深大基坑底部承压水突涌控制技术及其对周边环境影响

2022-06-09潘红桂

安徽建筑 2022年5期

潘红桂

（中铁四局集团有限公司，安徽合肥 230023）

0 前言

随着我国城市化进程的不断深入，地下空间开发需求与日俱增，大批深基坑项目应运而生，不可避免带来了一些承压水突涌问题[1]，有些不仅危及工程自身安全，也给临近建筑物、管线带来重大风险[2]，承压水突涌危害已经成为深基坑工程技术人员需要面对的问题之一。

目前，国内外已有不少学者对软土基坑支护侧移规律[3]、深基坑降水施工引起周边地表沉降与建筑物管线变形问题进行了研究[4]，吴林高教授[5]就承压水对基坑工程的危害、渗流计算、地表沉降计算、降水设计与回灌等内容进行了研究，为深基坑工程降承压水设计、施工提供了重要参考。但是，对于承压水突涌引起的基坑淹没、后续处理措施及影响研究相对较少，专门针对承压水与基坑组合问题研究的论文相对较少[6]。

本文依托某城际铁路基坑突涌问题，研究一种坑外降承压水及控制敏感建筑物沉降的方法，此方法有效解决了基坑突涌事件后续处理问题，为类似地层承压水突涌控制提供了一种借鉴与参考。

1 工程概况

1.1 设计概况

本文依托某城际铁路某车站开挖深基坑。该站外包总长457.65m，标准段外包总宽22.1m，采用明挖顺作法施工，基坑设计三道封堵墙，共分为4个基坑组织施工，发生突涌事件的基坑为1#基坑（见图1）。

图1 车站设计概况

该基坑开挖深度为28.4m，连续墙深度为55.9m，基坑底位于5④粉砂层，地连墙墙趾位于8③粉质黏土夹粉土层。

基坑采用1.0mm厚地下连续墙+7道内支撑(端头井8道)+2道钢换撑的围护方案，第一、五道为钢筋混凝土支撑，第二、三、四道为φ600mm×16mm钢管支撑，第六、七（八）道为φ800mm×20mm钢管支撑。基坑冠梁尺寸为1200mm×1000mm，第一道支撑尺寸为800mm×1000mm；第五道腰梁尺寸为 1000mm×1000mm，支撑尺寸为1000mm×1000mm，均采用C30钢筋混凝土。

基坑南侧为既有高铁站站前广场，基坑距离高铁站房约150m（见图2）。

图2 基坑与既有车站位置关系图

1.2 地质水文条件

基坑地质情况自上而下依次是①2层人工填土，③2层黏质粉土，⑤4层粉砂，⑦2-1层粉质黏土夹粉土，⑦3-1层粉土，⑧3层粉质黏土，⑨3-1层细砂，⑨4层圆砾。基坑底位于⑤4层粉砂，地连墙墻趾位于⑧3层粉质黏土中（见图3）。

图3 1#基坑地质纵断面图

⑤4层粉砂：稍密状，土质均匀性稍差，局部呈粉土状，性质稍好，空间分布连续性差，适宜作为低层轻型附属建筑物的天然地基持力层。

⑧3层粉质黏土：可塑状，土质均匀性一般，空间水平向空间分布连续性较好，顶部埋深起伏较大，在其分布区域下部无软弱层分布，力学性质较好，具有中等偏低压缩性，适宜作为一般建筑物的短桩持力层。

孔隙潜水主要赋存于场区浅部人工填土及黏性土层内，稳定水位埋深为地面下1.2～3.5m，表层填土含水层组其富水性和透水性具有各向异性，透水性良好，下部黏性土层含水层组其富水性和透水性具有各向同性，透水性弱。动态变幅一般在1.0～1.5m左右。

孔隙承压水主要赋存于下部的⑤4粉砂、⑨3细砂、⑨4圆砾（砾砂）层中，根据勘察报告，其上覆的⑦2层粉质黏土夹粉土、⑧3粉质黏土构成相对隔水层。

潜水位地面以下0.5m，承压水地面以下6m。

1.3 突涌状况

基坑突涌时西侧端头井开挖至23.4m（距设计坑底标高5m），支撑架设至第6层；东侧开挖至18.5m，中间为22.5m（距设计坑底标高3.5m），支撑架设到第6层。

图4 土方开挖纵断面图

12月15日15 :30左右，1#基坑第9道与第10道混凝土支撑之间开挖面突发涌水并伴有粉细砂颗粒，孔径约5cm，现场及时采取棉絮堵孔和砂袋反压，但效果不明显。18:50左右距离端头井28m处，发现第2处坑底涌水涌砂，同时伴有大量砾石，水头约20cm，直径约30cm，现场及时采用∅273mm、长4m钢管插入，但涌水情况越来越大，约为0.08m3/s。

图5 基坑突涌出水点

图6 基坑突涌带出圆砾石

当日19:20左右，经过砂袋反压、回填土方均无法有效减小涌水量，现场及时采取了水泵集中明排。同时撤离基坑人员，加强基坑变形及水位监测，后续采用混凝土反压回填，但效果有限，水位逐渐上升至淹没基坑，上升至坑底以上5m后保持稳定。

通过观察突涌点位置、形状、带出圆砾石特点，结合勘察点点位初步判断为疑似隔水层地层起伏变化较大，前期勘探孔封孔不牢，随着基坑开挖深度增加，勘探孔内上覆土层土柱厚度不足以抵抗承压水水头差引发突涌。

图7 现场基坑淹没照片

2 深基坑施工底部承压水突涌机理及成因分析

基坑开挖后，由于承压含水层上覆土层厚度变薄，其上覆土的压力降低。当上覆土的压力小于或等于承压含水层的顶托力时，承压水将可能使基坑底面产生隆起，严重时使土体被顶裂产生渗水通道，从而发生基坑突涌。

图8 基坑抗承压水突涌稳定性验算原理示意图

2012年颁布的行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）首次将渗流分析概念引入承压水突涌安全计算[7]，采用下式判别基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌稳定（安全）的状态。

对于需采取减压降水措施的基坑工程，在计算减压降水幅度时一般取临界状态[8]进行计算

Ps—承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，（kPa）

Pw—初始状态下（未减压降水时）承压水的顶托力，（kPa）

hi—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，其和等于图8中的h，（m）

γsi—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，（kN/m3）

H—高于承压含水层顶面的承压水头高度，即图6中所示H，（m）

γw—水的重度，取10，（kN/m3）

Fs—安全系数，一般取1.05～1.20，本次研究取1.10。

计算安全系数下Fs=1.10的承压水顶托力：Fs·γw·H＝533.5kPa，基坑临界开挖面深度22.78m（标高-16.78m），即在不降压的情况下基坑开挖至22.78m时处于抗突涌临界状态。

3 基坑承压水突涌控制方法

3.1 降承压水技术

根据地勘报告、坑内坑外地表变形、场地条件等因素综合考虑，确定处理方案为坑外降承压水方案，在布设坑外降压井前需要进行降水试验与降水井设计。

3.1.1 降水试验

降水试验主要针对细砂、圆砾承压含水层，验证群井降深能力是否满足降深要求，提出合理的单井出水量建议值，通过抽水试验停止后的水位恢复试验，了解承压水水位恢复特征，分析计算降水影响范围及降水影响沉降等值线，防止因承压水层判别不明引发基坑突涌事件。

本次降水试验1#基坑外共设置试验井（孔）24口，编号为：抽水井J1～J20，观测井GCJ1～GCJ4，其中抽水井8口，备用抽水井12口，观测井4口。其中1#基坑外设置20口，在距J1和J20平行于基坑处80m、150m位置共设2口，基坑南侧既有高铁沿线布置2口（见图9）。

图9 降水试验井位布置图

单井抽水试验时，共设置试验井（孔）3口，呈一字型布置，各井间距均为10m；其中抽水井1口，水位观测孔2口。抽水井编号为J3，观测孔J4、J5。

群井抽水试验共设置试验井（孔）24口，其中抽水井8口，其编号为J1～J8;备用抽水井2口，J10、J11；其余为观测井。

3.1.2 渗透系数计算

按承压含水层完整井的稳定流公式计算含水层渗透系数。根据相关规范、规程，承压水含水层稳定流渗透系数计算公式：

式中：r—观测井距离抽水井的距离（m）；

S—观测井水位降深（m）；

Q—单井出水量（m3/d）。

两次计算的渗透系数取平均，K=（18.43+24.43）/2=21.43m/d；

3.1.3 影响半径计算

通过现场观测井水位，影响半径按照内插法计算。

计算得影响半径R=463m。

3.1.4 降压井设计

经天汉降水软件模拟计算，1#基坑外共布置20口减压井，其中14口降水井，观测井6口，观测井兼做备用降水井。利用降水试验所设置的1#基坑外20口减压井进行降基坑承压水。

根据现场要求，拟采用2个出水口排出基坑地下水，每个排水口流量Q为700m3/h。

3.2 隔水层封孔方案

1#基坑涌水孔封孔采用双液浆封孔，当坑内承压水水头降低到地面下18m即可开始隔水层封孔。隔水层封孔达到强度期间,坑内承压水水位尽量保持平稳,防止浆液流失。

当承压水水压平衡后,采取双液浆（水泥浆和水玻璃）对涌水孔到处⑧3层承压水隔水层穿孔区进行注浆加固,封堵出水点。加固范围为1号涌水通道和2号涌水通道周边5m范围,加固深度为进入⑧3层粉质黏土层2m，总下钻深度自基坑第五道混凝土支撑梁顶起算约32m，每个涌水孔处计划布置5个注浆孔。

图10 用于钻孔注浆搭设的作业平台

①注浆压力

注浆压力是保证注浆质量的重要因素。如果压力过小，浆液流不到预计范围内，扩散范围小易形成空白区；如果压力过大，则会损坏现有土体结构，致使浆流沿土体薄弱部位逸散，达不到注浆的目的，本次注浆压力控制在0.5～0.8MPa。

②浆液配合比

水泥采用P.0 42.5袋装普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比为1:1（质量比）。水泥浆与水玻璃体积比为1:0.6。

③本次注浆封孔加固深度为进入粉质黏土层2m，总下钻深度自钻孔平台起算约32m，注浆加固深度约16m。

④输浆速度：输送浆液的管道流速宜为1.4m/s至2.0m/s。

⑤浆液胶凝时间：浆液的胶凝时间宜为30s～50s。

4 基坑承压水注浆对周边环境影响

4.1 监测布点方案

出现基坑突涌后，项目部及时加密施工监测，每3小时监测一次。监测项目主要有墙体测斜、墙顶位移、坑外水位、地表沉降、立柱沉降、混凝土支撑轴力、钢支撑轴力等。此部分可以列表展示，测试内容，数量，方法等与图对应。

降承压水方案实施前，在既有高铁车站站前广场地面、车站立柱、车站附近桥墩上布设了监测点，观测降承压水对既有车站造成的影响。

1#基坑单井降水试验参数表表1

1#基坑单井降水试验参数表表2

如图11所示，在平行于基坑长边靠近既有高铁站一侧每50m布置一个地表沉降监测断面，监测点号用J表示，高铁桥墩用墩身上标示的墩号标示，高铁站房用ZF标示，降承压水后同时对基坑外原有及加密监测点、坑外地下水水位、沉降监测断面、桥墩、站房同时进行监测，保证所有变形能够通过数据反映出来。

图11 监测点位平面布置图

4.2 基坑外地表及既有高铁站监测结果

本次突涌事件自1月4日开始抽承压水、坑内水，至1月26日整个1#基坑底板浇筑结束，监测数据统计分析如图12。

图12 监测数据累计变化曲线图

从监测数据看，距离1#基坑55m监测断面J4点位沉降变形最大，为4.86mm；距离1#基坑105m监测断面J11点位沉降变形最大，为2.57mm；高铁站房沉降变形最大点位为ZF1，为1.63mm；高铁墩柱沉降变形最大点位为326号墩，为1.50mm。地表累计沉降、高铁站房累计沉降、高铁桥墩累计沉降均在运营管理单位所要求的控制标准之内（3mm）。