深厚软土基坑深层承压水抗突涌设计与突涌事故处理

竺 松,李双龙,王绎栋

(1. 浙江华展工程研究设计院有限公司,浙江 宁波 315012； 2.中国建筑第三工程局有限公司， 湖北 武汉 430075)

随着城市建设的发展,地下空间开挖朝着更深的方向发展,越来越多的基坑工程处在城市中心复杂位置,如何确保基坑安全是项目实施的重中之重。而地下水处理不当,是基坑工程事故中的高发因素,比例可以达到21.4%[1],在轨道交通车站深基坑工程事故中,与水相关的渗流破坏甚至高达62%[2]。这说明地下水处理在深基坑中须引起参建各方的足够重视。

由于地下室开挖深度越来越深,以前不常出现的深层承压水抗突涌问题也慢慢凸显,埋深往往超过50 m。目前对于承压水设计处理一般采用降低承压水位、隔离地下水和坑底地基加固三大类[3],对承压水突涌的解决一般采用管井降水法,管井降水加注浆法、管井降水法加浅层疏干法[4-5]。

本文以浙江软土地区某三层地下室深层承压水突涌事故为例,介绍其处理思路和施工方案,可供类似工程事故参考、借鉴。

1 工程概况

本工程位于宁波市,北侧和东侧为城市主干道,西侧为医院,南侧为先行开发的同期建筑(地下室已施工完毕),整个地下室开挖面积22 000 m2,底板面标高为85高程-10.300 m,底板厚度为800 mm,垫层厚度为300 mm,承台高度1 950 mm,西北角筏板厚度2 400 mm,最深消防集水坑基础底标高为-14.600 m。

工程地质剖面图见图1,根据地质详勘报告,③层粉砂混黏性土为微承压水,稳定水位为85高程1.68 m；⑥2层黏质粉土为承压水,水位为1.10 m；⑧层中砂为承压水,稳定水位为-4.00 m。地基土物理力学性质指标见表1,工程桩采用钻孔灌注桩,桩端持力层为⑧1层中砂层。基坑支护采用钻孔桩或地连墙加三道钢筋混凝土内支撑,平面体系采用方便土方开挖施工的圆环体系结合斜栈桥,见图2。

2 承压水抗突涌设计

根据现行规范《建筑基坑支护技术规程(JGJ 120—99)》[6]附录C渗透稳定性验算,由于③层在基坑开挖面以上,为微承压水,根据相邻工程实际开挖情况反馈,该层水量不大,开挖时采取明沟加集水井法排水,⑥2层承压水抗突涌计算需满足公式(1),具体计算结果见表2。

表1 土体指标及岩土体力学参数

图1 典型工程地质剖面图

表2 基坑抗突涌验算表

图2 支护结构平面布置图

(1)

式(1)中：Kh为突涌稳定安全系数,不应小于1.1；

D为承压水含水层顶面至坑底的土层厚度，m；

γ为承压水含水层顶面至坑底土层的天然重度，对多层土,取按土层厚度加权的平均天然重度，(kN/m3)；

hW为承压水含水层顶面的压力水头高度，m；

γW为水的重度，kN/m3。

验算时,重度取土层的加权平均值18.26 kN/m3,由于规范推荐的突涌安全系数计算方法基于重力平衡法,忽略了坑底土体抗剪强度对突涌的作用,考虑原状土抗剪强度的有利作用[7],故本工程安全系数在刚好满足1.1的情况下不采取管井减压降水处理；电梯井抗突涌不满足规范要求,按照浙江省工程建设标准《建筑基坑工程技术规程(DB33/T 1096—2014)》[8],考虑坑底采用满堂高压旋喷桩加固措施,坑底土体在承压水作用下呈整体顶升破坏时,可按照下式验算,Kw不小于1.2。

(2)

式(2)中：α为折减系数,取0.5～1.0,基坑面积小、深度浅、土性差时取低值；

β为空间效应系数；

lS为基坑平面周长，m；

S为基坑平面面积，m2；

c为破裂面的各层土的内聚力(采用固快指标)加权平均值，kPa；

其余指标含义同(1)式。

对坑中坑坑底采取满堂加固措施,取α=0.5,基坑面积S=100 m2,周长lS=40 m,c=12.9 kPa,得到Kw=1.50≥1.2,满足规范要求。

为减小基坑开挖③层降水对周边环境的影响,在支护桩外侧采用三轴水泥搅拌桩作为止水帷幕,桩端穿过③层土截断该层土的坑内外水力联系。

3 基坑突涌事故概况

前期设计由于对③层承压水考虑周全,基坑开挖顺利。在临近春节时,施工单位想在节前完成局部底板施工浇筑。在西侧开挖至承台底后,应职能部门要求,需对工程桩钢筋笼长度进行检测,由于第三方检测单位对深层⑧层中砂承压水没有引起注意,在钻孔过程中发生承压水外冒,导致钻孔位置发生管涌,现场照片见图3。经勘查单位现场查看,结合冒水量及水中出砂的情况,判断为⑧层中砂发生突涌,由于该层埋深深,最浅达51.2 m,全市连通,不及时处理将对周边已有建筑及工程桩承载力均产生不利影响。由于常规处理承压水为降低承压水位、隔离地下水和坑底地基加固。由于基坑周圈止水帷幕均未截断⑧层中砂层,故处理方案的思路为坑底地基加固。

图3 坑底突涌现状

4 突涌事故处理

钻孔处开挖标高为-12.55 m,承压水头为-4.00 m,水头高差8.55 m,发生管涌后,第一时间在管涌点四周进行沙包堆砌,并把承压水引流至边上较深承台位置,再进行水泵抽水。直接进行双液注浆封堵检测孔,参建各方均觉得封堵效果不佳,浆液没法成形。注浆效果好必须要求出水量极小甚至静止,浆液才不会大量被承压水外冲带走。

经讨论,处理方案采用钢管引流平衡水压法结合双液注浆。在突涌点位置插入直径为630 mm钢管,大于监测孔直径150 mm,将钢管往下打,穿过底部土性相对较好的⑤层粉质黏土层至⑥1层黏土层,其顶标高为-27.550 m,各方初步认为⑤层粉质黏土层土性相对较好,突涌孔在该层中相对不会发生扩孔等不利情况。上部留置长度高于承压水头1 m左右,使承压水能够在钢管内上升到承压水头位置,上下平衡静止不再冒水,再在钢套管内进行注浆封堵。竖向示意图见图4。

图4 钢管引流平衡水压法剖面示意

施工流程为：打入第一节15 m长钢管→钢管接长→打入第二节12 m钢管→水头稳定后注浆加固。

注浆加固长度为14 m。按式(1)计算：加固范围重度取γ=18.5 kN/m3,则可计算得到满足规范要求。

该方法使用时须注意以下几点：1)钢管直径尽可能大,以确保突涌路径包在钢管内；2)钢管施工时应在套管端部500 mm处设阀门,以保证钢管接长时焊接部位无水。具体措施见图5。

图5 钢管引水

施工单位先进行试打钢管(图5)。明确效果可行,就把试打钢管拔出换另一段钢管。由于操作失误,上拔过程中操作人员认为钢管不会往下沉,直接把钢管顶部鹰嘴松开,直接导致钢管往下沉3.6 m,由于空间有限,无法将钢管取出,同时也担心钢管拔出后突涌路径变大。事后认为钢管上拔对钢管下部土体产生严重扰动,导致钢管端部附近土体松动,桩侧摩阻力下降导致钢管下沉。

在原先方案思路基础上,考虑采用钢板桩围堰结合高压旋喷桩加固处理。在突涌点周围打设拉森钢板桩,由于不确定开挖面下方突涌路径情况,钢板桩平面范围确定是突涌点四周不少于2.5 m,同时避开工程桩。由于施工设备紧缺,钢板桩只能施工15 m,方案考虑内外设置两排钢板桩,内排钢板桩顶标高设在开挖面以上500 mm,外排钢板桩考虑自身稳定性,顶标高在开挖面以上6.55 m,并在钢板桩中间设置400H型钢围檩,在顶部设置18#工字钢围檩,同时在钢板桩外侧进行土体反压以确保钢板桩稳定,剖面示意见图6。

图6 钢板桩围堰结合高压旋喷桩加固处理剖面示意

施工流程为：内、外排钢板桩施工→外排钢板桩拔高→外侧回填土加固→钢板桩加固→钢板桩内回填土→高压旋喷桩满堂加固→达到龄期后土方挖除、割除钢板桩。

钢板桩土方回填区域抗突涌稳定性验算如下：回填土重量取17.5 kN/m3,则可计算得到满足规范要求。

该方法使用时须注意的内容：1)管涌发生时,禁止利用废桩头、混凝土块、编织袋等压填管涌口,避免障碍物落入管涌塌陷区,造成后续高压旋喷桩施工障碍;2)高喷施工时侧压力很大,故钢板桩加固要稳固、牢靠,否则会导致钢板桩倾斜；3)若水头高,水量大,高喷施工时泥浆水泥掺量要尽量高(35%左右),同时加水玻璃、早强剂等添加剂,以便尽快加强强度；4)高喷施工顺序为从四周往中间,减少对钢板桩的影响。现场施工情况见图7。

图7 钢板桩围堰结合高压旋喷桩加固现场

5 后续基础施工

后续施工主要采取分区分块原则。等突涌处加固处理完毕后,先施工突涌区域周边基础,与其他区域之间增设施工缝。等周边基础底板施工完毕后,再施工突涌区域基础。为节省造价,先拔除外侧钢板桩,内侧钢板桩高出基础部分进行切割处理,入土部分保留土中,现场情况见图8。由于不确定是否会在拔桩位置产生意外突涌,事先各方要准备好应急措施。在实际施工过程中发现旋喷桩止水效果挺好,没有产生二次突涌。目前地下室顶板已施工完毕,侧壁与支护桩间已回填完毕。

图8 钢板桩拔除现场

6 支护结构变形性状分析

突涌处理主要分三个阶段：第一阶段为2019年1月29日至2月3日,突涌前期处理及土方回填稳定；第二阶段是3月4日至3月14日，高压旋喷桩施工；第三阶段是5月9日至5月13日，钢板桩拔除切割。三个阶段对应的CX20孔深层土体位移日变化量见图9。

图9 Cx20孔深层土体位移日变化量曲线图

由图9可见,临近坑边的突涌对深层土体位移影响较大,呈现“先大后小”的趋势。高压旋喷桩由于注浆压力较大,对周边环境存在一定的影响；钢板桩拔除期间由于未进行有效的空隙填充对支护结构变形影响最大,拔除一段时间后变形才趋于稳定。

CX20孔三个阶段期间累计变化量为29.6 mm,期末累计变化87.2 mm,累计变化量占比约34%。

Q39、Q40桩顶水平位移最大日变化量为1 mm,三个阶段期间Q39累计变化量为12 mm,期末累计变化27 mm,累计变化量占比约44%。Q40累计变化量为13 mm,期末累计变化30 mm,累计变化量占比约43%。

沉降最大日变化量为0.4 mm,期间Q39累计变化量为3.8 mm, 期末累计变化9.3 mm,累计变化量占比约41%。Q40累计变化量为4.4 mm,期末累计变化9.6 mm,累计变化量占比约46%。

立柱沉降最大日变化量为0.3 mm,期间累计变化量为2.2 mm,期末累计变化7.7 mm,累计变化量占比约29%。

突涌及相应处理措施影响的支护桩外侧深层土体位移期间增加量占处理结束时累积量的34%,桩顶水平和竖向位移期约43%～46%,立柱约30%,从相对比例而言,影响较大。

7 结 语

目前本工程地下室顶板已施工完毕,西北侧电梯井底采用满堂加固,未发生突涌现象,检测孔位置加固后后期开挖也未发生突涌的情况,本工程的地下水设计与处理均达到了预先设定的要求。综合分析本工程的设计与施工过程,可得到以下结论和建议：

1)坑底土体抗突涌不满足现行规范《JGJ 120—2012》的抗突涌稳定性安全系数时,可以通过坑底土体加固,采用浙江省工程建设标准《建筑基坑工程技术规程(DB33/T 1096—2014)》规范进行计算。

2)坑底深层承压水发生突涌现象时,可以采取钢管或钢板桩进行水力平衡,然后采取注浆加固进行有效封堵。

3)钢管引流平衡水压法由于钢管尺寸受限,需要对突涌点有相对精确的位置判断,同时钢管长度可以通过焊接来加长处理,处理承压水头高差范围较大。

4)钢板桩结合高压旋喷桩加固处理适用于绝大部分管涌情况,无需准确定位管涌位置,缺点是钢板桩长度受限,承压水头高差处理范围有限制,同时需要考虑旋喷桩施工时钢板桩的稳定性验算。钢板桩拔除时须采取有效的空隙填充措施,不然对支护结构变形存在较大的不利影响。

5)临近坑边的突涌现象对支护结构变形存在较大影响,如不及时处理,风险会急剧增大。