富水軟土地區(qū)深基坑突遇滲流的分析與處置

□文/李 樂 崔愛珍 張一鳴 王 海 亓立剛

地下工程施工過程中超深基坑的安全一直是各方關(guān)注的重點，而超深基坑所面臨的潛在危險源除了建筑行業(yè)所共識的項目之外還有其所特有的，特別是地質(zhì)條件變化所引起的潛在風險[1～2]。在深基坑土方開挖過程中可以預(yù)見的風險有基坑圍護結(jié)構(gòu)的過大變形、圍護結(jié)構(gòu)滲漏、坑底突涌、基坑整體上浮等[3]。在天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程的深基坑最后一步土方開挖過程中遇見了不明滲流，同時基坑有明水出現(xiàn)，為保證超深基坑施工的絕對安全，及時啟動了應(yīng)急預(yù)案，通過采取一系列的應(yīng)急措施找出了原因并化解了險情，為富水軟土地區(qū)深基坑突遇富水的處置積累了寶貴經(jīng)驗。

1 工程概況

1.1 深基坑設(shè)計概況

天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程基坑深約24 m，屬超深基坑工程，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻形式，墻深50 m，厚有1 000、1 200mm兩種，整個基坑長726 m、標準段寬82 m，包括地下1層和局部2層結(jié)構(gòu)。基坑采用蓋挖逆作施工工藝，先施工基坑圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻及墻體接縫處的高壓旋噴樁，然后施工中間工程樁及鋼管柱，施作頂板及中板后從頂板預(yù)留出土口處分別開挖-1層及-2層土方，其中在-2層中間部位澆筑基坑腰梁及混凝土橫向支撐，最后在橫撐混凝土強度達到設(shè)計要求后開挖剩余部分土方、施工結(jié)構(gòu)底板及側(cè)墻。圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻采用C45P10自防水混凝土材料。

1.2 地質(zhì)條件

深基坑與原西減河道垂直相交，施工場地屬海積～沖積濱海平原地貌。地基土在110 m深度范圍內(nèi)均為第四紀松散沉積物，主要由飽和粘性土、粉土、砂土組成，一般具有成層分布的特點。自上而下為第四系全新統(tǒng)人工填土層（人工堆積）、第Ⅰ陸相層（第四系全新統(tǒng)上組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅰ海相層（第四系全新統(tǒng)中組淺海相沉積）、第Ⅱ陸相層（第四系全新統(tǒng)下組沼澤相沉積及河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ陸相層（第四系上更新統(tǒng)五組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅱ海相層（第四系上更新統(tǒng)四組濱海～潮汐帶相沉積）、第Ⅳ陸相層（第四系上更新統(tǒng)三組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅲ海相層（第四系上更新統(tǒng)二組淺海～濱海相沉積）、第Ⅴ陸相層（第四系上更新統(tǒng)一組河床～河漫灘相沉積）、第Ⅳ海相層（第四系中更新統(tǒng)上組濱海三角洲相沉積）、第Ⅵ陸相層（第四系中更新統(tǒng)中組河床～河漫灘相沉積）。施工場區(qū)內(nèi)地基土分布具有以下特點：

1）淺部填土局部厚度較大，最厚處約5.3 m；

2）⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層分布不連續(xù)，厚度不均勻，最厚處達5.2 m；

3）土質(zhì)不均勻，特別是⑥4層，局部砂性大。

潛水含水層主要為全新統(tǒng)中組海相層⑥層及其以上土層。主要由⑥2和⑥4層粉質(zhì)粘土、⑥3和⑥5層粉土及④層粉質(zhì)粘土、表部人工填土組成，以全新統(tǒng)下組湖沼相沉積7層粉質(zhì)粘土和河床～河漫灘相沉積⑧1層為相對隔水底板；靜止水埋深一般0.50～4.90 m（標高-0.93～1.92 m）。潛水主要接受大氣降水、河流補給，以蒸發(fā)形式排泄，水位隨季節(jié)、氣候、潮汐有所變化。

承壓含水層自上而下可分為4個含水層：⑧2為第一層承壓水為第二層承壓水和為第三層承壓水為第四層承壓水。承壓水主要接受上層地下水的越流補給和側(cè)向徑流補給，以徑流及向下越流的方式排泄，承壓水一般呈周期性變化。現(xiàn)場抽水試驗表明，層與層微承壓含水層之間水力聯(lián)系密切；、層微承壓含水層均與⑨2層微承壓含水層具有較小水力聯(lián)系，與⑧2層水力聯(lián)系不明顯；⑨2層微承壓含水層與⑧2層具有較小水力聯(lián)系。

1.3 降水設(shè)計概況

整個深基坑采用半懸掛式的地下連續(xù)墻形成止水帷幕，完全隔斷了第一、二承壓水層。基坑在12～26軸之間-2層約6 500 m2的范圍內(nèi)布設(shè)疏干井19口，井深26 m；混合井10口，井深32 m；降壓井9口、井深47 m。所有降水井均使用鐵管，同時在基坑圍護結(jié)構(gòu)外地下連續(xù)墻接縫處鉆井，使用110mmPVC管布設(shè)13口深20 m的坑外水位觀測井，在坑內(nèi)降水的同時觀測坑外水位的變化。

2 突遇富水情況

對基坑混凝土橫撐以下最后一步約6 m的土方進行開挖，在由西向東開挖至17軸時發(fā)現(xiàn)基坑內(nèi)有明水出現(xiàn)并且形成微小滲流，隨著豎向開挖面的前進推移，微小滲流水量有逐步擴大趨勢，同時造成粉砂層局部垮塌現(xiàn)象。仔細觀察發(fā)現(xiàn)所有微小滲流均在水平開挖面以下2～3 m的粉砂層中出現(xiàn)，見圖1。

圖1 基坑滲流積水

3 原因預(yù)判

基坑采用蓋挖逆做施工工藝，在圍護結(jié)構(gòu)及中間樁柱施工完畢后、基坑開挖之前，先進行-1層的降水作業(yè)，通過坑外水位觀測井的監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)圍護結(jié)構(gòu)的止水效果良好，在-1層墻體范圍內(nèi)無滲漏出現(xiàn)。在中板施工完畢之后及時對降水井進行清淤洗井作業(yè)，保證在后續(xù)土方開挖過程中降水井能良好運行。-2層的土方開挖及降水作業(yè)分2步進行，第1步開挖至混凝土橫撐及腰梁處，第2步開挖至基坑底部，在第2步開挖之前基坑內(nèi)水位降至基坑底1 m以下并保持水位穩(wěn)定，降水水位達到深基坑開挖要求，因此最后一步土方開挖過程中富水的出現(xiàn)必然不是降水不到位的結(jié)果，再結(jié)合以往處置深基坑滲漏事故的經(jīng)驗，出現(xiàn)此現(xiàn)象可能有如下幾個原因。

1）地下連續(xù)墻圍護結(jié)構(gòu)出現(xiàn)滲漏。在-2層剩余土方開挖面以下部位的地下連續(xù)墻可能存在滲漏，基坑外地下水進入坑內(nèi)。

2）相鄰標段的地下水位高于本基坑開挖底面。因同一個基坑施工進度不一樣，各個標段范圍內(nèi)的降水水位要求不同，造成其他標段內(nèi)的高位地下水水平滲透，最終形成豎直開挖面處源源不斷的地下滲流。

3）抽水試驗井發(fā)生地下承壓水突涌。在開挖前期基坑進行了抽水試驗，共布設(shè)5口62 m深試驗井，這些試驗井可能遭到破壞導(dǎo)致深層地下承壓水突涌。

4）富水粉砂層內(nèi)少量承壓水未抽排完畢，造成開挖后剩余部分滲流。

4 處置措施

根據(jù)原因預(yù)判并結(jié)合以往深基坑突涌事故處置經(jīng)驗[4]，從“截”、“探”、“抽”、“查”、“排”5方面著手，對基坑內(nèi)不明滲流及積水進行處理，整個應(yīng)急處置方案，見圖2。

圖2 應(yīng)急處置流程

1）“截”。相鄰的西側(cè)標段基坑已經(jīng)開挖完畢，而東側(cè)的標段最后一步土方尚未開挖。因施工進度差異導(dǎo)致降水要求不同，經(jīng)過調(diào)查東側(cè)標段地下水位基本維持在22 m，比本標段范圍內(nèi)水位高3 m，因此必須采取截水措施隔斷標段間水力聯(lián)系。在與東側(cè)標段分界處布設(shè)一排間距6 m、深8 m的無砂管進行降水，水位維持在基坑以下1 m，從而切斷標段間水力聯(lián)系。

2）“探”、“抽”。開挖前，在整個基坑范圍內(nèi)進行了抽水試驗，在-2層范圍內(nèi)有5口深62 m的試驗井，因基坑降水設(shè)計并不包含試驗井，后期對所有降水井進行統(tǒng)一編號時也未包含其在內(nèi)，導(dǎo)致土方開挖時沒有引起高度重視，保護不到位可能造成試驗井破壞，從而導(dǎo)致承壓水突涌，因此必須對其進行探挖排除隱患。安排測量人員依據(jù)坐標確定5口抽水試驗井的位置，然后由人工探挖出試驗井，經(jīng)過現(xiàn)場勘查發(fā)現(xiàn)試驗井處并未發(fā)生突涌現(xiàn)象，因此排除突涌隱患。但為了下一步土方的安全開挖，5口試驗井協(xié)同其他降水井一起進行降水作業(yè)。

3）“查”。在切斷標段間地下滲流水源后繼續(xù)在標段范圍內(nèi)降水，然后檢查圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的止水效果，通過分析坑外水位觀測孔的水位變化趨勢來判斷地下連續(xù)墻是否存在滲漏情況。圖3是坑外觀測孔的水位變化趨勢。

圖3 坑外觀測孔水位變化趨勢

由圖3可以看出，自3月21日開始坑外大部分觀測孔水位突然下降，最大降幅達5 m，然后處于穩(wěn)定狀態(tài)，而坑內(nèi)所有降水井開始降水也即是此時，發(fā)生此種現(xiàn)象說明地下連續(xù)墻存在滲漏風險，另外，大規(guī)模的坑內(nèi)降水特別是深層試驗井的抽水使坑內(nèi)外形成巨大水位高差，坑外地下水從地下連續(xù)墻底部越過形成滲流場也可以出現(xiàn)此種現(xiàn)象[5～6]。為排查地下連續(xù)墻是否存在滲漏風險，在基坑降水的同時安排挖掘機沿著南北地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)挖掘溝槽，一旦有滲漏立即停止開挖并及時進行注漿止水。經(jīng)過仔細排查并未發(fā)現(xiàn)地下連續(xù)墻特別是地下連續(xù)墻接縫處有滲漏現(xiàn)象且圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的施工質(zhì)量整體較好。

4）“排”。圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻的止水效果良好，同時通過標段間的截水和坑內(nèi)降水，基本排除了深基坑開挖的各種潛在風險，而經(jīng)過一系列的處置措施后坑內(nèi)滲流和積水明顯減少。經(jīng)觀察土方開挖面以下2～3 m滲流層正好位于第一承壓水⑧2層，此層為灰黃色粘性土粉砂，滲透系數(shù)為1.91×10-4cm/s，滲透系數(shù)較強，而其上下兩層為弱透水層。造成開挖界面源源不斷的滲流除了⑧2層本身富含水量未過濾完畢之外，還有標段間水源的補給，在切除標段間的補給水源后便可以對剩余水量進行濾排，使用挖掘機在開挖面處及中間部位挖掘4個集水坑，過濾集水后用潛水泵及時抽排。

5 結(jié)語

在天津濱海國際機場擴建配套交通中心工程深基坑土方開挖中遇見了滲流并形成集水，通過采取“截”、“探”、“抽”、“查”、“排”等一系列的應(yīng)急處置措施，最終查明了原因并成功消除了深基坑施工安全隱患，積累了超深基坑風險處置經(jīng)驗。

1）在圍護結(jié)構(gòu)地下連續(xù)墻滲漏風險預(yù)判時，當坑外水位觀測孔水位出現(xiàn)下降，可能是地下連續(xù)墻存在滲漏現(xiàn)象，也有可能是坑內(nèi)大規(guī)模降水導(dǎo)致坑內(nèi)外水位出現(xiàn)巨大高差，從而造成地下連續(xù)墻底部滲流場出現(xiàn)，因此必須探挖墻體才能確定。

2）在同一個深基坑施工中，不同標段的施工進度不一致從而造成降水不同步現(xiàn)象，因此施工進度較快時必須切斷標段間水力聯(lián)系才能保證施工范圍內(nèi)降水徹底。

3）深基坑施工過程中要特別注意富水粉砂層的降水情況，因其滲透系數(shù)較強，在地層中很容易形成水平徑向滲流通道，一旦有水源補給便會形成源源不斷的滲流層，另外，由于此處上下兩層滲透系數(shù)相對較小，形成了弱透水層，在降水作業(yè)時本身的承壓水減壓后依靠重力排水將很難抽排徹底，因此在土方開挖時依舊會有微小滲流出現(xiàn)并形成積水，建議提前要挖坑集水抽排。

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