深基坑突涌事故原因及处理措施

陈家春，张登

(福建省建筑轻纺设计院 福建福州 350001)

引 言

地下水是地质环境最为活跃的组成部分。深基坑工程事故中有相当一部分是由于基坑开挖引发地下水变动引起[1]。对于坑底以下存在承压水的深基坑工程，当基坑开挖导致上覆不透水层过薄，承压水将顶裂或冲破基坑底部，引发突涌事故[2]。现行规范[3]采用压力平衡法计算基坑突涌稳定性，即将上覆土层视为不透水体，用其重力平衡水压力。此外，规范流土稳定性验算公式考虑了上覆土层渗透性的影响，用有效重度平衡渗透力的方法进一步验算。上述公式虽然忽略了土体强度、桩基摩擦力、基坑形状等因素的影响[4]，但只要针对地质条件妥善使用是可以基本满足工程要求的[2]。当验算不满足基坑突涌稳定时，就需要对基坑进行地下水控制。对于承压水，一般可采取三类处理措施:降低承压水位、隔离地下水和坑底加固[5]。这些措施在大量的工程实践中被证明是有效的，但由于地质环境的复杂性以及施工质量等原因，基坑突涌事故仍时有发生。此时，就需要在分析事故原因的基础上，积极应对，妥善处理，减小损失。

本文以福建某三层地下室基坑突涌事故为例，对突涌事故原因进行了分析，并对工程的处理措施进行了分析和评价。本工程研究成果可为相关工程基坑突涌事故处理提供借鉴。

1 工程概况

1.1 基坑概况

福建省某医院诊疗中心大楼共设三层地下室，地下三层底板面结构标高为:－15.25m，底板厚500m，底板底设200mm厚垫层，基坑开挖深度为14.60m。基坑开挖范围内的土层情况如(表1)所示。场地工程地质剖面图如(图1)所示。

表1 各土层物理力学性质

根据场地地质条件，基坑支护形式采用冲钻孔灌注桩结合三道内支撑。基坑范围内地下水主要为杂填土中的上层滞水，水量贫乏。坑壁及坑底主要位于淤泥层，为相对隔水层，地下水量不大。但坑底以下中砂层为承压水含水层，其顶板埋深18.80～28.50m，安全厚度较小。为防止基坑突涌，设计采用三轴水泥土搅拌桩结合高压旋喷桩对地下水进行隔离。截水帷幕需穿过中砂层进入不透水层不小于1m。基坑支护平面图如(图2)所示。

图1 工程地质剖面图

图2 基坑支护平面图

1.2 基坑突涌事故概况

基坑开挖至第三道内支撑位置，即开挖深度11.5m。先从围护桩间隙而后整个坑底有大量地下水涌现，导致第三到内支撑无法施工。经各参建方讨论:在基坑内试降水，初步判断高压旋喷桩是否漏水。现场为了加快第三道支撑施工，在基坑内外同时抽水。后续几周内出现地面沉降及周边建筑沉降超过预警值，如(图3、图4)所示。

图3 周边地表沉降过程结果

图4 周边典型建筑物沉降观测结果

可以看出，降水后，周边地表沉降迅速急剧发展，周边建筑物由于地面沉降在桩侧形成负摩阻力，造成基础下沉，沉降发展相对滞后，到后期桩端持力层压缩固结，桩端承载提升，桩基沉降趋于稳定。但倘若地面沉降不取得良好的控制，负摩阻力进一步增加，建筑物仍可能持续下沉。

2 事故原因分析

2.1 基坑突涌稳定性验算

根据现行规范[3]，基坑抗突涌稳定性可根据式(1)计算:

式中:D－承压水含水层顶面至坑底的土层厚度(m);γ－承压水含水层顶面至坑底土层的天然重度(kN/m3);hw－承压水含水层顶面的压力水头高度(m);γw－水的重度(kN/m3);Kh－突涌稳定安全系数，Kh≥1.1。

根据勘察报告中砂层顶面的压力水头高度约为10.5m，按式(1)计算D=7.35m。以顶板最小埋深计算开挖深度11.5m时的安全厚度为7.30m。可以判断，如不采取措施，基坑将由于安全厚度不足引发坑底突涌。

2.2 截水帷幕止水效果

为判断已有截水帷幕的止水效果，在坑内布设三口抽水井进行抽水试验，抽水井位置如(图2)所示。抽水试验成果如(表2)所示。

表2 抽水试验成果表

从表中数据可以看出，中砂层最厚位置(7.5m厚)CSK1出水量是南侧的4倍，这种大水量涌出，可以判断北侧地下水基坑内外是贯通的，高压旋喷桩止水帷幕成桩在中砂层存在缺陷。进一步查明后发现，上述缺陷是由于高压旋喷桩未按设计图纸施工以及在三轴水泥搅拌桩与高压旋喷桩搭接部位未搭接好造成的。

3 事故处理措施及效果

3.1 围护桩间距局部堵漏

在第三道支撑以下的土方开挖过程中，首先在局部围护桩间隙出现漏水，采取了如下应急措施:

(1)在出水口插入导管进行反滤导水，同时用麻袋装砂进行反压;

(2)在出水点附近支护桩后面打1排注浆孔，孔深应在出水点以下，注浆方法采用先对孔进行清洗，用双快水泥进行压力灌浆，直至注满为止(双快水泥技术指标:①三氧化硫:水泥中三氧化硫含量小于9.5%;②比表面积不低于4500cm2/g;③凝结时间:初凝不得早于10min，终凝不得迟于60min)。事后发现，由于基坑开挖过程中出水口数量不断增加，该项措施仅能起到局部补漏作用，并不能根本性阻止漏水。

3.2 加强截水帷幕

图5 截水帷幕加强方案

对止水帷幕缺陷部位进行修补，修补采用在坑外增加两排高压旋喷桩的方法。如(图5)所示。实际应用结果表明，增加高压旋喷桩后，在基坑内降水过程中，坑内抽水量和坑外沉降速率均有较大幅度减少，这表明截水是有效的。

3.3 基坑降水

采取坑内降水措施降低承压水位，基坑中心承压水位降深按式(2)计算:

式中:h0为隔水层安全厚度(m)。

基坑降水的降深需严格控制，防止周边建筑物及地面发生过大沉降。同时，坑外需设置回灌井，减小坑外沉降。

3.4 加快承台及地下室底板施工

为进一步缩短基坑暴露时间，加快基坑施工进度。基础改用整片大承台替代原有分散分布的承台。此外，为加快底板封底及外墙形成封闭的隔水墙，取消后浇带。同时采用低收缩混凝土材料、跳仓浇筑、控制缝等方法减少混凝土收缩后对结构的影响。

采用上述措施后，工程得以顺利实施，收到了良好的效果，并将损失减小到最低限度。

4 结论

(1)基坑坑底以下存在承压水时，易由于安全厚度不足引发基坑突涌，需引起重视。

(2)基坑突涌的原因是由于基坑截水帷幕施工质量差导致基坑隔水失败，未能按设计意图提高基坑抗突涌稳定性。

(3)对上述基坑采用了围护桩局部堵漏、加强截水帷幕、基坑降水、加快承台及地下室底板施工等措施，收到了良好的效果，可为相关工程事故提供借鉴。

[1]于英武，李占华，，魏茂杰.深基坑地下水控制技术研究[J].地下水，2007，29(3):36 －38.

[2]潘泓，曹洪，谭泽新，尹小玲.基坑抗突涌计算方法的对比分析及应用探讨[J].岩石力学与工程学报，2006(supp.2):3529－3534.

[3]JGJ120－2012.建筑基坑支护技术规程[S].

[4]孙玉永，周顺华，肖红菊.承压水基坑抗突涌稳定判定方法研究[J].岩石力学与工程学报，2012，31(2):399－405.

[5]宫全美，丁春林，许恺，周顺华.抗突涌安全系数对地铁车站基坑变形的影响[J].地下空间与工程学报，2005，1(5):768－772.