高承壓水深基坑突涌事故治理實踐

羅貞海

（福建省建筑科學(xué)研究院有限公司，福建 福州 350108）

隨著地下空間大規(guī)模開發(fā)利用，涌現(xiàn)出大量的基坑工程，同時也發(fā)生一些基坑事故[1～2]；特別是基坑開挖深度和廣度不斷增加且周邊環(huán)境日益復(fù)雜，事故對社會的影響越來越大，而基坑突涌是一種常見的且破壞極大的事故。

基坑施工過程中處理地下水的基本原則是疏堵結(jié)合，而對基坑承壓水的處理，通常采用“隔水”、“降壓”、“封底”三種技術(shù)手段。首先在設(shè)計階段就應(yīng)充分考慮承壓水對基坑的影響，最有效方法就是在有條件的地層中采用技術(shù)措施隔斷高承壓水含水層，常見的技術(shù)措施有攪拌樁、高壓旋噴樁、拉森鋼板樁及地下連續(xù)墻等；當承壓含水層深度較大，特別是含卵石層承壓水，則常規(guī)高壓旋噴樁及拉森樁使用會受到限制；其次是降壓技術(shù)，根據(jù)承壓水滲透系數(shù)、基坑開挖面積及承壓水水頭大小在基坑內(nèi)布置一定的降壓井，通過降壓井降低承壓水的水頭；最后就是對基底進行加固處理或迅速墊層封底澆筑底板，其中加固處理可采用化學(xué)注漿法或高壓旋噴注漿法對基底隔水土層加固，提高坑底隔水層重度及抗剪強度，形成具有一定厚度和強度的隔水底板，利用壓力平衡防止突涌發(fā)生。基坑發(fā)生突涌事故后，應(yīng)采用局部或大面積回填土或水的方式迅速消除突涌發(fā)生條件，待突涌事故得到徹底控制后再從上述“隔水”、“降壓”、“封底”中尋求符合工程實際的解決方案。

本文分析了突涌事故發(fā)生機理，結(jié)合具體工程實例，提出縮短治理工期及降低施工成本的高承壓水突涌治理技術(shù)。

1 工程概況

某工程設(shè)置3層地下室，基坑周長約570.0 m，底板開挖深度約12.0 m，坑中坑（電梯坑）開挖深度約4 m?；又苓叚h(huán)境復(fù)雜，東側(cè)、北側(cè)及南側(cè)緊鄰市政道路，道路周邊各種地下管線密集布置，西側(cè)緊鄰已經(jīng)建好的高層住宅小區(qū)，基坑工程變形控制要求高，安全等級為一級。

基坑施工范圍內(nèi)細砂層④及卵石層⑤水量豐富，承壓水埋深約為地表下5.0 m。見表1。

表1 地層典型分布

基坑采用SMW工法樁+2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐的支護方式，SMW工法樁攪拌樁規(guī)格為?850 mm@600 mm，為了隔斷承壓含水層，三軸攪拌樁設(shè)計最大深度為31.2 m；型鋼規(guī)格為HN700 mm×300 mm×13 mm×24 mm@1 200 mm，不同剖面型鋼長度為21.0～27.0 m；坑內(nèi)設(shè)置25口降壓井，管徑?219 mm，深度22.0 m。見圖1。

圖1 基坑布置

2 基坑突涌發(fā)生過程及機理分析

2.1 基坑突涌發(fā)生過程

基坑整體開挖至8.0 m深，距大底板開挖深度還差約4.7 m時，發(fā)現(xiàn)降壓井停抽時井口冒水；開挖至墊底標高后，場地西南側(cè)靠環(huán)形支撐邊開挖面存在小細孔冒水并夾帶細砂，而后場地西側(cè)開挖面出現(xiàn)同樣的問題。結(jié)合之前降壓井井口冒水現(xiàn)象并分析地質(zhì)勘察報告，評判因基坑底卵石層埋深較大且層底標高起伏差異大，三軸攪拌樁未完全隔斷基坑底承壓水，基坑底存在高承壓水水頭，受承壓水影響，坑底隔水淤泥層形成滲流場，基坑已發(fā)生局部突涌，需迅速進行治理，否則主樓電梯坑無法開挖。為防止突涌面積持續(xù)擴大，迅速對已發(fā)現(xiàn)的冒水區(qū)域進行局部土方回填，臨時回填土層厚度為2.0 m。

2.2 基坑突涌機理分析

突涌是基坑底部的不透水層在其下部承壓水層水壓力作用下隆起并發(fā)生突水涌泥的現(xiàn)象，基坑底高承壓水對基坑破壞主要表現(xiàn)為以下3方面[3]：

1）基坑底隔水層厚度產(chǎn)生的自重壓力小于高承壓水壓力時，導(dǎo)致坑底隔水層土體發(fā)生剪切破壞,引起突涌事故，導(dǎo)致基坑失穩(wěn)；

2）高承壓水的承壓性導(dǎo)致基坑底隆起，引發(fā)圍護結(jié)構(gòu)變形增加，影響基坑穩(wěn)定；

3）承壓水基坑施工過程中，容易產(chǎn)生管涌、流土或流砂。

現(xiàn)有的突涌穩(wěn)定分析方法主要有經(jīng)典壓力平衡法、均質(zhì)連續(xù)梁（板）分析法、帶預(yù)應(yīng)力均質(zhì)續(xù)梁（板）分析法、均質(zhì)連續(xù)體法、統(tǒng)計預(yù)測法以及考慮應(yīng)力場-滲流場耦合的水力劈裂分析法[4],每種分析方法都有一定的假設(shè)條件和局限性。目前在基坑支護設(shè)計領(lǐng)域常用的方法為經(jīng)典壓力平衡法[5]，經(jīng)典壓力平衡法假定坑底承壓水水頭只要能克服坑底不透水層自重壓力，即可發(fā)生突涌，基坑突涌穩(wěn)定性應(yīng)符合

式中：Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù)，Kh≥1.1；D為坑底隔水層厚度；γ為隔水層土的天然重度，如果隔水層含多層土則為多層土的加權(quán)平均重度；hw為承壓水水頭高度；γw為水的重度。

根據(jù)地質(zhì)勘察報告，本工程發(fā)生突涌處基坑底淤泥層隔水層剩余厚度約7.2 m，結(jié)合開挖階段降水井在坑底以上4.7 m處出現(xiàn)進口冒水現(xiàn)象，以淤泥層底為基準面，坑底含水層水頭高度約為11.9 m，隔水層天然重度為16.2 kN/m3；水的重度取10 kN/m3，采用規(guī)范經(jīng)典土壓力平衡法核算，滲透穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求，基坑底淤泥層自重壓力已經(jīng)小于承壓水水頭壓力。

經(jīng)全面排查及復(fù)核計算，其余未發(fā)生冒水突涌的開挖面也介于臨界安全系數(shù)1.1附近。

開挖面出現(xiàn)小細孔冒水并夾帶細砂現(xiàn)象說明坑底淤泥層已經(jīng)在承壓水劈裂作用下形成了滲流場，原有的降壓井無法滿足實際承壓水降壓要求，坑底淤層雖暫未發(fā)生整體大面積隆起破壞，但滲流穩(wěn)定性系數(shù)已經(jīng)接近發(fā)生大面積突涌的臨界值，應(yīng)快速治理預(yù)防大面積突涌事故發(fā)生。

3 突涌治理方案及效果

3.1 治理方案

受卵石層層底標高起伏差異大、承壓水涌入基坑部位不明確、基坑已經(jīng)開挖導(dǎo)致坑外已無大型設(shè)備施工空間等諸多因素影響，決定采用“降壓”、“封底”組合技術(shù)進行基坑突涌治理。

1）確定土方回填區(qū)域面積及高度：承壓水降壓之前應(yīng)先對基坑已開挖的發(fā)生突涌的區(qū)域進行土方回填，首先是保證基坑底土層穩(wěn)定，避免突涌導(dǎo)致隆起破壞，其次回填的高度要能確保降壓井可以正常施工，不會因承壓水水頭高導(dǎo)致無法成井。為經(jīng)濟、快速進行突涌治理，未對所有開挖區(qū)域都進行大面積回填，只回填沿著支撐環(huán)形邊8.0 m方位區(qū)域，回填高度4.5 m，回填高度接近承壓水水頭高度，環(huán)形回填區(qū)域可以圍閉坑中坑。

2）降壓井布置及施工：在回填土頂面施工降壓井，沿環(huán)形布置50口，管徑325 mm，間距6.5～7.5 m，井深至卵石層底，先施工突涌區(qū)域降壓井，再施工其他區(qū)域。

3）快速墊層封底：對基坑已開挖到底未回填的區(qū)域安排墊層施工，考慮存在一定突涌隱患，僅安排墊層施工，未安排底板施工。

4）布置回灌井：沿基坑四周布置30口回灌井，實時監(jiān)測周邊道路及建筑沉降，必要時啟動回灌系統(tǒng)。

5）配備應(yīng)急電源：現(xiàn)場配備一臺400 kW柴油發(fā)電機，以防電網(wǎng)斷電，降壓井涌水。

3.2 治理效果

單口降壓井施工完畢立即開啟抽水泵進行降壓，直至降壓井全部施工完成，形成環(huán)形區(qū)域閉合降壓，降壓井全部啟動后，經(jīng)測量水位已降低至基坑底以下4.8 m，消除了大基坑及電梯坑突涌發(fā)生條件，為坑中坑順利開挖創(chuàng)造條件。從發(fā)生突涌現(xiàn)象到新增降壓井施工完畢并全部啟用共用時15 d，未盲目進行大面積土方回填，節(jié)約了治理工期及成本，治理效果良好。

突涌治理及后期降壓井降壓過程中，周邊道路及建筑沉降值均在允許范圍內(nèi)，因此未啟動回灌井系統(tǒng)，從側(cè)面亦可以反映出承壓水層滲透系數(shù)大且補給速度快。

4 結(jié)論

1）應(yīng)高度重視承壓水深基坑突涌問題，了解基坑突涌發(fā)生機理，從“隔水”、“降壓”、“封底”技術(shù)路徑防治突涌事故。

2）基坑設(shè)計階段應(yīng)充分考慮地層承壓水水頭及承壓水地層埋深，在無法確保能完全隔斷承壓水層情況下，應(yīng)提前考慮好降壓或封底等措施。

3）回填土方可以迅速消除基坑突涌發(fā)生條件，預(yù)防承壓水基坑突涌事故發(fā)生。

4）應(yīng)結(jié)合工程實際情況選用不同的突涌治理組合技術(shù)，治理過程應(yīng)遵循科學(xué)快速原則，可達到經(jīng)濟、安全的效果。