富水软土地区深基坑突遇渗流的分析与处置

□文/李 乐 崔爱珍 张一鸣 王 海 亓立刚

地下工程施工过程中超深基坑的安全一直是各方关注的重点，而超深基坑所面临的潜在危险源除了建筑行业所共识的项目之外还有其所特有的，特别是地质条件变化所引起的潜在风险[1～2]。在深基坑土方开挖过程中可以预见的风险有基坑围护结构的过大变形、围护结构渗漏、坑底突涌、基坑整体上浮等[3]。在天津滨海国际机场扩建配套交通中心工程的深基坑最后一步土方开挖过程中遇见了不明渗流，同时基坑有明水出现，为保证超深基坑施工的绝对安全，及时启动了应急预案，通过采取一系列的应急措施找出了原因并化解了险情，为富水软土地区深基坑突遇富水的处置积累了宝贵经验。

1 工程概况

1.1 深基坑设计概况

天津滨海国际机场扩建配套交通中心工程基坑深约24 m，属超深基坑工程，基坑围护结构采用地下连续墙形式，墙深50 m，厚有1 000、1 200mm两种，整个基坑长726 m、标准段宽82 m，包括地下1层和局部2层结构。基坑采用盖挖逆作施工工艺，先施工基坑围护结构地下连续墙及墙体接缝处的高压旋喷桩，然后施工中间工程桩及钢管柱，施作顶板及中板后从顶板预留出土口处分别开挖-1层及-2层土方，其中在-2层中间部位浇筑基坑腰梁及混凝土横向支撑，最后在横撑混凝土强度达到设计要求后开挖剩余部分土方、施工结构底板及侧墙。围护结构地下连续墙采用C45P10自防水混凝土材料。

1.2 地质条件

深基坑与原西减河道垂直相交，施工场地属海积～冲积滨海平原地貌。地基土在110 m深度范围内均为第四纪松散沉积物，主要由饱和粘性土、粉土、砂土组成，一般具有成层分布的特点。自上而下为第四系全新统人工填土层（人工堆积）、第Ⅰ陆相层（第四系全新统上组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅰ海相层（第四系全新统中组浅海相沉积）、第Ⅱ陆相层（第四系全新统下组沼泽相沉积及河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ陆相层（第四系上更新统五组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅱ海相层（第四系上更新统四组滨海～潮汐带相沉积）、第Ⅳ陆相层（第四系上更新统三组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅲ海相层（第四系上更新统二组浅海～滨海相沉积）、第Ⅴ陆相层（第四系上更新统一组河床～河漫滩相沉积）、第Ⅳ海相层（第四系中更新统上组滨海三角洲相沉积）、第Ⅵ陆相层（第四系中更新统中组河床～河漫滩相沉积）。施工场区内地基土分布具有以下特点：

1）浅部填土局部厚度较大，最厚处约5.3 m；

2）⑥2淤泥质粉质粘土层分布不连续，厚度不均匀，最厚处达5.2 m；

3）土质不均匀，特别是⑥4层，局部砂性大。

潜水含水层主要为全新统中组海相层⑥层及其以上土层。主要由⑥2和⑥4层粉质粘土、⑥3和⑥5层粉土及④层粉质粘土、表部人工填土组成，以全新统下组湖沼相沉积7层粉质粘土和河床～河漫滩相沉积⑧1层为相对隔水底板；静止水埋深一般0.50～4.90 m（标高-0.93～1.92 m）。潜水主要接受大气降水、河流补给，以蒸发形式排泄，水位随季节、气候、潮汐有所变化。

承压含水层自上而下可分为4个含水层：⑧2为第一层承压水为第二层承压水和为第三层承压水为第四层承压水。承压水主要接受上层地下水的越流补给和侧向径流补给，以径流及向下越流的方式排泄，承压水一般呈周期性变化。现场抽水试验表明，层与层微承压含水层之间水力联系密切；、层微承压含水层均与⑨2层微承压含水层具有较小水力联系，与⑧2层水力联系不明显；⑨2层微承压含水层与⑧2层具有较小水力联系。

1.3 降水设计概况

整个深基坑采用半悬挂式的地下连续墙形成止水帷幕，完全隔断了第一、二承压水层。基坑在12～26轴之间-2层约6 500 m2的范围内布设疏干井19口，井深26 m；混合井10口，井深32 m；降压井9口、井深47 m。所有降水井均使用铁管，同时在基坑围护结构外地下连续墙接缝处钻井，使用110mmPVC管布设13口深20 m的坑外水位观测井，在坑内降水的同时观测坑外水位的变化。

2 突遇富水情况

对基坑混凝土横撑以下最后一步约6 m的土方进行开挖，在由西向东开挖至17轴时发现基坑内有明水出现并且形成微小渗流，随着竖向开挖面的前进推移，微小渗流水量有逐步扩大趋势，同时造成粉砂层局部垮塌现象。仔细观察发现所有微小渗流均在水平开挖面以下2～3 m的粉砂层中出现，见图1。

图1 基坑渗流积水

3 原因预判

基坑采用盖挖逆做施工工艺，在围护结构及中间桩柱施工完毕后、基坑开挖之前，先进行-1层的降水作业，通过坑外水位观测井的监测数据发现围护结构的止水效果良好，在-1层墙体范围内无渗漏出现。在中板施工完毕之后及时对降水井进行清淤洗井作业，保证在后续土方开挖过程中降水井能良好运行。-2层的土方开挖及降水作业分2步进行，第1步开挖至混凝土横撑及腰梁处，第2步开挖至基坑底部，在第2步开挖之前基坑内水位降至基坑底1 m以下并保持水位稳定，降水水位达到深基坑开挖要求，因此最后一步土方开挖过程中富水的出现必然不是降水不到位的结果，再结合以往处置深基坑渗漏事故的经验，出现此现象可能有如下几个原因。

1）地下连续墙围护结构出现渗漏。在-2层剩余土方开挖面以下部位的地下连续墙可能存在渗漏，基坑外地下水进入坑内。

2）相邻标段的地下水位高于本基坑开挖底面。因同一个基坑施工进度不一样，各个标段范围内的降水水位要求不同，造成其他标段内的高位地下水水平渗透，最终形成竖直开挖面处源源不断的地下渗流。

3）抽水试验井发生地下承压水突涌。在开挖前期基坑进行了抽水试验，共布设5口62 m深试验井，这些试验井可能遭到破坏导致深层地下承压水突涌。

4）富水粉砂层内少量承压水未抽排完毕，造成开挖后剩余部分渗流。

4 处置措施

根据原因预判并结合以往深基坑突涌事故处置经验[4]，从“截”、“探”、“抽”、“查”、“排”5方面着手，对基坑内不明渗流及积水进行处理，整个应急处置方案，见图2。

图2 应急处置流程

1）“截”。相邻的西侧标段基坑已经开挖完毕，而东侧的标段最后一步土方尚未开挖。因施工进度差异导致降水要求不同，经过调查东侧标段地下水位基本维持在22 m，比本标段范围内水位高3 m，因此必须采取截水措施隔断标段间水力联系。在与东侧标段分界处布设一排间距6 m、深8 m的无砂管进行降水，水位维持在基坑以下1 m，从而切断标段间水力联系。

2）“探”、“抽”。开挖前，在整个基坑范围内进行了抽水试验，在-2层范围内有5口深62 m的试验井，因基坑降水设计并不包含试验井，后期对所有降水井进行统一编号时也未包含其在内，导致土方开挖时没有引起高度重视，保护不到位可能造成试验井破坏，从而导致承压水突涌，因此必须对其进行探挖排除隐患。安排测量人员依据坐标确定5口抽水试验井的位置，然后由人工探挖出试验井，经过现场勘查发现试验井处并未发生突涌现象，因此排除突涌隐患。但为了下一步土方的安全开挖，5口试验井协同其他降水井一起进行降水作业。

3）“查”。在切断标段间地下渗流水源后继续在标段范围内降水，然后检查围护结构地下连续墙的止水效果，通过分析坑外水位观测孔的水位变化趋势来判断地下连续墙是否存在渗漏情况。图3是坑外观测孔的水位变化趋势。

图3 坑外观测孔水位变化趋势

由图3可以看出，自3月21日开始坑外大部分观测孔水位突然下降，最大降幅达5 m，然后处于稳定状态，而坑内所有降水井开始降水也即是此时，发生此种现象说明地下连续墙存在渗漏风险，另外，大规模的坑内降水特别是深层试验井的抽水使坑内外形成巨大水位高差，坑外地下水从地下连续墙底部越过形成渗流场也可以出现此种现象[5～6]。为排查地下连续墙是否存在渗漏风险，在基坑降水的同时安排挖掘机沿着南北地下连续墙内侧挖掘沟槽，一旦有渗漏立即停止开挖并及时进行注浆止水。经过仔细排查并未发现地下连续墙特别是地下连续墙接缝处有渗漏现象且围护结构地下连续墙的施工质量整体较好。

4）“排”。围护结构地下连续墙的止水效果良好，同时通过标段间的截水和坑内降水，基本排除了深基坑开挖的各种潜在风险，而经过一系列的处置措施后坑内渗流和积水明显减少。经观察土方开挖面以下2～3 m渗流层正好位于第一承压水⑧2层，此层为灰黄色粘性土粉砂，渗透系数为1.91×10-4cm/s，渗透系数较强，而其上下两层为弱透水层。造成开挖界面源源不断的渗流除了⑧2层本身富含水量未过滤完毕之外，还有标段间水源的补给，在切除标段间的补给水源后便可以对剩余水量进行滤排，使用挖掘机在开挖面处及中间部位挖掘4个集水坑，过滤集水后用潜水泵及时抽排。

5 结语

在天津滨海国际机场扩建配套交通中心工程深基坑土方开挖中遇见了渗流并形成集水，通过采取“截”、“探”、“抽”、“查”、“排”等一系列的应急处置措施，最终查明了原因并成功消除了深基坑施工安全隐患，积累了超深基坑风险处置经验。

1）在围护结构地下连续墙渗漏风险预判时，当坑外水位观测孔水位出现下降，可能是地下连续墙存在渗漏现象，也有可能是坑内大规模降水导致坑内外水位出现巨大高差，从而造成地下连续墙底部渗流场出现，因此必须探挖墙体才能确定。

2）在同一个深基坑施工中，不同标段的施工进度不一致从而造成降水不同步现象，因此施工进度较快时必须切断标段间水力联系才能保证施工范围内降水彻底。

3）深基坑施工过程中要特别注意富水粉砂层的降水情况，因其渗透系数较强，在地层中很容易形成水平径向渗流通道，一旦有水源补给便会形成源源不断的渗流层，另外，由于此处上下两层渗透系数相对较小，形成了弱透水层，在降水作业时本身的承压水减压后依靠重力排水将很难抽排彻底，因此在土方开挖时依旧会有微小渗流出现并形成积水，建议提前要挖坑集水抽排。

[1]杨子胜，梁仁旺，白晓红.深基坑工程事故分析及防范措施[J].河南科技大学学报（自然科学版），2004，25（4）：71-74.

[2]姚燕雅，余 激，陈国兴.深基坑工程中渗流引起的灾害浅析[A].第三届全国防震减灾工程学术研讨会论文集[C].2007.

[3]罗 杰.深基坑抗突涌的有限元模拟及分析[D].长沙：中南大学，2011.

[4]王宝德，高海彦，陈学光.高承压水地区超深基坑突涌分析与处置[J].施工技术，2012，（22）：98-100.

[5]俞洪良，陆杰峰，李守德.深基坑工程渗流场特性分析[J].浙江大学学报（理学版），2002，（5）：115-120.

[6]刘 翔，张 晨，赵 翔.由渗流引发的某软土深基坑事故原因分析[J].施工技术，2007，36（9）：72-74.