高承压水深基坑突涌事故快速处置实践

2023-08-14李小平

城市建设理论研究（电子版） 2023年22期

李小平

中铁四局二公司江苏苏州 215131

近年来随着城市地下空间开发进程加快，地下基坑的面积和埋深越来越大，在富水软土地区的深基坑工程施工中，随着基坑开挖深度越来越深，承压水带来的风险也越来越大，基坑突涌是一种常见的且破坏极大的事故[1-2]。为此，从根本上提高深基坑施工过程中对承压水危害的认识和技术管理水平，不断完善设计和施工工艺工法，提前防控，才能最大限度的减少安全事故和经济损失。

本文基于事故快速处置实践，提出缩短治理工期及降低施工成本的高承压水突涌治理技术[1]，并且从优化设计、施工调查、应急管理、降承压水、突发事件的应急等方面提出了深基坑承压水危害防控建议。

1 工程概况

1.1 项目简介

某城际铁路工程车站为地下三层站，主体基坑建筑面积约为30375㎡，西侧1#基坑为预留始发井，最大开挖深度30m，采用明挖法施工。主体基坑施工受桥梁拆复建、河道改移及邻近的地铁运营线保护影响，基坑纵向设计三道中间分隔墙，分为4个小基坑组织施工。

1.2 施工环境

车站主体基坑东侧临近已运营的地铁线，距离地铁车站最近31m，距离地铁隧道区间最近43.5m；北侧大里程临近已建成的地下停车场，距离2.5m；北侧小里程为人工湖；南侧为已运营高铁，距离站房约140m。

1.3 水文地质

图1 典型地质剖面图

基坑开挖范围内地层以透水性较强的粘质粉土、粉砂土为主，基底位于（5）4粉砂土中，地下孔隙承压水主要赋存于约地面55m以下的⑨3粉砂、⑨4圆砾（砾砂）层中。根据勘察报告，（5）4粉砂土与⑨3粉砂土之间的⑦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，承压水位地面以下6m[3]。

1.4 设计概况

基坑采用1.0m厚地下连续墙+7道内支撑(端头井8道）的围护方案。地连墙深52-56m不等，墻趾位于8（3）粉质黏土层（不透水层底部），地连墙插入比约1:0.92，未隔断下部承压水（如隔断承压水，需增加投资约5000万）。基抗突涌系数为1.06～1.13，设计方案在西侧1#基坑外设置了8口减压降水井，待基坑开挖至距坑底2m时启动坑外减压降水。

1.5 基坑开挖面突涌概况

车站1#基坑开挖至22.5m时（距设计坑底约4.5m，准备架设第六层钢支撑），开挖面突发涌水，水流浑浊并伴有粉细砂颗粒，涌水孔径约10cm，现场采取棉絮堵孔和砂袋反压应急处理，但涌水量未见明显减小。当晚18:50左右，距第1处涌水孔西侧约22m处出现第2处涌水孔道，孔径约20cm，明显有圆砾石伴随涌出，现场就近利用挖机插入降水井钢管，但涌水量越来越大，且涌水后15分钟，水头已上升约1.5m高，超过插入的井管，随后采用了棉絮塞堵、集中砂袋反压，但基本无效果，且涌水量未见减小。

图2 基坑突涌部位开挖断面示意图

1.6 应急处置情况

基坑突涌后，项目根据现场实际情况采取应急处置措施。一是为防止承压水顶托力的作用加剧对地层的破坏，从而影响围护结构安全，立即采取泵送砼对涌水点进行反压；二是为平衡基坑内外压力，就近河道抽水回灌基坑，确保支护体系的稳定；三是增加基坑监测频次并密切关注监控量测结果。

通过混凝土反压、回灌水及水位监测，最终基坑内水位稳定在第五层砼支撑处（水位上涨约7m），基坑各项监测数据稳定，初步判定基坑涌水已停止，应急处置得当。

1.7 承压水突涌原因分析

在现行的基坑规范或手册里，都采用压力平衡法计算基坑坑底抗渗流稳定性[4]。经典压力平衡法假定坑底承压水水头只要能克服坑底不透水层自重压力，即可发生突涌，基坑突涌稳定性应符合[1]：

式中：Kh为突涌稳定安全系数，Kh≥1.1；D为坑底隔水层厚度；γ为隔水层土的天然重度；hw为承压水水头高度；γw为水的重度。

根据第2处涌水孔道伴有砂砾石的现象，结合地勘资料，可以判断涌水来源于地面以下62m处9（4）圆砾土层中的承压水。根据基坑突涌时开挖深度，结合地层资料，计算开挖面突涌稳定安全系数为1.26，满足Kh≥1.1要求，理论上不应该出现突涌。根据专家会审意见，一是疑似承压水层上部的相对隔水层分布不连续，存在局部薄弱点被主动击穿；二是承压水位高于地表（开挖面）时，可以沿天然或人工开凿的通道溢出地表，也是常被称作为自流水的原因。

2 深基坑承压水突涌快速处置

深基坑承压水突涌直接影响工程的安全与进度，同时由于基坑周边重要建筑物较多，邻近运营高铁站、地铁站，人流量大，且临近湖泊，若不快速处置，有可能引起次生灾害。

通过分析基坑承压水突涌的原因，结合当地类似案例的处理及各方专家组处置方案研讨意见，本次深基坑承压水危害的快速处置总体分为七步：

第一步：封堵涌水孔，在涌水孔相对隔水层内注浆封孔；

第二步：降承压水，降深至地面以下22.5m（验证封堵效果或是否有其它涌水孔）；

第三步：坑内明水抽排；

第四步：增加疏干井，坑内土层疏干；

第五步：土方开挖并做好应急措施；

第六步：开挖见底后，承压水抗突涌和封孔情况验证，为后续基坑优化提供参考；

第七步：施做主体结构底板。

2.1 涌水孔注浆封堵

当水位平衡后,采取双液浆对涌水孔道处（8）-3承压水隔水层穿孔区进行注浆加固，封堵出水点。封堵注浆深度为进入（8）-3粉质黏土层2m，总下钻深度自基坑第五道支撑梁顶起算约32m，每个涌水孔处计划布置5个注浆孔。本次封孔注浆作业要求仅在7层土和8层土中注浆。

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。封孔注浆24小时后，逐步抽排基坑明水，观察并分析水位变化情况。

图3 封孔注浆方案设计

2.2 降承压水设计

降水井布置：根据软件模拟计算，在涌水基坑外设置20口减压井，深度60m，插入承压水层。降水前沿基坑纵向及南侧既有高铁站附近共布置4口观测井。

降水试验目的：

（1）本次降水试验主要针对下部（9）3-1细砂及（9）4圆砾承压含水层。

（2）验证群井降深能力是否满足要求。

（3）根据群井试验提出合理的单井出水量建议值。

（4）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。

（5）通过现场抽水试验实测数据，复核场区水文地质参数，并结合相关工程经验进行分析计算降水影响范围、降水影响沉降等值线，为后续三个基坑施工提供参考依据，以保证基坑工程施工与周边环境的安全。

正式降水要求：

（1）施工期间根据承压水的水位、设计降深等因素综合考虑降水，在满足设计降深的前提下，尽量少抽水，按照备用井原则布井，做到按需降水原则。降水维持过程中，根据基坑开挖及底板施工进度，合理调整抽水井开启数量：可采用局部施工地段集中开启部分降水井，而适当关闭其它区域部分降水井，作为观测井，具体开启数量以现场实测水位降深加以控制调整。

（2）基坑开挖到底后，调整降水井的开启，使得承压水水位维持在坑底以下lm，尽快浇筑垫层和底板。

（3）底板达到强度后，如果证明封孔良好且无其它穿孔区，可以逐步关停降水井。

（4）如果封孔质量不能保证或者存在其它穿孔区，承压水水位维持在坑底以下1m需一直持续到结构回筑且覆土回填完成整个过程中，以防止结构抗浮失稳和承压水倒灌。

2.3 承压水处置效果

（1）本次减压降水开在启涌水基坑北侧2口、西侧1口及南侧1口降水井后，即可将承压水位降至28m，满足施工要求。

（2）基坑降承压水期间为保证运营高铁车站及线路的安全，必须确保高铁线路沿线承压水位稳定，通过优化降水设计，在高铁周边布设2口回灌井（最终未启用）和2口观测井，形成软帷幕。

（3）降水期间除基坑本身的监测外，应加强高铁桥墩、站房立柱监测。在整个承压水危害处置期间，高铁桥墩及站房结构日变量均未超出报警值，高铁桥墩累计最大沉降量1.5mm，未超报警值，桥墩沉降及站房立柱沉降控制在允许范围内。

（4）现场按照经专家评审的专项方案组织施工，在1#基坑开挖见底的同时进行承压水抗突涌和封孔情况验证。根据基底验收期间的承压水水位观测结果，封孔注浆效果良好，本次1#基坑突涌应是承压水层击穿局部薄弱隔水层造成。

（5）由于地勘孔间距较大，(8) 3粉质黏土隔水层局部起伏较大，有可能在局部出现隔水层薄弱的情况。鉴于1#基坑承压水突涌事件，为了提高安全性，设计单位对后续2#、3#、4#基坑进行了优化设计，在2#、3#基坑外侧布置12口减压井。一方面可以在开挖过程中，适当降低承压水头，提高基坑安全性，另一方面可以在基坑出现险情时及时降水，保证基坑安全。

（6）完成涌水孔封堵、降水、疏干等工作后，自2019年1月5日开始正式土方开挖，各工序节点能按照既定目标完成。从基坑承压水突涌险情发生以来，历时42天，截至2019年1月27日，车站1#基坑底板全部完成，承压水安全隐患顺利消除。

（7）此次深基坑承压水危害处置过程中，为快速施工底板结构梁钢筋，从而缩短底板施工周期，研发了结构梁钢筋模块化预制胎架，总结了“深基坑结构梁钢筋模块化快速施工技术”，获2020年安徽省QC成果一等奖；2020年江苏省工法；获授权发明专利1项，实用新型专利1项。

（8）深基坑承压水突涌事故处置完成后，建设单位组织各参建单位及行业内专家召开专题总结会，各方一致认为本次基坑承压水突涌事故，现场应急处治措施合理得当、及时有效，消除了隐患，并对后续基坑施工提出建议。