古河道内切砂层造成深大基坑管涌突涌的成因分析与抢修方法研究

张 弛

(上海建工二建集团，上海 200080)

0 引 言

开发地下空间是缓减日益紧张的城市地上空间和交通拥挤问题的重要方法[1]。同样，在城市更新的项目里，开发地下空间也不失为解决各种矛盾的一种最佳方案。开发地下空间首先是大型基坑的开挖，而基坑工程始终面临着强大的土水压力，在临水区域还时刻受到高水头承压水层的威胁。开挖基坑时需要保证安全、主体地下结构稳定，以及周围环境不受损害。施工内容包含支护结构、防渗帷幕、降水、土方开挖与回填[2]。开挖基坑时，易产生流砂、流水、坑底隆起、边坡失稳及坑壁坍塌等险情[3]。

地下水直接作用于土体，也会改变土体性质。以基坑底出现的险情为例：当坑底为不透水层时，突涌常常表现为坑底被顶破，出现网状或树枝状裂缝；地下水从裂缝中涌出，并带出下部泥沙颗粒；当坑底为弱透水层时，在水压力和渗透力的作用下，土结构被破坏，产生流砂、流水和喷水冒砂等现象[4]。

随着深大地下工程的增多，止水围护结构多采用地下连续墙[5,6]或止水帷幕[7-11]。施工地下连续墙时，会出现以下不良状况：首先，地墙起吊时安全性差；其次，地墙的接头处难以处理、注浆质量不易保证，且地墙垂直度不好控制等。这些情况下，地下连续墙易出现空隙，从而影响隔水效果[12]。而止水帷幕施工时，也会由于旋喷水泥浆体未能及时凝固，以致被水冲散，或是因为垂直度和咬合度不够，无法起到良好的止水作用[13]。当坑内挖土时，内外土水压力失衡，坑外压力过大，冲破桩间并不完全密实的接缝，从而出现基坑大面积涌砂和渗漏现象[14,15]。

基坑管涌突涌的抢修措施应根据涌水部位的水量大小选取。针对基坑管涌突涌的成因，采取综合处治的方法。一般，水量较小时，采用双液注浆；水量较大时，采用回填土结合双液注浆。回填土以能够压住涌水水头为止，必要时加固坑底。险情缓减时，水量减小，水质变清[16]；基坑的重要部位，如墙体、压墙梁或者基坑底的变形减小。

1 工程地质概况

1.1 地质状况

基坑工程优先考虑承压水层的影响。承压水的形成与地质构造密切相关。上下有隔水层，中间是透水层，且水充满整个透水层。在合适的地质构造中，无论是松散的沉积物，还是基岩，都会形成承压水。

该次险情中，古河道内切过来的砂层完全符合承压水层的特点。其可能的成因是5②层中某古河流改道切削而来，在原有土层中插入超厚的砂层。砂土层厚达到5～6 m，常出现在河流的切削或转弯处。

1.2 基坑状况

该次出现险情的为长方形大型逆作主基坑。周围设置了MJS止水帷幕与双层排桩。在混凝土支撑与侧壁梁完成后开始施工基坑大底板时，险情出现。

2 险情成因分析

2.1 古河道内切成因

2.1.1 拜耳定律

德国有机化学家阿道夫·冯·拜耳曾研究了运动位移较大的物体将不可避免地受到地球自转的影响：北半球物体受到地球自转引起的偏向力影响，会向右旋转；南半球则向左旋转。因此，国内的河流在长年累月的偏心力作用下，流水会侵蚀河道右边的下沿，河底的泥沙因而重新分配，如图1所示。

2.1.2 茶叶悖论

爱因斯坦用茶叶悖论解释过拜耳定律：人们搅拌茶杯时，杯底对茶叶产生的摩擦力大于旋转离心力，茶叶会沉在杯底。将河流看成茶杯，泥沙看成茶叶。受到压力梯度的作用，搅拌茶叶时，茶叶并非按照常理沿着茶杯旋转，而是沉在底部。这是因为底部对物体的摩擦力，大于旋转离心力。茶叶限于重力，无法上升。

图1 拜耳定律示意图

一侧被侵蚀后，河道底部泥沙会重新分配，大量的泥沙会沉底并嵌入原有的土层中，而这一嵌入的厚砂层会在地下水充足时形成承压水层，带来基坑施工时的管涌突涌风险。

2.2 砂、土物理指标对比

由于河道底部的砂石较多，且一般颗粒较大，杂质情况复杂。目前仅从中砂、粉细砂和各类土层的物理指标进行对比，来分析内切砂层的影响，见表1。

表1 砂层与土层的物理力学指标对比表[17]

表1中，土和砂的密度相差不大。砂的天然含水率低一些，黏聚力很差，流动性很强。很容易被水裹挟，且渗透系数很大。换言之，一旦砂层进水，不仅重量会增加，还会产生流沙现象[18]。原有的空隙会被水填满，对基坑或井侧壁的压力骤增。降水井和观测井等一旦打到砂层也极易造成渗水。

2.3 “U”形管作用

河道内切现象，会使原来的地质状况变得更加复杂，打破和搅乱原有土层层次分明的布局。此外，古河道底部的沉积物种类多，常含有尺寸不一的砂石。在暴雨天气，随着基坑的开挖，暴露的古河道底部成为一个聚水或吸水的积水区。内切砂层本身重量大，吸水之后重量增加，流动性加强。若部分内切砂层厚度达到了坑底，由于“U”形管的贯穿作用，砂层还会向基坑底流动。此时，砂层对基坑侧壁和基坑底的压力都在增加，给基坑的整体性防水施工提出更高要求。

2.4 流沙现象

从表1可见，砂层中的细砂与中砂的密度与上部土层的密度非常接近。但砂和土的黏聚力相差甚远。在暴雨等极端天气下，地下水充足时，砂层很容易吸收大量水分。砂土层在被水充分浸泡后，其中亲水土壤颗粒更加容易冲散和吸水膨胀，从而产生流动和悬浮的状态，加之砂层极佳的透水性和极差的黏聚力，非常容易在侧向土体压力的作用下开始流动。此时，如果在附近有新建建筑或有开挖基坑，这类突如其来的破坏土体平衡的因素，会带来很大的侧向土体压力。

因此，在进行与河道相邻的深大基坑施工时，应主动避免使用传统的降水措施。不建议使用降水井，因为渗漏区域很容易通过降水井使得涌水的通道变宽，从而造成更大量的管涌和突涌，甚至是局部的塌方；而应采用隔水措施，主要是打各种止水帷幕。

3 险情及工程应对

3.1 基坑管涌突涌

此次险情中，坑底出现积水，不明孔洞突发坑底涌水；坑壁梁出现变形；基坑围护边角处出现管涌；水质浑浊，流速快。当时正值雨季，如不及时抢险，将带来严重的安全隐患。

3.2 险情应对

首先，在坑底垒起坝体。用砂土袋和土包压住坑底可能的更大变形。管涌突涌区域采用双液注浆，并增设降水井；坑外对应区域增打双排灌注桩止水帷幕，稳定基坑变形；设置引水管，即带阀门的软管或钢管，水流变小后关闭。回填土5 m后，涌砂停止，水质变清，水流变小。完成双排止水帷幕后，开挖若干减压井来抽水。井水高度从-7 m降到了-9 m，并持续抽水，直到-22 m(开挖面下1 m)。最终，险情解除。

4 抢修办法综述

不同于微层压水，内切砂层引起的险情，往往伴随着基坑侧壁与地梁变形，这是很严重的安全隐患。因而，抢险方式也有别于普通险情，需要采用快速综合的方法。除了继续监测管涌突涌情况、侧壁和地梁变形及支撑受力与变形情况外，还应回填并设置滤管，并加强坑外止水。根据险情和现场条件灵活应对，就地取材，及时响应，全程跟踪监测。

4.1 地下连续墙

地下连续墙作为围护结构，因常采用锁扣管，也具有止水功能。其常常与支护灌注桩、MJS搅拌桩及SMC等厚度水泥搅拌墙等结构协同工作，共同“守”在基坑周边。

4.2 止水帷幕

打桩和顶推管幕等施工时会产生振动，使得止水(隔水/防水)帷幕出现分叉或不封闭。此时流砂会给基坑内壁造成额外压力，并伴有涌砂涌水现象。

除了地墙，止水帷幕的做法更多样。常见有单排、双排，甚至多排；两种或多种桩型的组合，咬合止水。按施工工艺分，有高压旋喷桩、SMW工法桩、水泥搅拌桩、钻孔灌注桩止水、PHC管桩、MJS水泥搅拌桩、TRD和SMC(双轮铣)水泥土搅拌墙等。

4.3 双液压力注浆(涌水区域)

双液注浆是指用工地上存有的水泥浆与水玻璃Na2SiO3，在涌水点四周堵水。根据涌水孔洞的走向，在涌水孔附近注双液浆加固。加固深度一般从涌水点下方到开挖面，且需要在相对较大的平面区域内(大几十平方米)都注浆加固。双液注浆主要起减缓流量的作用，并做到控砂控水，砂水比应至少大于1∶0.5。可采用引导管(带阀门的软管或钢管)，在水流变小后，关闭开关即可。流出的水用容器盛放。

4.4 导流管

在采用其他方式封堵时，可同时采用引导管/导流管(带阀门的钢管或软管)。以导流钢管为例，首先安装导流钢管，再在导流钢管内洗孔，随即在钢管内回填砂石并降水。此时，可采取施工高压旋喷桩等方式来加固坑底。

若险情缓减且水流减小，则开始抢做基坑大底板。绑扎钢筋并浇筑混凝土底板与承台。并且，在导流管内双液注浆，封堵钢管中的混凝土，并割去多余的钢管。当管内水流变小时，关闭开关即可。流出的水用容器盛放。

若险情并未缓减且水流并不见小时，则需要回填一定厚度的泥土或沙袋。直至导流管内双液压力注浆后流出的水变清，水流变小。若坑壁和梁上发生较大变形，则可采用工地上常用的砂土包或土体堆砌坝体的坑壁加固方式来紧急处置。

4.5 围堰法与套箱法

管涌区域外围筑黏土围堰，支设木桩与木支撑形成挡墙。围堰内设置防水纱布或水工布，形成滤层，流出清水。若仍有险情，可继续深挖，填碎石或放置套箱。在套箱内填砂砾，挂滤布，滤出清水，再用泵抽水。

4.6 坑底加固

为防止坑底管涌突涌引发更大变形，需要视险情用旋喷桩加固坑底，封住可能的承压水空洞。材料选用速凝水玻璃、水泥，和水。引孔机打孔，并做直径1 m左右的高压旋喷桩来阻水。桩长宜穿过透水区域，插入土层以获得较大的摩擦力。打桩可间隔0.5 m左右，强度在0.8～1 MPa。先回填压实的情况下，桩长要增加；场地条件允许的情况下，也可以先打桩再回填压实。待坑外降水、隔水帷幕完成，再重新开挖，并最终完成底板垫层和防水。

4.7 降水井

观察降水井能很好地了解管涌突涌情况。坑外降水井内抽水，或增打降水井都能在一定程度上缓解坑内的风险。在管涌突涌区域附近的降水井，易被承压水和潜水击穿，形成管涌通道，挟砂土上涌。通过在坑外一系列降水井的分设，能很好地监控基坑变形，掌握可能的涌砂涌水风险。在抢险时，亦能从中抽水或灌水来维持基坑的安全。

5 结束语

基坑施工前，应首先熟悉水文地质情况，再根据可能的基坑险情，提前预研险情成因，做到基坑施工过程全监控。早发现早预警，把隐患消除在未萌。提前编制详细的应急预案，现场常备抢险物资，确保快速响应险情。上报迅速，多管齐下，如双液注浆、基坑回填、坑底加固、降水井抽水、隔水帷幕加固、重力坝、套筒反滤、引排和封堵等。