高水头软弱富水地层悬挂式基坑水平封底缺陷

赵亚军 苏东黎 刘 伟 高云飞 赵保森

中建一局集团第五建筑有限公司 北京 100024

1 研究背景

福州市某建筑群高承压富水砂层深基坑施工过程中，因基底含水层厚度大（达49～52 m），若采用落底式的地下连续墙造价将超出概算指标。在这种情况下，为了解决降水对基坑外建（构）筑物沉降的影响，采用悬挂式基坑与水平封底方法形成一个封闭的空间，达到隔断地下水的目的。在工期紧、封底水泥桩量大、人为重复作业的情况下，旋喷桩施工出现差错的概率增大，所以针对水平封底出现缺陷后，预防和解决基底突涌是施工面临的一个重要课题。

目前，国内学者研究成果主要针对富水地层深层超高压旋喷桩成桩效果[1]和悬挂式基坑水平封底隔渗帷幕设计和实践的研究[2]，但是对于基坑水平封底出现缺陷预防和解决方案的研究几乎没有[3-9]。

本文以紧邻居民楼富水软弱地层的深基坑为研究对象，分析介绍水平封底缺陷出现后，针对基底突涌的预防和解决方案。

2 工程概况

本工程位于福州市，某地铁车站基坑面积4 882.76 m2，基坑深19 m，采用悬挂式止水帷幕，竖向地下连续墙＋深层三重管超高压旋喷桩水平封底，封底形式为满堂加固（图1）。

图1 车站水平封底平面示意

三重管超高压旋喷桩钻深35～40 m，厚度4 m，加固地层为粉细砂层，设计桩径1 100 mm，桩中心距750 mm，桩间搭接350 mm（图2），共计10 258根桩，采用8台XP-30高压旋喷桩机施工。

图2 超高压三重管旋喷桩大样

基坑距离光明港河350 m，旋喷钻孔深度内土层主要为①1杂填土、②4-1淤泥、②4-6含泥中细砂、③1粉质黏土、③2粉细砂层，水平封底位于粉细砂层，各土层的物理力学性质如表1所示。

表1 土层物理力学指标

基底以下为强透水砂层，渗透系数25 m/d，并与光明港河水利联系紧密，承压水水位埋深在地表以下3 m，设计在基底以下18 m的标高整体设置1道厚4 m的超高压旋喷桩水平封底，起到阻隔地下水和抵抗承压水头的作用。

3 基坑降水技术

3.1 降水井布置

基坑施工水平封底后与地下连续墙一同形成一个封闭的空间，降水井设计分为深层疏干井和浅层疏干井2种，深层疏干井降低封底顶面粉细砂层中的水，浅层疏干井降低基底以下含泥中细砂层的水。

浅层疏干井按基坑面积除以单井有效降水面积280 m2布置共计18口，深层降水井按渗水流量计算共计8口，降水井间距按基坑长度梅花形均匀布置。

理论基坑涌水量为基坑内土体内的存水和墙间或封底渗流水，配置12 m3/h水泵。

3.2 基坑水平封底封闭效果检测

基坑水平封底检测分为桩身强度、桩身均匀性及水平封底隔渗效果检测，对于施工的三重管旋喷桩，水泥掺量为35%，水灰比1∶1，水泥土现场取芯强度1.72～1.97 MPa，实测桩身渗透系数≤8.2×10－8cm/s。

水平封底隔渗效果检测采用基坑降水试验和恢复试验验证。车站基坑分为南北两仓进行降水试验，先施工南仓基坑，对南仓的深层疏干井Y6、Y7、Y8进行抽水，抽水时长23 h，设置坑外深层观测井GC2-3、坑外浅层观测井GQ7、GQ8，坑内观察井YG3、YG4，抽水最大流量为Y8井2.8 m3，动水位位于基底以下4.6 m。在进行抽水恢复试验时，Y8深层疏干井在停抽10 min水位恢复6.53 m，为深层疏干井静水位的45%，1 h恢复至稳定水位。

第2次试验停抽10 min水位恢复7.53 m，至深层疏干井静水位的63%，恢复速度快于第1次。由此判断基坑南端头位置极可能存在止水帷幕缺陷，使水源补给迅速。

4 基坑开挖阶段出现的问题

4.1 基坑深层疏干井水位位于基底以上

基坑开挖时出现南仓端头Y8深层疏干井的水位位于基底以上，深层疏干井抽水不能将端头区域地下水降到基底以下，判断是墙间接缝渗漏或基底渗漏的少量地下水，且基底以下为②4-6含泥中细砂层和③1粉质黏土层，具有承压水性质，所以考虑地下水位未超过承压水安全水位标高（底板以上3.4 m），基坑是安全可控的。

在有水平封底的基坑，为防止基底突涌，应不考虑承压水的安全水位，而是将地下水降至基底以下的预防方案：在坑内打设深层疏干井将水位降至基底以下，设计降水井涌水量时，不考虑水平封底隔渗的阻挡作用，按大井简化均质含水层承压水非完整井计算基坑总涌水量，布置降水井，滤管全长伸至封底的顶面，并在原降水井抽水量大的区段布井；在坑内降水无法将地下水水位降至基底以下时，在基坑外打设降压井，打井完成后进行降水试验，验证降水效果。

在开挖至基底前，开启坑外降压井，同坑内疏干井一同将地下水降至基底以下。

4.2 坑内深层疏干井井壁渗流水

在基坑开挖阶段，常出现Y8深层疏干井从井壁周边冒水的问题，开启潜水泵后就能控制冒水，所以没有引起重视，在开挖基底土方时，承压水从水平封底缺陷部位向上沿井壁爬升涌出。

降水井壁周边冒水的预防办法：采用水泥-水玻璃双液浆封堵基底以下3 m井壁与土体间的孔隙；坑道注浆机钻头距离降水井边200 mm，在渗漏水的点位下钻杆至基底以下3 m，开始注浆提升，按配比1∶1∶0.5（水泥∶水∶水玻璃）封闭土体和管井间的松散层。

5 水平封底失效的基底突涌处理方法

5.1 基底管涌的情况

在南端头基坑开挖至基底正清理土方时，从Y8深层疏干井与土体的间隙出现涌水，立即组织人员码砌砂袋、棉被反压滤砂，在车站端头与标准段收缩位置堆砌围堰，在围堰内放2台100 m3的大泵明排抽水。

5.2 基底涌水的来源分析

Y8深层疏干井深度至封底顶面，滤管穿过②4-6含泥中细砂层及③1粉质黏土层，进入③2粉细砂层，通过分析水平封底与地下连续墙之间的关系，项目可能存在2种涌水的原因：

1）端头地下连续墙在潜水②4-6含泥中细砂层存在墙间接缝开叉，地下水从接缝渗流，随基坑开挖至基底，坑内外水位差16 m，水头压力达到160 kPa，从薄弱的井壁与土体间涌出。

2）端头水平封底加固存在缺陷，随基坑开挖至基底土重度达到最小值，水头压力达到最大，承压水通过水平封底缺陷处渗流沿井壁爬升，最终形成突涌通道。

为了判断基坑基底涌水的原因，本项目具体采取了如下措施：

1）在靠近涌水点的地下连续墙接缝位置，采用注浆机钻孔至②4-6含泥中细砂层底面，然后注入染料同时提升，观察坑内浅层疏干井内抽水是否变颜色。

2）对车站端头的地下连续墙接缝从墙底至基底高度注双液浆止水加固，注浆前在距离地下连续墙边200～400 mm钻孔，钻孔按三角形布置，注浆采用少量多次的原则，至注浆压力上升停止。

3）车站端头地下连续墙接缝注浆全部完成后，坑内Y8深层疏干井内水位没有明显变化，判断水源由水平封底下③2粉细砂层中涌出。

5.3 基底涌水的处理方法

判断涌水来源后，需确定基底的实际涌水量，确定降水井数量。

首先，实测基底突涌位置的涌水量，以突涌点的涌水不向外冒出为标准，按Y8井内放置潜水泵50 m3/h和明排水泵100 m3/h，得到的最大出水量为100～130 m3/h；然后，设计降水井，理论按单井流量40 m3/h计算，在坑内涌水点周围打设4口疏干井，计划坑内总流量160 m3/h，降水井滤管全长伸至水平封底顶面，但实际基底以下②4-6含泥中细砂层被旋喷桩固化，使地层水系不连通，出现单个井抽水量达到50 m3/h，其他井抽水量在10 m3/h左右，对涌水点减压效果不明显。

因此，在坑外车站端头增设5口降压井，单井设计流量60～80 m3/h，坑外总流量400 m3/h，降压井滤管伸至整个③2粉细砂层，至地下连续墙底以下3 m，将③2粉细砂层的承压水降至含水层底面。

坑外降压井总涌水量按均质含水层承压完整井计算为9 291.96 m3/d，施工坑外5口降压井，计划总抽水量9 600 m3/d，符合实际工况，满足降水要求。

地下水降至基底以下后，挖机超挖出基底以下800 mm，浇筑厚800 mm混凝土垫层，最后施工端头底板和中板结构后，才能停止坑内外的抽水。

5.4 基坑周边后期沉降的控制

坑外降压井抽水后，基坑外浅层观测井水位下降，对基坑周边产生了持续沉降，所以对车站基坑两侧浅层观测井进行地下水回灌，补充潜水层水位。

同时，对道路周边进行物探，采用高密度电法，辅助地质雷达和实体钻芯取样的方案，在地下脱空物探报告显示的松散区域，使用注浆机钻孔探查，对脱空区域进行注浆填充。

6 结语

1）对于水平封底存在缺陷，最大的可能是旋喷桩标高错位或旋喷桩漏施工。基坑满堂旋喷桩水平封底加固，在工期紧、重复作业情况下，操作人员出现差错，导致上述问题的发生，所以在施工期间应安排专人负责分区每台机械加固位置的确定，并每天要求作业人员在下钻至标高后开始旋喷前与管理人员进行确认，最大限度减少出现差错的概率。

2）悬挂式基坑围护结构为地下连续墙并设有水平封底时，理论上可利用基底下加固土体的重度平衡封底面承压水压力，基坑内降水井起到疏干封底顶面地下水的目的。

3）对于设置水平封底的基坑，在开挖前必须进行降水试验，检验水平封底的隔渗质量，如出现降水恢复速度快或降水井水位在基底以上时，应提前在缺陷区域打设深层疏干井，再进行降水试验。如有必要时，在坑外打设降压井，将井内水位降到基底以下，才可进行开挖施工。

4）在基坑开挖期间出现降水井侧壁冒水时，应立即对管井基底以下地层进行注浆封堵，阻止地下水沿薄弱井壁渗流形成突涌。

5）经过了解，大部分水平封底突涌是因为从封底顶面深层疏干井井壁间的涌水，可尝试考虑取消深层疏干井，只保留浅层疏干井，但需进一步实践证明其在高承压富水砂层中的可靠性。