深厚軟土基坑深層承壓水抗突涌設(shè)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(shè)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(shè)的發(fā)展,地下空間開挖朝著更深的方向發(fā)展,越來越多的基坑工程處在城市中心復(fù)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(dāng),是基坑工程事故中的高發(fā)因素,比例可以達(dá)到21.4%[1],在軌道交通車站深基坑工程事故中,與水相關(guān)的滲流破壞甚至高達(dá)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(xiàn)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(shè)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(qū)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(cè)和東側(cè)為城市主干道,西側(cè)為醫(yī)院,南側(cè)為先行開發(fā)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(biāo)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(chǔ)底標(biāo)高為-14.600 m。

工程地質(zhì)剖面圖見圖1,根據(jù)地質(zhì)詳勘報告,③層粉砂混黏性土為微承壓水,穩(wěn)定水位為85高程1.68 m；⑥2層黏質(zhì)粉土為承壓水,水位為1.10 m；⑧層中砂為承壓水,穩(wěn)定水位為-4.00 m。地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1,工程樁采用鉆孔灌注樁,樁端持力層為⑧1層中砂層?；又ёo(hù)采用鉆孔樁或地連墻加三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐,平面體系采用方便土方開挖施工的圓環(huán)體系結(jié)合斜棧橋,見圖2。

2 承壓水抗突涌設(shè)計

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程(JGJ 120—99)》[6]附錄C滲透穩(wěn)定性驗算,由于③層在基坑開挖面以上,為微承壓水,根據(jù)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(jié)果見表2。

表1 土體指標(biāo)及巖土體力學(xué)參數(shù)

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表2 基坑抗突涌驗算表

圖2 支護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置圖

(1)

式(1)中：Kh為突涌穩(wěn)定安全系數(shù),不應(yīng)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(quán)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(quán)平均值18.26 kN/m3,由于規(guī)范推薦的突涌安全系數(shù)計算方法基于重力平衡法,忽略了坑底土體抗剪強(qiáng)度對突涌的作用,考慮原狀土抗剪強(qiáng)度的有利作用[7],故本工程安全系數(shù)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(guī)范要求,按照浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)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(shù),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(yīng)系數(shù)；

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(nèi)聚力(采用固快指標(biāo))加權(quán)平均值，kPa；

其余指標(biāo)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(guī)范要求。

為減小基坑開挖③層降水對周邊環(huán)境的影響,在支護(hù)樁外側(cè)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(nèi)外水力聯(lián)系。

3 基坑突涌事故概況

前期設(shè)計由于對③層承壓水考慮周全,基坑開挖順利。在臨近春節(jié)時,施工單位想在節(jié)前完成局部底板施工澆筑。在西側(cè)開挖至承臺底后,應(yīng)職能部門要求,需對工程樁鋼筋籠長度進(jìn)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(fā)生承壓水外冒,導(dǎo)致鉆孔位置發(fā)生管涌,現(xiàn)場照片見圖3。經(jīng)勘查單位現(xiàn)場查看,結(jié)合冒水量及水中出砂的情況,判斷為⑧層中砂發(fā)生突涌,由于該層埋深深,最淺達(dá)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(chǎn)生不利影響。由于常規(guī)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(xiàn)狀

4 突涌事故處理

鉆孔處開挖標(biāo)高為-12.55 m,承壓水頭為-4.00 m,水頭高差8.55 m,發(fā)生管涌后,第一時間在管涌點四周進(jìn)行沙包堆砌,并把承壓水引流至邊上較深承臺位置,再進(jìn)行水泵抽水。直接進(jìn)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(jīng)討論,處理方案采用鋼管引流平衡水壓法結(jié)合雙液注漿。在突涌點位置插入直徑為630 mm鋼管,大于監(jiān)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(zhì)黏土層至⑥1層黏土層,其頂標(biāo)高為-27.550 m,各方初步認(rèn)為⑤層粉質(zhì)黏土層土性相對較好,突涌孔在該層中相對不會發(fā)生擴(kuò)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(nèi)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(nèi)進(jìn)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(jié)15 m長鋼管→鋼管接長→打入第二節(jié)12 m鋼管→水頭穩(wěn)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(guī)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(nèi)；2)鋼管施工時應(yīng)在套管端部500 mm處設(shè)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(jìn)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(rèn)為鋼管不會往下沉,直接把鋼管頂部鷹嘴松開,直接導(dǎo)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(dān)心鋼管拔出后突涌路徑變大。事后認(rèn)為鋼管上拔對鋼管下部土體產(chǎn)生嚴(yán)重擾動,導(dǎo)致鋼管端部附近土體松動,樁側(cè)摩阻力下降導(dǎo)致鋼管下沉。

在原先方案思路基礎(chǔ)上,考慮采用鋼板樁圍堰結(jié)合高壓旋噴樁加固處理。在突涌點周圍打設(shè)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(shè)備緊缺,鋼板樁只能施工15 m,方案考慮內(nèi)外設(shè)置兩排鋼板樁,內(nèi)排鋼板樁頂標(biāo)高設(shè)在開挖面以上500 mm,外排鋼板樁考慮自身穩(wěn)定性,頂標(biāo)高在開挖面以上6.55 m,并在鋼板樁中間設(shè)置400H型鋼圍檁,在頂部設(shè)置18#工字鋼圍檁,同時在鋼板樁外側(cè)進(jìn)行土體反壓以確保鋼板樁穩(wěn)定,剖面示意見圖6。

圖6 鋼板樁圍堰結(jié)合高壓旋噴樁加固處理剖面示意

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

鋼板樁土方回填區(qū)域抗突涌穩(wěn)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(guī)范要求。

該方法使用時須注意的內(nèi)容：1)管涌發(fā)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(qū),造成后續(xù)高壓旋噴樁施工障礙;2)高噴施工時側(cè)壓力很大,故鋼板樁加固要穩(wěn)固、牢靠,否則會導(dǎo)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(qiáng)劑等添加劑,以便盡快加強(qiáng)強(qiáng)度；4)高噴施工順序為從四周往中間,減少對鋼板樁的影響?，F(xiàn)場施工情況見圖7。

圖7 鋼板樁圍堰結(jié)合高壓旋噴樁加固現(xiàn)場

5 后續(xù)基礎(chǔ)施工

后續(xù)施工主要采取分區(qū)分塊原則。等突涌處加固處理完畢后,先施工突涌區(qū)域周邊基礎(chǔ),與其他區(qū)域之間增設(shè)施工縫。等周邊基礎(chǔ)底板施工完畢后,再施工突涌區(qū)域基礎(chǔ)。為節(jié)省造價,先拔除外側(cè)鋼板樁,內(nèi)側(cè)鋼板樁高出基礎(chǔ)部分進(jìn)行切割處理,入土部分保留土中,現(xiàn)場情況見圖8。由于不確定是否會在拔樁位置產(chǎn)生意外突涌,事先各方要準(zhǔn)備好應(yīng)急措施。在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)旋噴樁止水效果挺好,沒有產(chǎn)生二次突涌。目前地下室頂板已施工完畢,側(cè)壁與支護(hù)樁間已回填完畢。

圖8 鋼板樁拔除現(xiàn)場

6 支護(hù)結(jié)構(gòu)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(wěn)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(yīng)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(xiàn)“先大后小”的趨勢。高壓旋噴樁由于注漿壓力較大,對周邊環(huán)境存在一定的影響；鋼板樁拔除期間由于未進(jìn)行有效的空隙填充對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形影響最大,拔除一段時間后變形才趨于穩(wěn)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(yīng)處理措施影響的支護(hù)樁外側(cè)深層土體位移期間增加量占處理結(jié)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(jié) 語

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

1)坑底土體抗突涌不滿足現(xiàn)行規(guī)范《JGJ 120—2012》的抗突涌穩(wěn)定性安全系數(shù)時,可以通過坑底土體加固,采用浙江省工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程(DB33/T 1096—2014)》規(guī)范進(jìn)行計算。

2)坑底深層承壓水發(fā)生突涌現(xiàn)象時,可以采取鋼管或鋼板樁進(jìn)行水力平衡,然后采取注漿加固進(jìn)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(jié)合高壓旋噴樁加固處理適用于絕大部分管涌情況,無需準(zhǔn)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(wěn)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(hù)結(jié)構(gòu)變形存在較大的不利影響。

5)臨近坑邊的突涌現(xiàn)象對支護(hù)結(jié)構(gòu)變形存在較大影響,如不及時處理,風(fēng)險會急劇增大。