湯建銘，王 鈺

( 1. 中鐵廣州工程局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511459； 2. 南京達(dá)西巖土工程有限公司，江蘇 南京 210000)

0 引言

近年來，隨著國(guó)家不斷加強(qiáng)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大跨度的高鐵、公路橋梁不斷出現(xiàn)[1]，跨江、跨海橋梁日益增多，深大橋梁承臺(tái)也越來越多[2]。對(duì)于基底下伏承壓含水層的承臺(tái)基坑，隨著開挖深度不斷增加，承壓含水層頂板到坑底之間的距離不斷減小，若殘留土重?zé)o法與承壓含水層頂托力平衡，坑底就會(huì)發(fā)生突涌[3]，威脅基坑安全。

為防止突涌發(fā)生，常見的承壓水處理措施有隔水、降水、封底加固等[4-5]。在橋梁工程領(lǐng)域，對(duì)于承臺(tái)基坑的承壓水問題認(rèn)識(shí)往往不到位，突涌風(fēng)險(xiǎn)源存在于勘察、設(shè)計(jì)、施工各階段[6]。勘察階段，主要的風(fēng)險(xiǎn)源有未查明或未指出基底下部存在承壓含水層[7]，未觀測(cè)承壓水位等。設(shè)計(jì)階段，主要的風(fēng)險(xiǎn)源有不進(jìn)行基底抗突涌驗(yàn)算[8]，不布置降壓井或僅依賴經(jīng)驗(yàn)布置降壓井等；過于信賴圍護(hù)結(jié)構(gòu)、封底加固等的施工質(zhì)量，設(shè)計(jì)安全系數(shù)不足等。施工階段，若未采取降水措施，圍護(hù)結(jié)構(gòu)、封底加固施工質(zhì)量欠佳[9]，或沒有做好承壓水位控制等，往往易發(fā)生突涌事故。

本文中工程為珠江上一特大橋，大橋主墩承臺(tái)基坑采用鎖口鋼管樁圍堰圍護(hù)，水下開挖并采用3 m厚水下混凝土封底。水下開挖過程中理論上可以保持基坑內(nèi)、外水壓力的平衡，防止突涌產(chǎn)生；同時(shí)有助于降低圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)壓力、保證基坑穩(wěn)定[10]，但是封底結(jié)束圍堰抽水完成后，封底混凝土承受巨大的承壓水頂托力。設(shè)計(jì)階段未針對(duì)封底混凝土進(jìn)行抗突涌驗(yàn)算，為基坑安全埋下了重大隱患；施工階段局部混凝土封底質(zhì)量欠佳，存在局部受力不均衡。該基坑封底施工完成后進(jìn)行圍堰內(nèi)排水時(shí)，下部承壓水擊穿了封底混凝土薄弱處，造成了基底突涌事故。

在原設(shè)計(jì)方案失效后，引入降水措施，在圍堰外設(shè)計(jì)施工降水井，降低承壓水位至封底頂面以下，成功處理了該事故。

1 工程概況

1.1 設(shè)計(jì)概況

大橋主墩位于珠江中，承臺(tái)尺寸為40 m×26 m×6 m，承臺(tái)底標(biāo)高-11.419 m，頂標(biāo)高-5.419 m，開挖深度為9 m(自河床線算起)。主墩承臺(tái)施工采用鋼管鎖口圍堰，鋼管樁及鎖口材質(zhì)均為Q345。圍堰頂設(shè)計(jì)標(biāo)高:+3.5 m，圍堰底標(biāo)高-26.5 m，鎖口鋼管長(zhǎng)度為30 m。圍堰內(nèi)設(shè)置3道鋼管內(nèi)支撐。承臺(tái)底部設(shè)置3 m厚C30封底混凝土。詳見圖1。

圖1主墩圍堰

承臺(tái)原設(shè)計(jì)施工步驟為：施工主墩樁基礎(chǔ)→插打鎖口圍堰→抽水至第一道內(nèi)支撐往下100 cm處，安裝第一道支撐→往圍堰里邊補(bǔ)水至第一道內(nèi)支撐標(biāo)高→不排水開挖至封底混凝土底標(biāo)高→澆筑3 m厚封底混凝土→抽水至第二道內(nèi)支撐處安裝第二道內(nèi)支撐→抽水至第三道內(nèi)支撐處安裝第三道內(nèi)支撐→抽水至封底混凝土頂標(biāo)高→進(jìn)行承臺(tái)及塔座施工。

1.2 工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件

大橋主墩位于珠江中，江水設(shè)計(jì)水位標(biāo)高約為+2.5 m，河床標(biāo)高-2.419 m。地層從上到下依次為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、砂層、花崗片麻巖風(fēng)化層，見圖2。

孔隙承壓水賦存于砂層中，砂層厚度約為24 m，上覆淤泥、淤泥質(zhì)粘土和下伏基巖風(fēng)化層屬于相對(duì)隔水層，勘察報(bào)告提供的砂層平均滲透系數(shù)約為12 m/d。施工期間通過降水井測(cè)得承壓水初始水位標(biāo)高約為-1.25～-0.7 m，因潮汐而不斷波動(dòng)，說明承壓水與江水具有密切水力聯(lián)系。

圖2 主墩基坑地層分布

1.3 事故發(fā)生經(jīng)過

圍堰封底完成后，依次抽水至第二、三道支撐以下安裝第二、三道支撐。在第三道內(nèi)支撐安裝完成后，于2018年3月9日夜班開始進(jìn)行圍堰內(nèi)抽水，3月10日基底露出后巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)圍堰底大里程上游側(cè)2號(hào)與3號(hào)鎖口鋼管樁之間出現(xiàn)突涌，現(xiàn)場(chǎng)立即組織人員查看，并向圍堰內(nèi)回灌水以保持基底處于靜水狀態(tài)。

3月11日潛水工對(duì)突涌位置進(jìn)行集中清理，3月13日孔洞清理完成，3月14日對(duì)孔洞位置進(jìn)行拔球封底。拔球封底后對(duì)突涌位置利用水泥漿-水玻璃雙液漿進(jìn)行加固，3月23日加固完成，16：00開始抽水作業(yè)，3月24日8:00抽水到位，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行摸查，發(fā)現(xiàn)8-9號(hào)樁基之間又發(fā)生突涌，立即再次向圍堰內(nèi)回灌水(見圖3)。

圖3 突涌發(fā)生后圍堰內(nèi)回灌水

2 降水處理方案比選

突涌事故反復(fù)發(fā)生的本質(zhì)原因是承壓水位過高，擊穿了上部相對(duì)隔水層和封底混凝土薄弱處，故本次事故處理的關(guān)鍵是將承壓水位降到封底混凝土頂標(biāo)高以下0.5 m(-11.9 m)。

考慮到圍堰進(jìn)入承壓含水層頂部，對(duì)承壓水基本無阻隔作用[11]，降低承壓水位有兩種方案。方案一是圍堰內(nèi)降水，即重新施工深圍堰，圍堰底部進(jìn)入承壓含水層下部的基巖風(fēng)化層中，將承壓水完全隔斷后，在圍堰內(nèi)施工降水井進(jìn)行降水。該方案優(yōu)點(diǎn)為抽水量小、降水難度低，缺點(diǎn)為工期長(zhǎng)、費(fèi)用高。

方案二是在圍堰外降水，通過不間斷抽取一定的基坑總涌水量，將承壓水位始終控制在封底頂面以下，相對(duì)于方案一工期短、費(fèi)用低。但是該方案受到多數(shù)專家質(zhì)疑：在珠江里降水，承壓水與珠江水是連通的，似乎很難將水位降到封底頂面以下；且尚無成功在珠江內(nèi)降江底承壓水的先例。

結(jié)合勘察資料，擬建場(chǎng)地穩(wěn)定分布有淤泥、淤泥質(zhì)粘土層，為相對(duì)隔水層，隔斷了江水和承壓含水層，承壓含水層不能直接獲得江水的垂直補(bǔ)給，僅在局部區(qū)域可能會(huì)有水文地質(zhì)天窗存在。圍堰外降水在水文地質(zhì)原理上是可行的。經(jīng)比選，認(rèn)為方案二較優(yōu)，采用圍堰外降水的方式處理事故。

3 抽水試驗(yàn)

為測(cè)定初始承壓水位，復(fù)核水文地質(zhì)參數(shù)，先施工2口降水井進(jìn)行簡(jiǎn)易抽水試驗(yàn)。降水井的深度為41 m。具體井結(jié)構(gòu)如下：鉆孔泥孔徑600 mm，井管采用管徑325 mm、壁厚4 mm鋼管，濾管為同規(guī)格橋式濾水管，外包60目錦綸濾網(wǎng)，濾料為中粗砂，回填至濾管頂部1 m，其上采用粘土回填固井，見圖4。

圖4 降水井結(jié)構(gòu)

3.1 試驗(yàn)過程

施工2口降水井后，進(jìn)行了單井抽水試驗(yàn)。試驗(yàn)前6 h進(jìn)行靜水位觀測(cè)，水位受潮汐影響不斷波動(dòng)，初始水位標(biāo)高約為-1.25～-0.7 m，說明承壓水與江水水力聯(lián)系密切。4月2日17：00開始抽水，抽水井與觀測(cè)井相距約30 m，抽水2 h后觀測(cè)井水位降深分別約為1.2、0.35 m，見表1。抽水井水泵功率為7.5 kW，額定流量960 m3/d。

表1 抽水?dāng)?shù)據(jù)一覽

3.2 參數(shù)計(jì)算

從抽水持續(xù)2 h的數(shù)據(jù)看，其受潮汐影響可以忽略不計(jì)。因此選取其中2 h的抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別根據(jù)承壓水非完整井有一個(gè)觀測(cè)井的公式(1)[12]和無觀測(cè)井的公式(2)[13]計(jì)算滲透系數(shù)K。

(1)

(2)

式中：K——滲透系數(shù)，m/d；Q——總抽水量，m3/d；M——承壓含水層厚度，m；rw、r1——分別為抽水井半徑、抽水井與觀測(cè)井距離；ξ0、ξ1——分別為在抽水井壁、觀測(cè)井處，穩(wěn)定流非完整井補(bǔ)充水流阻力，通過查表確定；sw、s1——分別為抽水井、觀測(cè)井水位降深，m；R——影響半徑，m，反映外界對(duì)含水層的補(bǔ)給能力，承壓水與江水水力聯(lián)系密切，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取為300 m；l——有效過濾器長(zhǎng)度，m。

滲透系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2、表3，兩種方法計(jì)算得出含水層滲透系數(shù)為60.93～61.80 m/d，遠(yuǎn)大于勘察報(bào)告中提供的12 m/d，反映出地層透水性強(qiáng)。

表2 利用公式(1)計(jì)算滲透系數(shù)結(jié)果

表3 利用公式(2)計(jì)算滲透系數(shù)結(jié)果

4 降水設(shè)計(jì)與施工

4.1 降水方案設(shè)計(jì)

4.1.1 涌水量計(jì)算

圍堰外降水屬于敞開式降水，采用承壓含水層非完整井公式估算基坑總涌水量[14]：

(3)

根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，滲透系數(shù)K取62 m/d，代入公式(3)計(jì)算出基坑總涌水量Q′=39025 m3/d。

4.1.2 單井出水量

抽水試驗(yàn)采用7.5 kW水泵，額定流量960 m3/d，水泵抽水動(dòng)水位降深僅為1.2 m，含水層水量十分豐富。正式降水時(shí)水泵配置以37 kW(額定流量4800 m3/d)為主。按Q-s關(guān)系推知單井水量完全可以達(dá)到其額定流量。

4.1.3 降水井?dāng)?shù)量及結(jié)構(gòu)

降水井?dāng)?shù)量可按公式(4)進(jìn)行計(jì)算：

n=λQ′/q

(4)

式中：n——降水井?dāng)?shù)量，口；q——單井出水量，4800 m3/d；λ——安全備用系數(shù)；其它同前。

由于受潮汐的影響，試驗(yàn)參數(shù)可能存在一定誤差，加上地層的不確定性，安全備用系數(shù)λ取為1.5。經(jīng)過計(jì)算，共需布置15口降水井，平面布置見圖5。降水井結(jié)構(gòu)與抽水試驗(yàn)井結(jié)構(gòu)相同，井深均為41 m。

圖5 降水井平面布置

4.2 降水井施工技術(shù)

圍堰位置原為鉆孔樁施工鋼平臺(tái)，外部插打較多?630、820 mm鋼管樁，降水井布置在鋼管樁內(nèi)，鋼管樁用作鉆進(jìn)時(shí)護(hù)筒。

降水井施工采用反循環(huán)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)成孔工藝，主要的工藝流程為：

(1)鉆進(jìn)成孔：成孔直徑600 mm，鉆孔傾斜度≯1°。鉆進(jìn)過程中，泥漿密度控制在1.10～1.15 kg/L。

(2)清孔換漿：鉆孔到設(shè)計(jì)深度后清孔換漿，把泥漿密度調(diào)整到1.05 kg/L左右。

(3)下井管：采用懸吊下管法，井管底部焊接鋼板封堵牢靠，井管與井管之間焊接牢固。為保證井管居中、填砂均勻，井管外焊接扶正器。

(4)投濾料、止水固井：井管下好后，立即沿井壁四周均勻填入濾料，隨填隨測(cè)直至濾料層頂高于濾管頂部1 m。濾料以上回填粘土止水、固井。

(5)洗井試抽：濾料回填后，用潛水泵洗井，直至水清無砂為止。

5 事故處理過程與效果

5.1 降水運(yùn)行過程

降水方案設(shè)計(jì)確定后，4月4日開始降水井施工。施工過程中，邊成井邊進(jìn)行水泵安裝、管路排設(shè)等工作。12口降水井安裝37 kW水泵，單井抽水量4800 m3/d，降水井總抽水能力達(dá)到57600 m3/d，5、13、15號(hào)降水井預(yù)留為觀測(cè)井。4月18日15口降水井全部施工完成，4月21日水泵安裝完成。

4月22日7:00開始正式抽水。抽水前測(cè)得初始水位約為-1.0 m，開啟2、3、4、6、8、10、12、14號(hào)共8口降水井，總抽水量約38400 m3/d，抽水2 h后，9:00測(cè)得5、13、15號(hào)觀測(cè)井水位降至-12.5～-12.9 m，之后水位較為穩(wěn)定，上下波動(dòng)不超過±0.8 m。

抽水后水位降至封底頂面(標(biāo)高-11.4 m)以下，且實(shí)際抽水量與計(jì)算涌水量較為接近，證明降水措施是成功的。

5.2 二次封底

降水井施工期間，在圍堰內(nèi)回灌水至靜水狀態(tài)的條件下，采用了如下處理措施：組織潛水工對(duì)管樁底部摸排確認(rèn)，利用射吸泵對(duì)突涌位置進(jìn)行鑿除、吸泥處理，處理到位后對(duì)管壁再次清洗，然后二次澆筑水下自流平封底混凝土。

5.3 雙液漿加固

為防止其它部位再次發(fā)生突涌，二次封底后對(duì)封底混凝土厚度可能薄弱位置進(jìn)行取心驗(yàn)證。經(jīng)整體排查，部分位置封底混凝土厚度未達(dá)到3 m，對(duì)其進(jìn)行鉆孔壓雙液漿加固處理，加固范圍為設(shè)計(jì)封底混凝土底以下1 m深度范圍內(nèi)。

5.4 處理效果

封底混凝土處理完成后，在控制承壓水位低于封底頂面的條件下，進(jìn)行了圍堰內(nèi)排水，基底穩(wěn)定，沒有發(fā)生新的事故，見圖6、圖7。后期承臺(tái)澆筑過程中，始終保持承壓水位低于作業(yè)面，順利完成了承臺(tái)施工。

圖6 承壓水位降至封底頂面以下后圍堰內(nèi)排水

圖7 圍堰內(nèi)排水完成

6 結(jié)語

承臺(tái)基坑發(fā)生突涌事故后，通過在圍堰外設(shè)計(jì)施工降水井，降低承壓水位至封底混凝土頂面以下，成功處理了事故。結(jié)合該工程和已有工程實(shí)例[15]，水中降承壓水可以取得較好效果，降水是保證承臺(tái)基坑安全的重要手段之一。

經(jīng)過本次事故的處理，取得了如下體會(huì)。

(1)橋梁工程領(lǐng)域中，對(duì)承壓水的處理不當(dāng)可能會(huì)引起承臺(tái)基坑突涌。對(duì)于基底下伏承壓含水層的承臺(tái)基坑，尤其是基底下存在透水性強(qiáng)、厚度大、與地表水存在水力聯(lián)系的承壓含水層的深基坑，勘察階段應(yīng)明確承壓水的存在；設(shè)計(jì)階段應(yīng)進(jìn)行基底抗突涌驗(yàn)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果綜合應(yīng)用隔水、降水、封底加固等措施。

(2)結(jié)合大量工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，實(shí)際施工過程中，圍堰等隔水措施往往不能做到完全隔水，封底加固也易存在薄弱位置。降水可以從根本上解決水壓力的問題，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮采用降水措施，施工階段也應(yīng)嚴(yán)格把控施工質(zhì)量。

(3)做好降水專項(xiàng)方案設(shè)計(jì)，保證降水井的施工質(zhì)量，降水運(yùn)行過程中控制承壓水位滿足設(shè)計(jì)要求，是保證降水措施成功，進(jìn)而保證基坑安全的關(guān)鍵。