某深基坑工程中的承压水防治措施

2015-03-22孙红

浙江建筑 2015年1期

孙红

SUN Hong

(杭州市建设工程质量安全监督总站，浙江杭州310005)

随着我国城市建设行业的迅速发展，深基坑工程日益增多。工程实践表明，基坑事故中与地下水有关的约占45%～70%［1-3］，因而地下水防治成功与否直接关系到深基坑工程的安全。不同于潜水与上层滞水，深基坑受承压水的影响表现出如下一些特征:(1)当坑底至承压含水层顶板的残留土层的自重力小于承压水压力时，基坑在施工中容易产生突涌现象，如上海浦东煤气厂过江管线嫩江路竖井基坑工程的突涌破坏［4］。(2)由于承压水压力很大，易造成坑底隆起变形与围护结构变形的增大，影响到基坑的稳定。很显然，基坑开挖深度过深或承压水头过高时，基坑的稳定性不容易得到满足。此时，如何采取有效措施处理坑底的承压水问题，防止基坑失稳，值得工程技术人员深入研究。

本文拟结合某过江隧道工作井基坑工程中处理承压水的成功实践，探讨下伏承压水层深基坑工程的稳定性与治理问题。

1 工程概况

某过江隧道江南盾构工作井基坑净长为86.8 m，净宽为25. 2 m，西线基坑开挖深度为28.79 m，东线基坑开挖深度为29.36 m，中间设备井段基坑开挖深度为24.00 m，为浙江省最深的基坑工程之一。围护结构采用地下连续墙结构，墙厚1 200 mm，封堵墙厚600 mm，地下连续墙深度为47 m，墙底位于⑧层圆砾、卵石层，共设5 道钢筋混凝土支撑梁和1 道Φ609 mm×16 mm 钢管支撑。

根据地质勘察报告，基坑坑底位于④层淤泥质粉质黏土和⑤2层粉质黏土地层中。地下水主要分为第四系孔隙潜水含水层和第四系孔隙承压水含水层。潜水主要赋存于场区浅部人工填土及其下部粉、砂性土层内，含水层底板大致以④层淤泥质粉质黏土层为界，渗透系数1.49～4.21 ×10-4cm/s。承压水主要赋存于⑦砂土和⑧层圆砾、卵石层内，上覆④层、⑤层、⑥层黏性土构成了含水层的承压顶板。含水层顶板标高为-32.67～-24.10 m，厚度大于20 m，透水性良好，受上游侧向径流补给，勘察实测承压稳定静止水位埋深为9.30～11.15 m，相对标高为-3.98～-3.80 m(施工期间专业监测单位现场实测承压稳定静止水位相对标高-1.99～-2.69 m)，单位涌水量为1.8×103～2.3 ×103L/h·m。可见，承压水含水层顶标高与工作井东西线深基坑的底标高(东线为-23.56 m、西线为-22.99 m)非常接近，且场区内普遍缺失⑥层土，承压水上覆层为⑤2层(层底标高为-27.01 m)。承压顶板的厚度为3.5 m 左右，而存在23 m 左右的水头差，这给处理下伏承压水带来了相当大的困难，且基坑开挖风险也非常大。

2 基坑底板稳定性分析

当基坑开挖到一定深度后，承压含水层上部土压力就会小于含水层中承压水的顶托力，导致基坑底部失稳，诱发突涌现象，需要对基坑底板稳定性进行验算，并据此给出解决对策。

2.1 基坑底板的稳定条件

基坑底板至承压含水层顶板间的土压力应大于安全系数下承压水的顶托力，即:

式中:H—基坑底至承压含水层顶板间的距离(m);

γs—基坑底至承压含水层顶板间的土层的饱和重度(kN/m3);

γw—水的重度，取10 kN/m3;

h—承压水头高度至承压含水层顶板的距离(m);

Fs—抗承压水稳定安全系数，取1.2。

根据实测承压稳定静止水位标高为-2.58 m，⑦2层粉细砂承压含水层顶板标高为-27.68 m，由式(1)可得出⑦2层承压含水层在安全系数下承压水的顶托力为301.2 kPa。由此得出基坑稳定所要求的承压水水位控制标高，见表1。

表1 承压水水位控制标高

2.2 基坑底板稳定性验算

为了保证基坑稳定，根据式(1)可计算出基坑开挖时基坑稳定的临界开挖深度。地面标高为5.8 m，承压水顶托力为301.2 kPa，则其临界开挖深度为17. 56 m。也就是说基坑开挖深度不超过17.56 m 时，可不考虑对承压含水层采取水头降压或隔水等处理措施。但当基坑开挖超过17. 56 m时，下部承压水的顶托力将大于基坑底至承压含水层顶板间的土压力，基坑容易发生突涌现象，基坑开挖不安全，需要采取措施防治承压水的影响。很显然，工程的实际开挖深度大大超过临界开挖深度，需要采取措施进行承压水治理。

3 治理承压水的技术措施

全抽水降压方案、高压旋喷桩隔渗帷幕辅助坑内抽水降压方案以及地下连续墙隔渗帷幕辅助坑内抽水降压方案都具有理论可行性。全抽水降压方案是在坑内外布置50 口降水井抽水降压;高压旋喷桩隔渗帷幕辅助坑内抽水降压方案是紧贴围护结构地下连续墙设置高压旋喷桩帷幕，切断承压水含水层，然后在基坑内设置若干口降水井辅助抽水降压;地下连续墙隔渗帷幕辅助坑内降水降压方案是在坑外四周3 m 左右设置地下连续墙，考虑该地下连续墙仅为止水隔渗，不承担基坑围护的水土压力，采用素混凝土即可，然后在基坑内设置若干口降水井辅助抽水降压。为了确保基坑工程安全，最大限度地减小工程施工对周围环境的影响，最终确定了采用“基坑外素混凝土地下连续墙隔渗帷幕+基坑内减压降水”的处治方案。

3.1 隔渗帷幕施工

地下连续墙围护结构1.2 m 厚、深46 m、平面尺寸为86.8 m×25.2 m。基坑外素混凝土地下连续墙隔渗帷幕平面尺寸为94.7 m ×43.1 m，与原地下连续墙三边相距3 m，与明挖段侧相距13 m，连续墙厚0.8 m;设计深度为60.5 m，以进入下卧⑨1层全风化含砾砂岩不小于2 m 作为入岩控制指标，为落底式隔渗帷幕。墙体材料采用C20 素混凝土，其中盾构穿越段采用C15 素混凝土。

根据施工区域的地层特点、施工条件等因素，隔渗帷幕地下连续墙施工采用抓斗和CBC25 型液压双轮铣联合成槽，槽幅间采用“接头管”法刚性连接，混凝土浇筑采用泥浆下直升导管法。其中，液压铣性能参数如下:(1)最大开挖深度150 m;(2)开挖尺寸0.8～2 m ×2.8 m;(3)最大起重能力120 t;(4)泥浆泵排量400 m3/h;(5)泥浆净化设备的处理能力为450 m3/h。

用抓斗抓取上部杂填土、砂质粉土层、粉砂夹粉土和粉质黏土层，采用三抓成槽，先行幅先抓两端、后抓中间，闭合幅先抓中间、后抓两端。抓至圆砾卵石层后，使用液压铣削至孔底，与抓斗相同，分三铣成槽，先行幅先铣两端、后铣中间，闭合幅先铣中间、后铣两端。“接头管法”接头既延长了渗透路径，又形成了墙体之间的可靠连接，有利于墙体的抗渗要求。帷幕施工中，需要重点控制以下工程质量环节:

(1)施工区域地下水位较高，容易导致成槽中槽孔失稳、缩孔或坍孔现象，需要对施工区域实施井点降水，将潜水水位降至地面以下6 m 深度。

(2)隔渗帷幕进入⑨1层深度的质量检验和确定。为确保隔渗帷幕能够达到设计隔渗要求，勘察、设计等各方对先期施工的两幅槽段的槽底出渣进行综合分析判断，优化并最终确定隔渗帷幕进入⑨1层全风化含砾砂岩深度的现场控制标准。后期槽段施工中严格执行了这一标准要求，每一幅槽段成槽至底部时都由监理方进行基底验槽。

(3)成槽质量。槽孔的垂直度(孔斜)是地下连续墙的重要参数指标，工程中槽孔深度达到60 多米深，对孔斜的控制显得尤为重要。导墙施工时已通过准确定位，可以确保成槽施工时槽口位置的准确性。成槽施工前，进行槽孔位置校核。抓斗开槽时，严格按照设计槽孔偏差控制斗体下放位置，将斗体中心线对正槽孔中心线，缓慢下放斗体抓取地层土，要求每抓2～3 斗即旋转斗体180°，以此确保槽孔垂直。在成槽过程中，利用抓斗和液压铣上的孔斜显示装置监控孔斜情况，随时可以监测成槽的偏斜情况，出现孔斜及时使用纠偏装置(纠偏板)进行纠偏。地下连续墙隔渗帷幕呈长方形，四个转角幅均采用两铣成槽，这样既有利于拐角处的墙体连接，也缩短了成槽时间，更减小了由于施工成槽时间过长对槽孔稳定性带来的不利影响。

(4)泥浆质量。定期对施工中的泥浆相对密度进行检测，当泥浆不符合规定时立即对使用中的泥浆循环处理或换用新浆，直至符合要求。帷幕东侧短边有4 口承压降水深井，距离外墙边约2.5 m，暗埋段有1 口承压观测井，距离内墙边约1 m。为减小深井对槽段施工的影响，需要更加严格地控制护壁泥浆的性能，并保持浆面至地面的距离不大于500 mm。

(5)清孔质量。槽孔深度深，沉渣处理难度很大，选用的铣槽机要求带有根据浆液循环原理进行泵吸出渣处理的振动筛设备。清孔标准为孔底淤积厚度≤100 mm，密度≤1. 20 g/m3，马氏漏斗黏度32～50 s与含砂量＜6.0%。闭合槽在清孔换浆结束前，用专用的刷子钻具刷洗清除先行槽幅端头混凝土壁上的泥皮和地层残留物，以刷子钻具基本上不带泥屑，孔底淤积不再增加为合格标准。

(6)墙段连接质量。墙段连接采用“接头管法”，先行幅浇筑成墙后根据混凝土的初凝时间及浇筑时间的长短确定接头管的起拔时间，接头管起拔过程中采用液压站作为动力装置，拔管机、履带吊作为辅助动力设备的装置进行拔管施工，避免拔管不及时带来的重大质量事故。

(7)隔渗帷幕墙体质量。地下墙槽孔深度达60多米，混凝土浇筑中可能出现导管阻塞现象。在浇筑导管埋深满足规范的前提下，提升导管500～1 000 mm，上下活动数次，使混凝土恢复入仓。如果混凝土仍不能顺利入仓，在确保导管埋深的前提下，拆卸1～2 节导管。混凝土浇筑时，每隔2 h 取样进行坍落度、扩散度的现场检测。随机在槽口处取样，制作试块养护，进行28 d 室内试验检测。工程中采用过程控制对墙体的各项指标进行跟踪检测，整体工程完成后基坑渗水仍不能满足后续施工要求时，对墙体的薄弱区域采用灌浆或高压旋喷等处理。

3.2 降水施工

帷幕虽为落底式隔渗帷幕，考虑到仍存在渗漏的可能性，为确保基坑安全，在隔渗帷幕内布置了减压降水井及备用井。依据设计方案，素混凝土地下连续墙内共布设7 口降压井，在暗埋段留设若干口备用井。在全部的隔渗帷幕达到设计强度后，进行降压井抽水运行现场试验，调整或决定降压备用井的施工。

(1)承压降水井构造。承压降水井深均为47 m，井壁管采用直径Φ325 mm、壁厚6 mm 的钢管。滤管长度10 m，直径同井壁管，采用机床定加工，位于埋深36～46 m。过滤管以下1 m 为沉淀管，主要起到过滤器不致因井内沉砂堵塞而影响进水的作用，沉淀管接在滤水管底部，底口用钢板封死，直径与滤水管相同，位于埋深46～47 m。井管外34～47 m 范围内人工填砂，29～34 m 范围内封堵黏土球，0～29 m 范围内填充黏土。

(2)试抽水运行。试运行之前，准确测定各井口和地面标高、静止水位，后开始试运行，以检测隔渗帷幕的效果，检验设计承压降水井数量、抽水设备、抽水与排水系统能否满足降水要求。

(3)降水施工要求:①确保隔渗帷幕的施工质量以减小基坑涌水量及降水漏斗的影响范围;②在深基坑开挖过程中，应根据挖土程序的需要及施工进度，合理调整抽水井的开启数量;③基坑开挖施工时，应通过观测和现场观察，获得准确数据并及时分析处理，严密监视是否有险情及险情发生发展的情况;④抽水井初期含砂量小于1/50 000，长期运行时含砂量小于1/100 000，在降水前期阶段，对各降水井出水量、含砂量进行测定以保证降水井的含砂量不超过有关规范要求;⑤设置于坑内的降水井，穿越基础底板处应设置止水环;⑥深井降水完毕后，应采取有效措施封堵井孔，避免承压水沿井孔及井壁上涌，采用“以砂还砂、以土还土”的原则，并对管井进行封填，并确保封填质量。

3.3 信息化施工

为确保基坑工程的安全，施工中对围护体水平位移、围护体顶部水平位移、围护体顶部垂直位移、支撑轴力、地下水位、基坑周围地表沉降、周围建(构)筑物变形、坑底隆起等内容进行监测。尤其在承压水处治过程中要对基坑内外承压水头进行全过程监控。施工过程中对监测数据及时分析判断，当出现基坑土体回弹、立柱桩上浮、围护结构倾斜变形等数据突然增加且超过常规警戒值时，或者出现坑外地面沉降加剧等情况，应及时分析是否为承压水问题所造成，并采取针对性的技术措施。