深基坑突涌事故原因及處理措施

陳家春，張登

(福建省建筑輕紡設計院 福建福州 350001)

引 言

地下水是地質環境最為活躍的組成部分。深基坑工程事故中有相當一部分是由于基坑開挖引發地下水變動引起[1]。對于坑底以下存在承壓水的深基坑工程，當基坑開挖導致上覆不透水層過薄，承壓水將頂裂或沖破基坑底部，引發突涌事故[2]。現行規范[3]采用壓力平衡法計算基坑突涌穩定性，即將上覆土層視為不透水體，用其重力平衡水壓力。此外，規范流土穩定性驗算公式考慮了上覆土層滲透性的影響，用有效重度平衡滲透力的方法進一步驗算。上述公式雖然忽略了土體強度、樁基摩擦力、基坑形狀等因素的影響[4]，但只要針對地質條件妥善使用是可以基本滿足工程要求的[2]。當驗算不滿足基坑突涌穩定時，就需要對基坑進行地下水控制。對于承壓水，一般可采取三類處理措施:降低承壓水位、隔離地下水和坑底加固[5]。這些措施在大量的工程實踐中被證明是有效的，但由于地質環境的復雜性以及施工質量等原因，基坑突涌事故仍時有發生。此時，就需要在分析事故原因的基礎上，積極應對，妥善處理，減小損失。

本文以福建某三層地下室基坑突涌事故為例，對突涌事故原因進行了分析，并對工程的處理措施進行了分析和評價。本工程研究成果可為相關工程基坑突涌事故處理提供借鑒。

1 工程概況

1.1 基坑概況

福建省某醫院診療中心大樓共設三層地下室，地下三層底板面結構標高為:－15.25m，底板厚500m，底板底設200mm厚墊層，基坑開挖深度為14.60m。基坑開挖范圍內的土層情況如(表1)所示。場地工程地質剖面圖如(圖1)所示。

表1 各土層物理力學性質

根據場地地質條件，基坑支護形式采用沖鉆孔灌注樁結合三道內支撐。基坑范圍內地下水主要為雜填土中的上層滯水，水量貧乏。坑壁及坑底主要位于淤泥層，為相對隔水層，地下水量不大。但坑底以下中砂層為承壓水含水層，其頂板埋深18.80～28.50m，安全厚度較小。為防止基坑突涌，設計采用三軸水泥土攪拌樁結合高壓旋噴樁對地下水進行隔離。截水帷幕需穿過中砂層進入不透水層不小于1m。基坑支護平面圖如(圖2)所示。

圖1 工程地質剖面圖

圖2 基坑支護平面圖

1.2 基坑突涌事故概況

基坑開挖至第三道內支撐位置，即開挖深度11.5m。先從圍護樁間隙而后整個坑底有大量地下水涌現，導致第三到內支撐無法施工。經各參建方討論:在基坑內試降水，初步判斷高壓旋噴樁是否漏水。現場為了加快第三道支撐施工，在基坑內外同時抽水。后續幾周內出現地面沉降及周邊建筑沉降超過預警值，如(圖3、圖4)所示。

圖3 周邊地表沉降過程結果

圖4 周邊典型建筑物沉降觀測結果

可以看出，降水后，周邊地表沉降迅速急劇發展，周邊建筑物由于地面沉降在樁側形成負摩阻力，造成基礎下沉，沉降發展相對滯后，到后期樁端持力層壓縮固結，樁端承載提升，樁基沉降趨于穩定。但倘若地面沉降不取得良好的控制，負摩阻力進一步增加，建筑物仍可能持續下沉。

2 事故原因分析

2.1 基坑突涌穩定性驗算

根據現行規范[3]，基坑抗突涌穩定性可根據式(1)計算:

式中:D－承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度(m);γ－承壓水含水層頂面至坑底土層的天然重度(kN/m3);hw－承壓水含水層頂面的壓力水頭高度(m);γw－水的重度(kN/m3);Kh－突涌穩定安全系數，Kh≥1.1。

根據勘察報告中砂層頂面的壓力水頭高度約為10.5m，按式(1)計算D=7.35m。以頂板最小埋深計算開挖深度11.5m時的安全厚度為7.30m。可以判斷，如不采取措施，基坑將由于安全厚度不足引發坑底突涌。

2.2 截水帷幕止水效果

為判斷已有截水帷幕的止水效果，在坑內布設三口抽水井進行抽水試驗，抽水井位置如(圖2)所示。抽水試驗成果如(表2)所示。

表2 抽水試驗成果表

從表中數據可以看出，中砂層最厚位置(7.5m厚)CSK1出水量是南側的4倍，這種大水量涌出，可以判斷北側地下水基坑內外是貫通的，高壓旋噴樁止水帷幕成樁在中砂層存在缺陷。進一步查明后發現，上述缺陷是由于高壓旋噴樁未按設計圖紙施工以及在三軸水泥攪拌樁與高壓旋噴樁搭接部位未搭接好造成的。

3 事故處理措施及效果

3.1 圍護樁間距局部堵漏

在第三道支撐以下的土方開挖過程中，首先在局部圍護樁間隙出現漏水，采取了如下應急措施:

(1)在出水口插入導管進行反濾導水，同時用麻袋裝砂進行反壓;

(2)在出水點附近支護樁后面打1排注漿孔，孔深應在出水點以下，注漿方法采用先對孔進行清洗，用雙快水泥進行壓力灌漿，直至注滿為止(雙快水泥技術指標:①三氧化硫:水泥中三氧化硫含量小于9.5%;②比表面積不低于4500cm2/g;③凝結時間:初凝不得早于10min，終凝不得遲于60min)。事后發現，由于基坑開挖過程中出水口數量不斷增加，該項措施僅能起到局部補漏作用，并不能根本性阻止漏水。

3.2 加強截水帷幕

圖5 截水帷幕加強方案

對止水帷幕缺陷部位進行修補，修補采用在坑外增加兩排高壓旋噴樁的方法。如(圖5)所示。實際應用結果表明，增加高壓旋噴樁后，在基坑內降水過程中，坑內抽水量和坑外沉降速率均有較大幅度減少，這表明截水是有效的。

3.3 基坑降水

采取坑內降水措施降低承壓水位，基坑中心承壓水位降深按式(2)計算:

式中:h0為隔水層安全厚度(m)。

基坑降水的降深需嚴格控制，防止周邊建筑物及地面發生過大沉降。同時，坑外需設置回灌井，減小坑外沉降。

3.4 加快承臺及地下室底板施工

為進一步縮短基坑暴露時間，加快基坑施工進度。基礎改用整片大承臺替代原有分散分布的承臺。此外，為加快底板封底及外墻形成封閉的隔水墻，取消后澆帶。同時采用低收縮混凝土材料、跳倉澆筑、控制縫等方法減少混凝土收縮后對結構的影響。

采用上述措施后，工程得以順利實施，收到了良好的效果，并將損失減小到最低限度。

4 結論

(1)基坑坑底以下存在承壓水時，易由于安全厚度不足引發基坑突涌，需引起重視。

(2)基坑突涌的原因是由于基坑截水帷幕施工質量差導致基坑隔水失敗，未能按設計意圖提高基坑抗突涌穩定性。

(3)對上述基坑采用了圍護樁局部堵漏、加強截水帷幕、基坑降水、加快承臺及地下室底板施工等措施，收到了良好的效果，可為相關工程事故提供借鑒。

[1]于英武，李占華，，魏茂杰.深基坑地下水控制技術研究[J].地下水，2007，29(3):36 －38.

[2]潘泓，曹洪，譚澤新，尹小玲.基坑抗突涌計算方法的對比分析及應用探討[J].巖石力學與工程學報，2006(supp.2):3529－3534.

[3]JGJ120－2012.建筑基坑支護技術規程[S].

[4]孫玉永，周順華，肖紅菊.承壓水基坑抗突涌穩定判定方法研究[J].巖石力學與工程學報，2012，31(2):399－405.

[5]宮全美，丁春林，許愷，周順華.抗突涌安全系數對地鐵車站基坑變形的影響[J].地下空間與工程學報，2005，1(5):768－772.