深厚軟土基坑深層承壓水抗突涌設計與突涌事故處理

竺 松,李雙龍,王繹棟

(1. 浙江華展工程研究設計院有限公司,浙江 寧波 315012； 2.中國建筑第三工程局有限公司， 湖北 武漢 430075)

隨著城市建設的發展,地下空間開挖朝著更深的方向發展,越來越多的基坑工程處在城市中心復雜位置,如何確保基坑安全是項目實施的重中之重。而地下水處理不當,是基坑工程事故中的高發因素,比例可以達到21.4%[1],在軌道交通車站深基坑工程事故中,與水相關的滲流破壞甚至高達62%[2]。這說明地下水處理在深基坑中須引起參建各方的足夠重視。

由于地下室開挖深度越來越深,以前不常出現的深層承壓水抗突涌問題也慢慢凸顯,埋深往往超過50 m。目前對于承壓水設計處理一般采用降低承壓水位、隔離地下水和坑底地基加固三大類[3],對承壓水突涌的解決一般采用管井降水法,管井降水加注漿法、管井降水法加淺層疏干法[4-5]。

本文以浙江軟土地區某三層地下室深層承壓水突涌事故為例,介紹其處理思路和施工方案,可供類似工程事故參考、借鑒。

1 工程概況

本工程位于寧波市,北側和東側為城市主干道,西側為醫院,南側為先行開發的同期建筑(地下室已施工完畢),整個地下室開挖面積22 000 m2,底板面標高為85高程-10.300 m,底板厚度為800 mm,墊層厚度為300 mm,承臺高度1 950 mm,西北角筏板厚度2 400 mm,最深消防集水坑基礎底標高為-14.600 m。

工程地質剖面圖見圖1,根據地質詳勘報告,③層粉砂混黏性土為微承壓水,穩定水位為85高程1.68 m；⑥2層黏質粉土為承壓水,水位為1.10 m；⑧層中砂為承壓水,穩定水位為-4.00 m。地基土物理力學性質指標見表1,工程樁采用鉆孔灌注樁,樁端持力層為⑧1層中砂層。基坑支護采用鉆孔樁或地連墻加三道鋼筋混凝土內支撐,平面體系采用方便土方開挖施工的圓環體系結合斜棧橋,見圖2。

2 承壓水抗突涌設計

根據現行規范《建筑基坑支護技術規程(JGJ 120—99)》[6]附錄C滲透穩定性驗算,由于③層在基坑開挖面以上,為微承壓水,根據相鄰工程實際開挖情況反饋,該層水量不大,開挖時采取明溝加集水井法排水,⑥2層承壓水抗突涌計算需滿足公式(1),具體計算結果見表2。

表1 土體指標及巖土體力學參數

圖1 典型工程地質剖面圖

表2 基坑抗突涌驗算表

圖2 支護結構平面布置圖

(1)

式(1)中：Kh為突涌穩定安全系數,不應小于1.1；

D為承壓水含水層頂面至坑底的土層厚度，m；

γ為承壓水含水層頂面至坑底土層的天然重度，對多層土,取按土層厚度加權的平均天然重度，(kN/m3)；

hW為承壓水含水層頂面的壓力水頭高度，m；

γW為水的重度，kN/m3。

驗算時,重度取土層的加權平均值18.26 kN/m3,由于規范推薦的突涌安全系數計算方法基于重力平衡法,忽略了坑底土體抗剪強度對突涌的作用,考慮原狀土抗剪強度的有利作用[7],故本工程安全系數在剛好滿足1.1的情況下不采取管井減壓降水處理；電梯井抗突涌不滿足規范要求,按照浙江省工程建設標準《建筑基坑工程技術規程(DB33/T 1096—2014)》[8],考慮坑底采用滿堂高壓旋噴樁加固措施,坑底土體在承壓水作用下呈整體頂升破壞時,可按照下式驗算,Kw不小于1.2。

(2)

式(2)中：α為折減系數,取0.5～1.0,基坑面積小、深度淺、土性差時取低值；

β為空間效應系數；

lS為基坑平面周長，m；

S為基坑平面面積，m2；

c為破裂面的各層土的內聚力(采用固快指標)加權平均值，kPa；

其余指標含義同(1)式。

對坑中坑坑底采取滿堂加固措施,取α=0.5,基坑面積S=100 m2,周長lS=40 m,c=12.9 kPa,得到Kw=1.50≥1.2,滿足規范要求。

為減小基坑開挖③層降水對周邊環境的影響,在支護樁外側采用三軸水泥攪拌樁作為止水帷幕,樁端穿過③層土截斷該層土的坑內外水力聯系。

3 基坑突涌事故概況

前期設計由于對③層承壓水考慮周全,基坑開挖順利。在臨近春節時,施工單位想在節前完成局部底板施工澆筑。在西側開挖至承臺底后,應職能部門要求,需對工程樁鋼筋籠長度進行檢測,由于第三方檢測單位對深層⑧層中砂承壓水沒有引起注意,在鉆孔過程中發生承壓水外冒,導致鉆孔位置發生管涌,現場照片見圖3。經勘查單位現場查看,結合冒水量及水中出砂的情況,判斷為⑧層中砂發生突涌,由于該層埋深深,最淺達51.2 m,全市連通,不及時處理將對周邊已有建筑及工程樁承載力均產生不利影響。由于常規處理承壓水為降低承壓水位、隔離地下水和坑底地基加固。由于基坑周圈止水帷幕均未截斷⑧層中砂層,故處理方案的思路為坑底地基加固。

圖3 坑底突涌現狀

4 突涌事故處理

鉆孔處開挖標高為-12.55 m,承壓水頭為-4.00 m,水頭高差8.55 m,發生管涌后,第一時間在管涌點四周進行沙包堆砌,并把承壓水引流至邊上較深承臺位置,再進行水泵抽水。直接進行雙液注漿封堵檢測孔,參建各方均覺得封堵效果不佳,漿液沒法成形。注漿效果好必須要求出水量極小甚至靜止,漿液才不會大量被承壓水外沖帶走。

經討論,處理方案采用鋼管引流平衡水壓法結合雙液注漿。在突涌點位置插入直徑為630 mm鋼管,大于監測孔直徑150 mm,將鋼管往下打,穿過底部土性相對較好的⑤層粉質黏土層至⑥1層黏土層,其頂標高為-27.550 m,各方初步認為⑤層粉質黏土層土性相對較好,突涌孔在該層中相對不會發生擴孔等不利情況。上部留置長度高于承壓水頭1 m左右,使承壓水能夠在鋼管內上升到承壓水頭位置,上下平衡靜止不再冒水,再在鋼套管內進行注漿封堵。豎向示意圖見圖4。

圖4 鋼管引流平衡水壓法剖面示意

施工流程為：打入第一節15 m長鋼管→鋼管接長→打入第二節12 m鋼管→水頭穩定后注漿加固。

注漿加固長度為14 m。按式(1)計算：加固范圍重度取γ=18.5 kN/m3,則可計算得到滿足規范要求。

該方法使用時須注意以下幾點：1)鋼管直徑盡可能大,以確保突涌路徑包在鋼管內；2)鋼管施工時應在套管端部500 mm處設閥門,以保證鋼管接長時焊接部位無水。具體措施見圖5。

圖5 鋼管引水

施工單位先進行試打鋼管(圖5)。明確效果可行,就把試打鋼管拔出換另一段鋼管。由于操作失誤,上拔過程中操作人員認為鋼管不會往下沉,直接把鋼管頂部鷹嘴松開,直接導致鋼管往下沉3.6 m,由于空間有限,無法將鋼管取出,同時也擔心鋼管拔出后突涌路徑變大。事后認為鋼管上拔對鋼管下部土體產生嚴重擾動,導致鋼管端部附近土體松動,樁側摩阻力下降導致鋼管下沉。

在原先方案思路基礎上,考慮采用鋼板樁圍堰結合高壓旋噴樁加固處理。在突涌點周圍打設拉森鋼板樁,由于不確定開挖面下方突涌路徑情況,鋼板樁平面范圍確定是突涌點四周不少于2.5 m,同時避開工程樁。由于施工設備緊缺,鋼板樁只能施工15 m,方案考慮內外設置兩排鋼板樁,內排鋼板樁頂標高設在開挖面以上500 mm,外排鋼板樁考慮自身穩定性,頂標高在開挖面以上6.55 m,并在鋼板樁中間設置400H型鋼圍檁,在頂部設置18#工字鋼圍檁,同時在鋼板樁外側進行土體反壓以確保鋼板樁穩定,剖面示意見圖6。

圖6 鋼板樁圍堰結合高壓旋噴樁加固處理剖面示意

施工流程為：內、外排鋼板樁施工→外排鋼板樁拔高→外側回填土加固→鋼板樁加固→鋼板樁內回填土→高壓旋噴樁滿堂加固→達到齡期后土方挖除、割除鋼板樁。

鋼板樁土方回填區域抗突涌穩定性驗算如下：回填土重量取17.5 kN/m3,則可計算得到滿足規范要求。

該方法使用時須注意的內容：1)管涌發生時,禁止利用廢樁頭、混凝土塊、編織袋等壓填管涌口,避免障礙物落入管涌塌陷區,造成后續高壓旋噴樁施工障礙;2)高噴施工時側壓力很大,故鋼板樁加固要穩固、牢靠,否則會導致鋼板樁傾斜；3)若水頭高,水量大,高噴施工時泥漿水泥摻量要盡量高(35%左右),同時加水玻璃、早強劑等添加劑,以便盡快加強強度；4)高噴施工順序為從四周往中間,減少對鋼板樁的影響。現場施工情況見圖7。

圖7 鋼板樁圍堰結合高壓旋噴樁加固現場

5 后續基礎施工

后續施工主要采取分區分塊原則。等突涌處加固處理完畢后,先施工突涌區域周邊基礎,與其他區域之間增設施工縫。等周邊基礎底板施工完畢后,再施工突涌區域基礎。為節省造價,先拔除外側鋼板樁,內側鋼板樁高出基礎部分進行切割處理,入土部分保留土中,現場情況見圖8。由于不確定是否會在拔樁位置產生意外突涌,事先各方要準備好應急措施。在實際施工過程中發現旋噴樁止水效果挺好,沒有產生二次突涌。目前地下室頂板已施工完畢,側壁與支護樁間已回填完畢。

圖8 鋼板樁拔除現場

6 支護結構變形性狀分析

突涌處理主要分三個階段：第一階段為2019年1月29日至2月3日,突涌前期處理及土方回填穩定；第二階段是3月4日至3月14日，高壓旋噴樁施工；第三階段是5月9日至5月13日，鋼板樁拔除切割。三個階段對應的CX20孔深層土體位移日變化量見圖9。

圖9 Cx20孔深層土體位移日變化量曲線圖

由圖9可見,臨近坑邊的突涌對深層土體位移影響較大,呈現“先大后小”的趨勢。高壓旋噴樁由于注漿壓力較大,對周邊環境存在一定的影響；鋼板樁拔除期間由于未進行有效的空隙填充對支護結構變形影響最大,拔除一段時間后變形才趨于穩定。

CX20孔三個階段期間累計變化量為29.6 mm,期末累計變化87.2 mm,累計變化量占比約34%。

Q39、Q40樁頂水平位移最大日變化量為1 mm,三個階段期間Q39累計變化量為12 mm,期末累計變化27 mm,累計變化量占比約44%。Q40累計變化量為13 mm,期末累計變化30 mm,累計變化量占比約43%。

沉降最大日變化量為0.4 mm,期間Q39累計變化量為3.8 mm, 期末累計變化9.3 mm,累計變化量占比約41%。Q40累計變化量為4.4 mm,期末累計變化9.6 mm,累計變化量占比約46%。

立柱沉降最大日變化量為0.3 mm,期間累計變化量為2.2 mm,期末累計變化7.7 mm,累計變化量占比約29%。

突涌及相應處理措施影響的支護樁外側深層土體位移期間增加量占處理結束時累積量的34%,樁頂水平和豎向位移期約43%～46%,立柱約30%,從相對比例而言,影響較大。

7 結 語

目前本工程地下室頂板已施工完畢,西北側電梯井底采用滿堂加固,未發生突涌現象,檢測孔位置加固后后期開挖也未發生突涌的情況,本工程的地下水設計與處理均達到了預先設定的要求。綜合分析本工程的設計與施工過程,可得到以下結論和建議：

1)坑底土體抗突涌不滿足現行規范《JGJ 120—2012》的抗突涌穩定性安全系數時,可以通過坑底土體加固,采用浙江省工程建設標準《建筑基坑工程技術規程(DB33/T 1096—2014)》規范進行計算。

2)坑底深層承壓水發生突涌現象時,可以采取鋼管或鋼板樁進行水力平衡,然后采取注漿加固進行有效封堵。

3)鋼管引流平衡水壓法由于鋼管尺寸受限,需要對突涌點有相對精確的位置判斷,同時鋼管長度可以通過焊接來加長處理,處理承壓水頭高差范圍較大。

4)鋼板樁結合高壓旋噴樁加固處理適用于絕大部分管涌情況,無需準確定位管涌位置,缺點是鋼板樁長度受限,承壓水頭高差處理范圍有限制,同時需要考慮旋噴樁施工時鋼板樁的穩定性驗算。鋼板樁拔除時須采取有效的空隙填充措施,不然對支護結構變形存在較大的不利影響。

5)臨近坑邊的突涌現象對支護結構變形存在較大影響,如不及時處理,風險會急劇增大。