注漿進行加固，下午18 時左右，滲漏點封堵工作基本完成，坑內堵漏措施如圖4 所示。

圖3 漏水現(xiàn)場Fig.3 Water leakage

圖4 坑內反壓堵漏現(xiàn)場Fig.4 Stockpiling sandbags inside the excavation to seal off leakage

通過對事故期間的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據進行回顧分析，在2019 年12 月1 日當天：①坑外地表明顯開裂（見圖5）；②滲漏點1 附近的地表沉降測點D7-2 發(fā)生高達63.7mm 的嚴重突沉，最大沉降量達到102mm，遠遠超出監(jiān)測控制要求（最大值為±40mm，日變化速率為±3mm／d），如圖6 所示；③地表沉降測點D8-2 出現(xiàn)4.6mm 的突沉，仍大于監(jiān)測控制要求；④鄰近測點SW6 處的地下水位突然下降0.49m（見圖7）。

圖5 路面嚴重開裂Fig.5 Severely cracking of roadways

圖6 坑外地表沉降Fig.6 Ground settlement outside the excavation

圖7 坑外地下水位變化Fig.7 Variations of groundwater levels outside the excavation

由此可見，滲漏點1 由于滲漏初期未及時采取有效的措施對墻體內部及墻后的滲漏通道進行封堵，導致墻體漏水事故再次發(fā)生，產生顯著的坑外地表沉降和水位下降，造成了較為嚴重的水土流失。

2.2 滲漏點2

2020 年3 月20 日上午9 時左右，基坑西端頭井土方開挖至埋深約20m 處，地下連續(xù)墻W01 和N01 之間的接縫處突然出現(xiàn)涌水、涌砂現(xiàn)象，滲漏點位置如圖1 和2b 所示。 鑒于滲漏點1 的事故經驗，施工單位立即組織現(xiàn)場工人進行滲漏事故應急處置：①上午9 時10 分開始，安排相關人員對鄰近道路和建（構）筑物進行加密監(jiān)測；②上午9 時至11時45 分，進行坑內砂袋、水泥和雙快水泥反壓堆碼以及坑內墻體的水平注漿；③上午10 時20 分至12時50 分，坑外引孔注入聚氨酯；④下午13 時至22時30 分，坑外引孔注入水泥-水玻璃雙液漿；⑤當日16 時40 分左右，滲漏點封堵基本完成。

通過對事故期間的現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據進行回顧分析，發(fā)現(xiàn)在2020 年3 月20 日當天：①滲漏點2 附近的地表沉降測點D1-1 ～D1-3 日變化速率均小于2mm／d，小于監(jiān)測控制要求（±3mm／d），如圖8 所示；②基坑西北側筏板基礎建筑物距滲漏點2 相對較近的沉降測點JC1 ～JC4 和JC9 的日變化率均小于1.5mm／d，小于監(jiān)測控制要求；③如圖9 所示，滲漏點2 鄰近的測點SW1 日變化量僅0.04m，即水位波動不大。

圖8 坑外豎向位移Fig.8 Vertical displacements outside the excavation

圖9 坑外地下水位Fig.9 Groundwater levels outside the excavation

由此可見，滲漏點2 在事故發(fā)生后立即采取相應的處理措施，大幅降低了坑外的水土流失量，從而有效控制了坑外地表沉降和敏感建筑物沉降變形的發(fā)展。 因此，對于富水砂層深基坑而言，發(fā)生穿墻透水滲漏事故后，若能及時采取措施進行處理，能有效避免災害惡化，否則將對周邊環(huán)境造成嚴重損害。

3 富水砂層滲漏事故原因分析

對富水砂層基坑滲漏事故的原因進行分析，以便后續(xù)采取針對性措施降低事故的發(fā)生率和影響程度。 本文重點從地層因素、施工因素和人為因素三方面展開分析。

3.1 地層因素

該基坑所處的富水砂層地下水位高，潛水水位埋深1.6 ～2.3m，承壓水水位埋深2 ～5m；以粉土和粉砂為主，滲透性強，土顆粒間的黏聚力較小、易液化且呈流塑狀。

在地下連續(xù)墻成槽施工期間，由于砂土顆粒自穩(wěn)性相對較差，容易導致壁面塌孔，因此墻體或接縫處往往存在一些嚴重缺陷。 當坑內土方開挖至缺陷處時，一旦揭露其上方土體，坑外地下水將攜帶流塑狀的砂?？焖偻ㄟ^該缺口涌入坑內，造成嚴重的坑外地層損失。 此外，當基坑開挖深度較大時，為保證干燥的施工條件，避免坑底突涌破壞，坑內需按要求進行疏干降水和承壓水降水，這導致坑內外的水頭差很大，一旦止水帷幕存在薄弱位置，在高水壓作用下容易被沖蝕破壞，形成貫通的滲漏通道，最終引發(fā)滲漏災害。

3.2 施工因素

富水砂層深基坑止水帷幕滲漏事故頻發(fā)通常是由于施工工藝不規(guī)范導致的，主要包括以下幾點。

1）砂土地層自身的不穩(wěn)定導致地下連續(xù)墻成槽開挖時壁面經常出現(xiàn)失穩(wěn)坍塌，因此在墻體或接縫處形成膨潤土夾泥體，容易受到墻后高壓水的侵蝕破壞。

2）泥漿水質不符合要求。 由于含鹽量和泥砂量較多，容易產生沉淀，使泥漿性質發(fā)生改變，無法起到較好的護壁作用。 其次，在墻體成槽階段，抓斗提升速度過快，對壁面造成明顯擾動。

3）槽內進行混凝土澆筑時，導管提升速度過快，導致墻內混凝土澆筑不密實，內部存在孔洞或墻體表面鋼筋外露現(xiàn)象嚴重。

4）地下連續(xù)墻垂直度要求把控不嚴，導致相鄰墻板間存在垂直度差異，墻體下部出現(xiàn)開叉現(xiàn)象，滲漏風險較高。

5）工字鋼剛性接頭未被清理干凈，導致接縫處存在殘余的泥漿及砂粒等雜質，在高水壓作用下易進一步發(fā)展成貫通的滲水通道。

3.3 人為因素

對于富水砂層的危害性，當前從事基坑開挖作業(yè)的現(xiàn)場管理和施工人員往往還不夠了解和重視，存在一定僥幸心理，經常出于加快工期或節(jié)約施工成本等方面的考慮，未及時采取相應的控制措施，導致大量工程事故的發(fā)生［7］。 正如前文介紹的滲漏點1，在滲漏事故發(fā)生初期，僅采用砂袋進行簡單反壓，未立即采取坑外注漿等有效措施封堵滲漏通道，最終導致了坑外嚴重的水土流失和顯著的地表沉降，對周邊環(huán)境造成了明顯的不利影響。

4 滲漏事故處理措施

針對富水砂土深基坑滲漏事故發(fā)展快、影響嚴重等特點，為有效避免事故的發(fā)生并降低已有事故的危害性，本文主要從提前預防、應急堵漏和后續(xù)加固三個角度對滲漏事故的處理措施進行系統(tǒng)總結，并且以滲漏點2 為例對處置過程進行詳細介紹。

4.1 滲漏預防措施

如前文所述，在富水砂層中施作地下連續(xù)墻時，由于其復雜性和特殊性，墻體缺陷問題往往難以避免。 因此在土方正式開挖前，可通過聲吶滲流監(jiān)測技術、同位素示蹤法、高密度電法、溫度示蹤法及超聲波檢測技術等方法對地下連續(xù)墻墻體及接縫處的質量進行評估［8］。 提前確定好滲水點位置及滲漏情況，并采用墻后袖閥管注漿或高壓旋噴注漿等手段對墻體滲漏缺陷處進行加固處理。

當基坑正式進行土方開挖時，為避免開挖過程中地下連續(xù)墻接縫處突發(fā)大規(guī)模滲漏，應沿墻體接縫處先小心試挖，若發(fā)現(xiàn)輕微滲水冒砂現(xiàn)象要立即采用鋼板進行封堵并在接縫處進行灌漿處理。

此外，需重視基坑施工過程中地下連續(xù)墻側向位移、坑外地表沉降、建筑物沉降及地下水位等重要指標的變化，一旦發(fā)現(xiàn)變形速率出現(xiàn)明顯突增或地下水位出現(xiàn)明顯下降，應馬上反饋給施工方并積極采取措施避免滲漏事故發(fā)生。

4.2 應急堵漏措施

滲漏事故發(fā)生后，施工單位應立即采取應急處置方案進行堵漏，避免進一步惡化，主要措施如下。

1）坑內采用砂袋、水泥及雙快水泥進行堆碼反壓，起到靜壓作用。

2）滲漏后立即對基坑本體及周邊環(huán)境加密監(jiān)測，并派專員對道路及周邊環(huán)境進行不斷巡查，對于地表出現(xiàn)明顯裂縫以及建筑物出現(xiàn)明顯傾斜的情況需及時進行處理。

3）在坑外滲漏點附近引孔注入聚氨酯實施靜壓堵水，封堵滲漏水源。

4）根據聚氨酯堵漏情況，坑外引孔注入合適配比的水泥-水玻璃雙液漿進行地層加固。

4.3 后續(xù)加固措施

為防止事故再次發(fā)生，需根據現(xiàn)場勘查情況和前期封堵效果，對滲漏潛在影響區(qū)域進行加固處理，保證后續(xù)基坑施工安全，后續(xù)加固措施如下。

1）增加坑外滲漏區(qū)域深度范圍內的地表沉降、管線沉降及周邊建筑沉降監(jiān)測點的監(jiān)測頻率，并持續(xù)1 周。

2）在滲漏點地下連續(xù)墻外側引孔，注入漿液對滲漏事故潛在影響深度范圍內的地層進行加固處理，并嚴格控制注漿壓力在0.4 ～0.6MPa，避免因注漿壓力過大導致墻縫再次滲漏。

3）當坑外注漿加固、坑內圍堰拆除及墻縫注漿完成后，采用鋼板對滲漏部位墻縫進行封堵。

4）墻體接縫處鋼板封堵完成后，對坑內被地下水浸泡的土體進行淤泥拌合加固處理。

5）坑外設置應急降水井作降水及觀測水位使用，后續(xù)一旦再次出現(xiàn)滲漏可提前降水，從而降低坑內外水壓差，便于坑內進行反壓堵漏處理。

4.4 質量保證措施

1）嚴格按照處理方案進行布控并復核。 鉆頭點誤差應小于20mm，鉆桿垂直度誤差應小于1°；若觀察到孔內溢水或壓力異常，應立即停鉆，確認注漿到位后再換孔繼續(xù)。

2）嚴格按照配方要求進行漿液配料。

3）嚴格按照注漿程序施工。

4）注漿結束后應確保不出現(xiàn)溢漿、跑漿等現(xiàn)象。

5）記錄現(xiàn)場鉆孔資料，以便后續(xù)根據情況及時對注漿參數(shù)進行調整。

4.5 滲漏事故處理響應

本文以滲漏點2 為例，詳細介紹應急堵漏和后續(xù)加固措施的實施步驟和具體參數(shù)。

4.5.1 應急堵漏

1）組織人員在墻體滲漏位置按“砂袋和水泥袋交錯疊放”的方式堆積形成圍堰反壓區(qū)，如圖10所示。

圖10 堆碼反壓平面布置（單位：m）Fig.10 Layout of the stockpiled cofferdam（unit：m）

2）在滲漏點處地下連續(xù)墻W01 和N01 接縫兩側進行水平引孔注漿，注漿孔具體布置如圖11 所示，其中注入聚氨酯、水玻璃和水泥分別為1.3，8.7，18.7t。

圖11 引孔注漿布置（單位：m）Fig.11 Layout of grouting holes（unit：m）

3）在地下連續(xù)墻W01 和N01 接縫外側1m 范圍內利用全液壓履帶式鉆機取4 個孔，分別用于注入聚氨酯和水泥-水玻璃雙液漿，先注入聚氨酯漿液（J1 和J2），后視堵漏情況再注入雙液漿（S1 和S2）。 注漿孔布置如圖12 所示，坑外注漿材料用量和參數(shù)如表2 所示。

表2 聚氨酯和水泥-水玻璃雙液漿用量Table 2 Amount of polyurethane slurry and double slurry（cement and sodium-silicate）

圖12 引孔注漿平面Fig.12 Plan layout of grouting holes outside the excavation

4.5.2 后續(xù)加固

1）提高事故潛在影響區(qū)內地表、管線和建（構）筑物沉降測點以及地下水位測點的監(jiān)測頻率，保持1.5h／次并持續(xù)1 周。

2）在滲漏所在地下連續(xù)墻接縫外側，采用全液壓履帶式鉆機通過引孔注漿的方式對背部區(qū)域土體進行加固，鉆孔深度約32m，注漿長度約16m，即加固埋深為16～32m。 加固區(qū)域約4m×1m，注漿孔按梅花形（500mm×500mm）進行布設，加固區(qū)域平面布置如圖13 所示。 其中，加固區(qū)外側一圈采用水泥-水玻璃雙液漿（S1～S13，水泥∶水玻璃＝1 ∶1）充當加固止水帷幕；內側注漿孔注入水泥單液漿（D1～D7）。

圖13 注漿加固平面（單位：m）Fig.13 Plan layout of grouting improvement （Unit： m）

3）完成墻體背部加固、坑內圍堰拆除和墻縫注漿，待漿液凝固穩(wěn)定后將注漿管切除，對滲漏位置附近5m 范圍內的墻體接縫用長、寬為1m，厚為1cm的鋼板結合膨脹螺栓進行固定封堵，鋼板與墻面的接縫用C30 細石混凝土填充，提高密封性。 接縫鋼板封堵如圖14 所示。

圖14 墻體接縫鋼板封堵（單位：m）Fig.14 Sealing off through-wall leakage with steel plates（unit：m）

4）當墻體接縫鋼板封堵完成后，對坑內滲漏點附近被地下水浸泡的土體摻入10%的水泥進行拌合固結（水泥用量約47t），拌合范圍為10m（長）×10m（寬）×1.5m（厚），如圖15 所示。 當土體固結完成后，方可恢復坑內土方開挖。

圖15 淤泥拌合固結平面位置（單位：m）Fig.15 Plan layout of strata reinforcement（unit：m）

5）在坑外注漿加固區(qū)周圍布置3 口應急降水井，直徑273mm，深度33m，如圖16 所示。 降水井主要起降水及水位觀測作用，當滲漏事故再次發(fā)生后，可提前降低坑內外水壓，便于坑內快速進行應急堵漏。

圖16 應急降水井平面布置（單位：m）Fig.16 Plan layout of emergency pumping wells（unit： m）

5 結語

1）富水砂土地區(qū)深基坑發(fā)生滲漏后，應立即采取有效措施封堵坑內外的滲漏通道，從而控制事故對基坑和周邊環(huán)境的不利影響。

2）富水砂層基坑滲漏事故頻發(fā)可主要歸因于地層、施工和人為三大因素。 富水砂層由于復雜的水文地質特征，導致地下連續(xù)墻容易存在既有缺陷，而施工工藝上的不規(guī)范進一步減弱了墻體的止水性能。 此外，現(xiàn)場工作人員出于僥幸心理往往不及時采取措施對滲漏位置進行處理，最終導致了事故的發(fā)生。

3）針對富水砂層這一特殊條件，系統(tǒng)總結了“提前預防、應急堵漏、后續(xù)加固”的針對性建議，可有效降低深基坑滲漏事故的發(fā)生率且能控制相應的工程風險。