瀕海富水軟土地質懸掛式止水帷幕深基坑管涌防治技術*

張龍保,古漢卿,賈紅學,李志明,李啟平

(中國建筑第八工程局有限公司,天津 300450)

0 引言

隨著我國軌道交通建設的發展,出現了不同線路交錯的情況,使得地下地鐵車站深度不斷增加[1],深基坑土方開挖過程中,極易產生管涌、突涌等險情。在滲透水壓作用下土顆粒群體運動,填充在骨架空隙中的細顆粒被滲水帶走稱為“管涌”[2]。管涌一旦發生發展非常迅急,應正確分析管涌產生的原因,及時制定并實施應對處理方案,將管涌危害降到最低,保證深基坑土方開挖的順利實施。

車燦輝等[3]對南京長江漫灘地區某深基坑承壓水管涌的形成條件和處理措施進行分析和論述。董松等[4]對蘇州中潤廣場深基坑施工過程中發生的管涌事故進行分析,制訂了改用大功率潛水泵、加厚墊層、對坑中坑基礎底板二次澆筑等合理可行的處理方案。胡云華[5]以南京緯三路長江隧道梅子洲風井基坑為例,對臨江超深基坑開挖高承壓水問題進行詳細分析并給出了處理對策。王榮華[6]、陳家春等[7]、李瑛等[8]等對深基坑工程地下水管涌事故原因進行了分析,并進一步針對管涌事故提供了詳細的預防和搶險方案。

目前,缺乏針對天津瀕海富水軟土地質懸掛式止水帷幕條件下地鐵車站深基坑管涌險情防治的研究,因此本文以天津瀕海某地鐵車站深基坑工程施工為例,分析深基坑施工過程中出現管涌險情的原因,介紹現場控制險情的對策,并提出預防管涌險情發生的建議,為類似工程基坑管涌險情處理提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

天津瀕海某地鐵車站為地下3層雙柱三跨島式站臺結構,總長213.3m。車站共設置2組風亭、3個出入口,采用明挖法順作施工[9]。車站深基坑開挖深度為24.99～26.79m。

1.2 工程與水文地質條件

上部潛水埋藏較淺,勘察期間地下水埋深0.50～3.00m(高程-0.340～2.170m),地面高程為2.900m,主要賦存于人工填土層、第Ⅰ陸相層、第Ⅰ海相層中的粉土、黏性土與淤泥質土互層的地層中,含水層基本水平、垂直向滲透性差異較大,局部粉土含砂粒較多時,其富水性、滲透性相應增大,其中⑥43黏質粉土、⑥44粉砂為主要含水層,場地內⑥43黏質粉土基本呈條帶狀分布。⑥44粉砂呈條帶狀及透鏡體分布。基坑開挖影響范圍內各地層物理力學參數如表1所示。

表1 各地層物理力學參數

下部微承壓水以第Ⅰ海相層底部黏性土及第Ⅱ陸相層的黏性土為相對隔水頂板,主要賦存于第Ⅱ陸相層、第Ⅲ陸相層及第Ⅱ海相層的粉土、砂類土中。第1層微承壓水主要賦存在第Ⅱ陸相層中的⑧2黏質粉土、第Ⅲ陸相層⑨2黏質粉土、⑨24粉砂、⑨25細砂及第Ⅱ海相層的⑩2黏質粉土、⑩24粉砂及⑩25細砂中,含水層厚度 0.8～25.5m,基本呈層狀分布,局部地段黏性土夾層較厚;第2層微承壓水主要賦存在第Ⅳ陸相層中的2黏質粉土、42黏質粉土及24粉砂、4粉砂中,含水層厚度1.8～5.9m,高程-55.910～-43.440m,基本呈層狀分布,局部與第1層微承壓水連通。

2 基坑降水設計

2.1 降水重難點分析

1)本工程大小里程盾構井段底板位于第一微承壓水層⑨2黏質粉土中,標準段底板部分位于第一微承壓水層⑧2黏質粉土中,且第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關聯密切,且車站圍護結構未隔斷第1層承壓水和第2層承壓水,易導致地下水繞過墻底進入基坑。故控制承壓水穩定性,確保不出現涌水、涌砂等事故是本工程的重點。

2)第1層承壓水厚度約3.0～6.0m,含水量豐富,主要為⑧2,⑨2黏質粉土層,土層透水性好。地下連續墻已隔斷第一承壓含水層,但未隔斷第2層承壓水,易導致第2層承壓水繞過地下連續墻墻底進入基坑,并且第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關聯密切,結構底板距離第1層承壓水頂板較近(局部揭穿)。根據上述情況,疏干井井底深入第1層承壓水,疏干水量大,為疏干降水難點。

3)需對第2層承壓水進行抗突涌驗算,對于第2層承壓水的合理有效控制是難點。

2.2 降水設計計算

2.2.1疏干井設計

1)疏干總涌水量

Qw=Q1+Q2=5 798.06m3

基坑降水所需總涌水量為5 798.06m3。

2)水泵選擇

基坑內疏干井采用Q3-45/3-1.5型號潛水泵,水泵流量為3.0m3/h,由于場地淺層水多為粉質黏土,滲透性差,無法滿足每臺泵均能保證3.0m3/h的出水能力,根據類似工程經驗,單井出水量q平均取12m3/d。

3)降水井數量

根據DBT29—229—2014《建筑基坑降水工程技術規程》進行基坑疏干井數量計算:

結合主體基坑形狀疏干井數量實際布設 26口,驗算單井面積S=5 712m2/26=219.7m2,滿足單井經驗控制面積。

2.2.2基坑抗突涌驗算

基坑下存在承壓含水層時,按下列公式驗算基坑抗突涌穩定性。

(1)

第2層承壓水抗突涌安全系數計算結果如表2所示。

表2 抗突涌安全系數計算結果

根據基坑抗突涌驗算,第2層承壓水安全系數均小于控制安全系數 1.1,考慮在坑內、外設置相應位置承壓水備用兼觀測井,實時監測該層承壓水水位動態,需要時開啟減壓降水。

3 管涌處理過程

3.1 管涌出現情況

2023年2月21日車站主體基坑標準段開挖至距基底約4m,坑內第2層承壓水備用兼觀測井YB2-2周邊出現管涌,水夾著泥砂沿承壓井周邊上涌,且涌砂量持續增大,此時開挖面為⑥44粉砂,開挖面距離第1層承壓水頂約4.3m。

2023年4月6日,車站主體基坑大里程盾構井段開挖至基底以上0.3m時,坑內第1層承壓水備用兼觀測井YG1-5周邊出現管涌,水夾著泥砂沿承壓井周邊上涌,且涌砂量持續增大,此時開挖面為⑨1粉質黏土,開挖面距離第1層承壓水頂約1.0m。

3.2 管涌原因分析

主體基坑土方開挖前進行了降水試驗,根據本工程抽水試驗結果分析,可以得出以下結論:①各降水井出水量正常,降水井成井質量均合格;②坑內降水井布置滿足將基坑水位降至基底以下1m的要求;③坑外觀測井水位變幅平緩,無明顯下降趨勢,初步判斷基底以下地下連續墻無明顯滲漏點。

管涌發生是多方面綜合作用的結果,通過現場勘察和研討,對現場管涌現象進行原因分析,得出管涌發生原因主要包括水文地質、設計和施工幾個方面。

3.2.1水文地質

1)地質條件

對照管涌點查閱了巖土工程勘察報告:YB2-2降壓井側壁濾料回填位置出現管涌時自開挖面至第2層承壓水底端存在厚度達17.6m的粉砂層,YG1-5降壓井側壁濾料回填位置出現管涌時自開挖面至第1層承壓水底端存在厚度達14.8m的粉砂層,粉砂層滲透系數大、透水性強,這給管涌險情的發生埋下了安全隱患。

該拉桿結構中間螺紋桿不適合粘貼應變計；耳環套筒螺紋段與螺紋桿相對位置不固定，受載時套筒傳力路徑不固定。此外，受尺寸和結構限制，5號、6號點受尺寸限制，無法進行應變電橋改裝工作。因此，適合粘貼應變片的位置為1號—4號點，其中1號和2號點位于套筒實心區域，位置對稱，3號和4號點分別位于腹板的正面與反面，位置對稱。

2)地下水

第1層承壓水及第2層承壓水主要賦存在黏質粉土、粉砂、 細砂中,第2層承壓水與第1層承壓水局部連通,關聯密切,易造成涌水涌砂險情的發生。

3.2.2設計

車站主體圍護結構設計插入深度不足,未隔斷第1層承壓水和第2層承壓水,易導致基坑外第1層承壓水、第2層承壓水源源不斷地繞過地下連續墻墻底進入基坑。

3.2.3施工

1)成井施工質量缺陷

可能由于降水井井管與井壁之間濾料填充不密實,形成了涌水通道,并且承壓水水頭較高,在地下水滲流作用下,使得土體中的細顆粒沿著粗顆粒空隙通道向上流動,最終形成管涌險情。

2)正式降水施工缺陷

本工程創新使用一種高效洗井設備,洗井在短時間內完成,避免了局部突涌發生。通過反復提升攪拌器,使攪拌器沖擊擾動降水井底部淤積的泥砂,達到松散淤積泥砂的目的。當洗井設備筒體向下落時,擋板向筒體內部開啟,讓底部泥砂從筒體底部進入筒體中,再當筒體向下運動時,泥砂不會輕易地再隨運動重新進入到降水井中,提高了清理泥砂作業效率。當筒體向上提起時,擋板關閉,泥砂將不會隨之流出筒體。如此周而復始,筒體上下往復運動,可將降水井底淤積的泥砂不斷抽入泥砂容納裝置。最后卸開擋板,將筒體內泥砂卸出即可完成洗井工作。

3.3 管涌處理措施

3.3.1雙液注漿封堵

以涌水點為中心采用導管進行雙液注漿處理,選用P·O42.5普通硅酸鹽水泥,水灰比、水泥漿與水玻璃體積比均根據現場試驗調配,注漿深度為涌水點至涌水點以下10m。直至涌水點有漿液冒出,水頭逐漸減小后不再冒水,管涌得到有效控制。

3.3.2更換大功率潛水泵

通過近期水位觀測發現,地下水補給量大,回水速率過快,原基坑內降水井潛水泵為1.1kW,無法滿足現場實際降水需求,現改為使用2.2kW的大功率潛水泵,加大抽水力度。

3.3.3基坑內作排水溝和集水井

1)下泵抽排基坑內的明水,加入石灰吸收剩余坑底土殘留水分。

2)創新設置三橫五縱滲水溝,滲水溝深度400mm、寬度500mm,滲水溝頂標高與墊層底標高一致。滲水溝內回填石袋,石袋應緊密壓實,石袋內砂礫、碎石、卵石應選用顆粒大小均勻的材料,將坑底明水滲透入石袋中流至明排井進行抽排。

3)在部分橫、縱向滲水溝相交處設置2處明排井,明排井深度1 500mm、寬度1 800mm,明排井頂標高與墊層底標高一致。明排井底部滿鋪350mm厚碎石,下放高度1 500mm、寬度800mm的鋼筋籠,鋼筋籠外裹用于透水的20～30mm厚密目網,鋼筋籠外側環向回填碎石至墊層底,應選用粒徑30～50cm并且粒徑均勻的碎石回填,如圖1所示。

圖1 明排井施工剖面

4)鋼筋籠內安放7.5kW水泵,抽排入市政污水管網。

3.3.4加強墊層

墊層采用30cm厚C30混凝土,增配單層雙向φ12@200鋼筋網片,防止承壓水突破其他薄弱環節造成突涌,應快速組織、安排機械和人員進行墊層澆筑[10]。

3.3.5增設降水井

1)為有效降低第1層承壓水水位,在管涌范圍附近約15m處增設2口特制管井降水井。

2)墊層施工完成后,底板鋼筋綁扎期間,將井管豎向扶直放入明排井中,底部采用混凝土結構底板封閉牢固,井管管身下部900mm范圍內開設寬8mm、高60mm的矩形孔。井管外側環向回填具有一定磨圓度的碎石濾料至墊層以上50mm,濾料回填速度應均勻,不得過快,避免造成井管偏移,如圖2所示。

圖2 增設降水井施工剖面

3)增設的降水井施工完畢后,安放水泵進行抽水,墊層上鋪設有混凝土結構底板,在底板進行鋼筋制作安裝時,在井管周邊作防水處理,詳細防水做法如圖3所示,最后澆筑混凝土。

圖3 降水井穿通防水層防水示意

4)當混凝土結構底板達到一定強度后,隨著結構的施工,逐步延伸井管至靜水位,最后拔出水泵,與基坑其他降水井一并封井處理。

4 結語

基于天津瀕海地下連續墻未隔斷第1,2層承壓水、第2層承壓水與第1層承壓水局部連通以及承壓水層厚度較大的情況,針對本工程正式降水過程中出現的管涌險情進行原因分析,得出管涌發生是水文地質、設計和施工3個方面綜合作用的結果。通過雙液注漿封堵、更換大功率潛水泵、基坑內施作排水溝和集水井、加強墊層及增設降水井等多種處理措施,有效地控制了管涌險情。為預防和減少后續類似工程管涌事故發生,建議從以下幾個方面做好預防措施。

1)降水方案中應設置一定數量的備用降壓井,以備土方開挖后部分降壓井失效或應急之用。坑內備用降壓井及時啟用,坑外備用降壓井根據需要作為應急啟動。

2)在基坑開挖前,針對主體圍護結構施工過程中存在質量缺陷導致滲漏的部位,應采用高壓旋噴樁等有效措施進行堵漏。

3)基坑土方開挖前應進行工程降水試驗,保證圍護結構封閉效果、降壓井成井質量以及水位降至基底以下1m。

4)降壓井成井施工時,濾料填充應密實均勻,防止抽水過程中濾料大幅下降,避免形成涌水通道。

5)正式降水施工時應注意以下幾點:①嚴格控制土方開挖作業,防止挖機破壞降壓井;②定時檢查和維修抽水泵,準備備用電源;③井管堵塞時應及時洗井,確保水泵放置于設計深度;④確保承壓水降到開挖面以下1m后方可進行開挖。