富水砂层深基坑地下水控制措施与突涌分析

朱清鹅 赵亚军 吕 朋 刘 伟

（中建一局集团第五建筑有限公司，北京 100000）

0 引言

在地铁施工过程中，地下水涌出、渗漏等是近几年来造成基坑事故主要原因，这为地铁工程建设敲响了警钟[1]。地铁施工中，有效地控制地下水是保障地铁施工质量安全的重要因素之一[2]。随着轨道交通的发展，深基坑也越来越多，施工环境越来越复杂，在深基坑施工中面对的风险越来越多，其中，地下水控制的成功与否，对深基坑工程是否能安全施工起关键性作用[3]。该文以福州市城市轨道交通4号线一期工程第2标度8工区为背景，对地下水控制措施进行介绍，对工程出现突涌现象的应急处理进行研究，得出一套回填+注浆+降水井+迅速浇筑底板的应急处理方法，为以后类似工程提供参考意见。

1 工程概况

1.1 项目概况

福州市城市轨道交通4号线一期工程第2标度8工区项目包括两站两站两区间，前屿站（不含）～光明港站（含）～鳌峰洲站（含），全长1.6km。两站均采用地连墙+内支撑的围护结构形式、均采用明挖法施工，基底均采用深层水平封底加固。鳌峰洲站为为地下3层岛式车站，车站长145m，标准段宽22.1m。车站北侧为光明港二支河河涌，南侧为鳌峰路，车流量较大；车站东侧有110KV高压电缆（架空）及村民房屋；西侧为富闵时代广场。光明港站为地下二层岛式车站，车站总长为238.6m，标准段宽为19.7m，标准段基坑深度18.9m。共设置3个出入口和1组风亭，其中3号出入口和1号风亭设置于前横南路西侧的空地块内，1号出入口和4号出入口设置于前横南路东侧的空地块内。

1.2 工程地质条件

车站基坑所处地层由上至下依次为 ＜1-2＞杂填土，＜2-4-1＞淤泥，＜2-4-4＞淤泥夹砂，＜2-4-6＞含泥中细砂，＜3-1＞粉质黏土，＜3-2＞粉细砂，＜3-3＞中粗砂。基坑开挖范围内地层主要为淤泥、淤泥夹砂层、含泥中细砂层，基底部分处在含泥中细砂层。地连墙深入粉细砂地层，接近粉细砂层的最底部。地质纵断面图如图1所示。

图1 地质纵断面图

1.3 地下水类型及不良作用

1.3.1 地下水类型

1.3.1.1 上层滞水

整个场地地表广泛分布人工填土层，部分为填砂，填石等。主要分布于表层填土层内，为孔隙水，透水性较好，水量不大，水位变化随周围环境变化。上层滞水的水位和水量随季节变化较大，雨季上层滞水水量较丰富，枯季水量变小。

1.3.1.2 松散层孔隙潜水

松散层孔隙潜水分布范围比较大，第四系风积层粉细砂、中砂、第四系冲海相沉积（含泥）中细砂中，该层属强透水层，其上部为素填土、杂填土层、填砂、填石直接覆盖，具有统一地下水位，为潜水。

1.3.1.3 松散层孔隙承压水

根据场地钻孔资料，松散岩类孔隙承压水主要赋存于中粗砂、中粗砂中。砂的形状、颗粒级配、大小、黏粒含量等决定了松散层孔隙承压水含水性能，以上各地层均属中等～强透水层。

1.3.2 地表水

两站紧靠光明港河，地表水体发育。

闽江是天然的泄洪排沙水道，长约16km，江面宽为2000m～3000m，最宽处达4000m以上，枯水期一般浅槽水深1m～5m。河床底的土层具有高渗透特性。远洋路站主体结构距离闽江约1500m，鳌峰路站主体结构距离闽江约450m。

1.3.3 地下水位

该工程场地范围内，松散层孔隙潜水初见水位埋深为0.00m～3.56m ，标高为2.45m～5.32m，稳定水位埋深为0.00m～4.01m，标高为2.45m～4.77m；松散层孔隙承压水稳定水位埋深为1.75m～4.32m，标高为2.30m～4.30m。

1.3.4 不良作用

随着基坑开挖，承压含水层上覆土层越来越薄，相应的土压力下降，当土压力≤承压含水层的顶托力时，基底土层可能被承压水顶起，甚至被顶裂产生渗水通道，导致突涌这一不良作用。

2 地下水控制措施

2.1 方案选型

该工程针对地下水控制重难点，选择相应的设计方案。

2.1.1 承压含水层突涌风险

针对粉细砂层，根据现有围护设计资料可知，主体基坑地连墙底深入该层且围护底已水平封底，因此坑内降水属于封闭式帷幕降水。对基坑开挖造成主要影响的承压含水层为粉细砂层。随着基坑开挖深度越深，承压含水层上覆土层越来越薄，相应土压力越来越小，当土压力小于承压水顶托力时，突涌将成为引起基坑事故的最大风险源之一。由于该工程围护形式与地层关系较为复杂，常规的解析公式因与该工程实际情况匹配度不高，因此须考虑采用三维数值模拟法，根据该工程实际情况建立三维渗流模型，进行坑内外的降深预测。

2.1.2 开挖面范围内以砂性土为主

根据详勘资料，潜水含水层主要分布于埋深约40m的砂土中，重力释水量较大，须采取措施降低土层含水量，否则容易产生流砂、开挖面积水等不良现象，影响开挖施工。针对该风险性，设计了如下方案：1）疏干井和降压井分开布置，疏干井主要针对上部潜水含水层，为避免疏干井揭穿水平封底，引起承压水沿着疏干井突涌的问题，疏干井深度控制在水平封底顶以上至少1m。降压井主要用于基坑开挖底面下分布的粉细砂含水层。疏干井数量按200m2一口布置。2）配置双路电源或备用发电机，确保后期抽水持续。3）施工组织设计时，应精心设计排水系统，确保排水通畅。4）为减少后期封井风险，坑内二分之一的疏干井采取不割管处理，靠近支撑搭设辅助平台进行管理。5）要求前期成井后，须进行降水验证试验，检验降深效果，评估地墙止水效果并细化降水方案。

2.1.3 周边环境复杂

由于工程所处周边建筑物、管线众多，对沉降控制要求高，基坑采用封闭式帷幕降水，在基坑围护良好的前提下，坑内降水对坑外影响很小。针对这一风险，设计如下方案：1）通过坑外每80米左右设置1口浅层水位观测井来判定坑内抽水对坑外的渗流影响，对沉降要求极高的构筑物环境周围，可以适当增加浅层水位观测井数量。部分坑外区域因场地翻交，无法施工水位观测井，因此水位观测井尽量布设在施工围挡内。当围护发生严重渗漏时，可适当短时开启坑外水位观测井，降低坑内外水头差，利于控制险情，便于地墙堵漏。2）施工过程中，须密切关注坑内抽水对坑外水位的影响。对坑外的水位进行实时监测，加强对周边沉降变形监测。3）优化坑内井点设计深度及井位布置，抽水井位尽量设置在远离构筑物附近。

2.2 降水设计

2.2.1 降水井设计

该工程浅层土主要以砂层为主，渗透性较好，a井取200m2。坑内降水井数量：n=A/a井式中：n为基坑内降水井数量（口）；A为基坑面积 （m2）；a井为单井有效降水面积 （m2）。

该工程疏干作用降水井数量布置情况见表1。

表1 疏干井设计

2.2.2 降压设计

2.2.2.1 降水渗流模型及依据

针对该工程，＜3-2＞厚度较大且上覆无连续的隔水层，主体基坑止水帷幕以及水平封底已隔断该层，减压降水形式属帷幕深入并揭穿含水层顶板、将含水层完全隔断的封闭式降水渗流模型。

2.2.2.2 井深设计

考虑到开挖面范围及以下以砂性土层为主，为保证疏干效果，疏干井须确保一定的水力梯度，井底宜进入坑底以下至少7m左右；3-2层降水，部分降水井深入至水平封底以上，兼顾3-2层的降水，加深的降水井宜搭设辅助平台进行管理。因此该工程坑内降水井设计深度为25m及31m。

2.2.2.3 数值模拟

2.2.2.3.1 地下水渗流三维数学模型

将地下水问题简化为求解地下水在多孔介质中流动的问题。根据该工程的水文地质条件，利用下述地下水渗流连续性方程，及其定解条件，来建立与之相适应的地下水三维非稳定渗流数学模型。

式中Sy—给水度；S—储水系数；M—承压含水层厚度，m；B—潜水含水层厚度，m；SS—储水率 ，（1/m）；M—承压含水层厚度，m；W—源汇项（1/d）；Ω—计算域；h0、h1—计算域初始水头值、第一类边界的水头值，m；kxx，kyy，kzz—各向异性主方向渗透系数（m/d）；t—时间（d）；Γi—第i类边界（i取1、2）；nx、ny、nz—边界Γ2的外法线沿x、y、z轴方向单位矢量；q—Γ2上单位面积的侧向补给量（m3/d）；x、y、z—离散模型中三维坐标值；h—点（x、y、z）在t时刻的水头值，m；—水头值h对x、y、z、t偏导。

2.2.2.3.2 离散模型

利用有限差分法对上述数学模型进行离散得到数值模型，并以此模型为基础，编制计算程序预测和计算因降水引起的地下水位时空分布。

根据地勘报告建立模型，对文地质特性根据经验值进行赋值，利用模型预测。为了能够忽略边界对模拟结果的影响，将此次模拟计算区域边界外扩约1000m。

在考虑抽水井、帷幕和观测井在离散模型中的空间位置的前提下，根据计算的平面范围、初始条件、边界条件和地层概化，对计算区域进行离散，并建立相应的三维计算数值模型。离散后的水文地质模型示意图见图2。

图2 离散模型三维划分

2.2.2.3.3 降水计算

根据建立的模型进行计算主体基坑降水情况。因该工程为封闭式围护条件下抽水，理论上坑内降水对坑外无影响，实际假定围护底水平封闭加固渗透系数为0.1m/d，计算降水对坑外的影响作为参考。根据模型计算，在坑内水位降至开挖面以下1m时，坑外层水位最大降深约0.7m。

2.2.3 坑外观测井设计

结合该工程地层情况，通过在主体基坑外每80米左右布置1口浅层水位观测井来判断坑内抽水对坑外的渗流影响。

主要设置在主体基坑外围，布置8口坑外观测井，井深为31m，井号为GQ1～GQ8。

后期根据坑内外水位观测情况，结合周边环境监测情况，必要时增加坑外观测井或应急抽水井。

2.2.4 工作量统计

最终确定25m深坑内降水井10口，31m深坑内降水井12口，坑外31m深水位观测井8口。

3 突涌险情分析

此次发生突涌的位置是位于基坑南端头的Y8降水井，基坑挖土至基坑深度一半位置时，Y8降水井井壁周围有轻微清水涌出来，随着挖深的进一步加大，当开挖到设计底板深度时，Y8降水井涌水量开始加大，并伴有少量泥砂涌出。Y8降压井的埋深为31m，井身穿过＜2-4-6＞层及＜3-1＞层进入＜3-2＞层，根据降压井、基坑围护及水平封底与地层的关系，可能存在以下两种涌水原因：1）通过水平封底与底板间墙缝之间存在薄弱点，随着基坑开挖至底，坑内外水头差约16m，在较大的水头压力差作用下，地下水沿降水井井壁形成渗流通道，发生涌水情况；2）围护墙底水平封底加固不均匀，存在薄弱点，造成地下水沿降水井井壁形成渗流通道，发生涌水情况。

4 应急抢险措施

4.1 阶段处理措施

阶段处理措施如下：1）发生涌水情况时，第一时间组织人员进行回填，把地下水进行反压，尽量减少泥砂的涌出。2）坑外组织对围护结构地连墙进行注浆，阻断可能通过水平封底与底板间墙缝之间产生的地下水的继续涌入。3）在涌水区域增加降水井数量，因承压水位高于开挖面已经近9m，坑内无法再继续直接施打降水井，只能通过坑外施打降压井，强制降低地下水位，然后再进行坑内施打降水井，降水井施打数量根据计算确定。4）坑内降水井施打完成以后，同时开始抽水，并且迅速把涌水区域底板浇筑完成。

4.2 整体思路

在富水砂层基坑发生涌水涌沙情况时，首先利用抢险的黄金时间，马上组织机械和人员对涌水涌沙区域迅速回填反压。

然后分析其产生涌水涌沙的原因，根据其可能的成因，进行对应措施的地下水隔断，或者减缓地下水喷涌的速度，减小其可能对基坑产生淹没的风险。

同时立即组织降水队伍在坑内进行降水井的施打，如果因开挖面已经超过承压水水头标高太多，不具备在坑内施打降水井的条件，可以在坑外先施打降压井降低其地下水位，同时要做回灌井，根据周边建筑物监测情况，随时进行回灌。降水井施打数量根据涌水公式和降水试验数据进行确定。

降水井施打完成以后，坑内降水井同时开启，迅速施工底板钢筋绑扎，混凝土浇筑工作，尽快完成涌水位置的底板施工。

5 结论

该文通过对福州市城市轨道交通4号线一期工程第2标段8工区地下水控制措施、突涌应急抢险措施的研究，得到以下结论：1）对深基坑开挖可能产生的承压水风险，须在制定降水方案时就充分考虑，施打足够的降压井和疏干井，这将大大缩减可能发生险情的处理时间，大大减小基坑被淹没的风险。2）水平封底作为围护结构的一部分，对防止突涌情况发生起至关重要的作用，所以对有水平封底的车站，在水平封底施工阶段严把质量关，尽可能发挥水平封底阻断地下水的作用。3）当发生类似突涌时，采用回填+注浆+降水井+迅速浇筑底板的方法，能够有效及时地解决突涌险情。