李小平

中鐵四局二公司 江蘇 蘇州 215131

近年來(lái)隨著城市地下空間開(kāi)發(fā)進(jìn)程加快，地下基坑的面積和埋深越來(lái)越大，在富水軟土地區(qū)的深基坑工程施工中，隨著基坑開(kāi)挖深度越來(lái)越深，承壓水帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)也越來(lái)越大，基坑突涌是一種常見(jiàn)的且破壞極大的事故[1-2]。為此，從根本上提高深基坑施工過(guò)程中對(duì)承壓水危害的認(rèn)識(shí)和技術(shù)管理水平，不斷完善設(shè)計(jì)和施工工藝工法，提前防控，才能最大限度的減少安全事故和經(jīng)濟(jì)損失。

本文基于事故快速處置實(shí)踐，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]，并且從優(yōu)化設(shè)計(jì)、施工調(diào)查、應(yīng)急管理、降承壓水、突發(fā)事件的應(yīng)急等方面提出了深基坑承壓水危害防控建議。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

某城際鐵路工程車站為地下三層站，主體基坑建筑面積約為30375㎡，西側(cè)1#基坑為預(yù)留始發(fā)井，最大開(kāi)挖深度30m，采用明挖法施工。主體基坑施工受橋梁拆復(fù)建、河道改移及鄰近的地鐵運(yùn)營(yíng)線保護(hù)影響，基坑縱向設(shè)計(jì)三道中間分隔墻，分為4個(gè)小基坑組織施工。

1.2 施工環(huán)境

車站主體基坑?xùn)|側(cè)臨近已運(yùn)營(yíng)的地鐵線，距離地鐵車站最近31m，距離地鐵隧道區(qū)間最近43.5m；北側(cè)大里程臨近已建成的地下停車場(chǎng)，距離2.5m；北側(cè)小里程為人工湖；南側(cè)為已運(yùn)營(yíng)高鐵，距離站房約140m。

1.3 水文地質(zhì)

圖1 典型地質(zhì)剖面圖

基坑開(kāi)挖范圍內(nèi)地層以透水性較強(qiáng)的粘質(zhì)粉土、粉砂土為主，基底位于（5）4粉砂土中，地下孔隙承壓水主要賦存于約地面55m以下的⑨3粉砂、⑨4圓礫（礫砂）層中。根據(jù)勘察報(bào)告，（5）4粉砂土與⑨3粉砂土之間的⑦層粉質(zhì)黏土（夾粉土）、⑧3粉質(zhì)黏土構(gòu)成相對(duì)隔水層。潛水位地面以下0.5m，承壓水位地面以下6m[3]。

1.4 設(shè)計(jì)概況

基坑采用1.0m厚地下連續(xù)墻+7道內(nèi)支撐(端頭井8道）的圍護(hù)方案。地連墻深52-56m不等，墻趾位于8（3）粉質(zhì)黏土層（不透水層底部），地連墻插入比約1:0.92，未隔斷下部承壓水（如隔斷承壓水，需增加投資約5000萬(wàn)）?；雇挥肯禂?shù)為1.06～1.13，設(shè)計(jì)方案在西側(cè)1#基坑外設(shè)置了8口減壓降水井，待基坑開(kāi)挖至距坑底2m時(shí)啟動(dòng)坑外減壓降水。

1.5 基坑開(kāi)挖面突涌概況

車站1#基坑開(kāi)挖至22.5m時(shí)（距設(shè)計(jì)坑底約4.5m，準(zhǔn)備架設(shè)第六層鋼支撐），開(kāi)挖面突發(fā)涌水，水流渾濁并伴有粉細(xì)砂顆粒，涌水孔徑約10cm，現(xiàn)場(chǎng)采取棉絮堵孔和砂袋反壓應(yīng)急處理，但涌水量未見(jiàn)明顯減小。當(dāng)晚18:50左右，距第1處涌水孔西側(cè)約22m處出現(xiàn)第2處涌水孔道，孔徑約20cm，明顯有圓礫石伴隨涌出，現(xiàn)場(chǎng)就近利用挖機(jī)插入降水井鋼管，但涌水量越來(lái)越大，且涌水后15分鐘，水頭已上升約1.5m高，超過(guò)插入的井管，隨后采用了棉絮塞堵、集中砂袋反壓，但基本無(wú)效果，且涌水量未見(jiàn)減小。

圖2 基坑突涌部位開(kāi)挖斷面示意圖

1.6 應(yīng)急處置情況

基坑突涌后，項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采取應(yīng)急處置措施。一是為防止承壓水頂托力的作用加劇對(duì)地層的破壞，從而影響圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全，立即采取泵送砼對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行反壓；二是為平衡基坑內(nèi)外壓力，就近河道抽水回灌基坑，確保支護(hù)體系的穩(wěn)定；三是增加基坑監(jiān)測(cè)頻次并密切關(guān)注監(jiān)控量測(cè)結(jié)果。

通過(guò)混凝土反壓、回灌水及水位監(jiān)測(cè)，最終基坑內(nèi)水位穩(wěn)定在第五層砼支撐處（水位上漲約7m），基坑各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定，初步判定基坑涌水已停止，應(yīng)急處置得當(dāng)。

1.7 承壓水突涌原因分析

在現(xiàn)行的基坑規(guī)范或手冊(cè)里，都采用壓力平衡法計(jì)算基坑坑底抗?jié)B流穩(wěn)定性[4]。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[1]：

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；hw為承壓水水頭高度；γw為水的重度。

根據(jù)第2處涌水孔道伴有砂礫石的現(xiàn)象，結(jié)合地勘資料，可以判斷涌水來(lái)源于地面以下62m處9（4）圓礫土層中的承壓水。根據(jù)基坑突涌時(shí)開(kāi)挖深度，結(jié)合地層資料，計(jì)算開(kāi)挖面突涌穩(wěn)定安全系數(shù)為1.26，滿足Kh≥1.1要求，理論上不應(yīng)該出現(xiàn)突涌。根據(jù)專家會(huì)審意見(jiàn)，一是疑似承壓水層上部的相對(duì)隔水層分布不連續(xù)，存在局部薄弱點(diǎn)被主動(dòng)擊穿；二是承壓水位高于地表（開(kāi)挖面）時(shí)，可以沿天然或人工開(kāi)鑿的通道溢出地表，也是常被稱作為自流水的原因。

2 深基坑承壓水突涌快速處置

深基坑承壓水突涌直接影響工程的安全與進(jìn)度，同時(shí)由于基坑周邊重要建筑物較多，鄰近運(yùn)營(yíng)高鐵站、地鐵站，人流量大，且臨近湖泊，若不快速處置，有可能引起次生災(zāi)害。

通過(guò)分析基坑承壓水突涌的原因，結(jié)合當(dāng)?shù)仡愃瓢咐奶幚砑案鞣綄＜医M處置方案研討意見(jiàn)，本次深基坑承壓水危害的快速處置總體分為七步：

第一步：封堵涌水孔，在涌水孔相對(duì)隔水層內(nèi)注漿封孔；

第二步：降承壓水，降深至地面以下22.5m（驗(yàn)證封堵效果或是否有其它涌水孔）；

第三步：坑內(nèi)明水抽排；

第四步：增加疏干井，坑內(nèi)土層疏干；

第五步：土方開(kāi)挖并做好應(yīng)急措施；

第六步：開(kāi)挖見(jiàn)底后，承壓水抗突涌和封孔情況驗(yàn)證，為后續(xù)基坑優(yōu)化提供參考；

第七步：施做主體結(jié)構(gòu)底板。

2.1 涌水孔注漿封堵

當(dāng)水位平衡后,采取雙液漿對(duì)涌水孔道處（8）-3承壓水隔水層穿孔區(qū)進(jìn)行注漿加固，封堵出水點(diǎn)。封堵注漿深度為進(jìn)入（8）-3粉質(zhì)黏土層2m，總下鉆深度自基坑第五道支撐梁頂起算約32m，每個(gè)涌水孔處計(jì)劃布置5個(gè)注漿孔。本次封孔注漿作業(yè)要求僅在7層土和8層土中注漿。

隔水層封孔達(dá)到強(qiáng)度期間，坑內(nèi)承壓水水位盡量保持平穩(wěn)，防止?jié){液流失。封孔注漿24小時(shí)后，逐步抽排基坑明水，觀察并分析水位變化情況。

圖3 封孔注漿方案設(shè)計(jì)

2.2 降承壓水設(shè)計(jì)

降水井布置：根據(jù)軟件模擬計(jì)算，在涌水基坑外設(shè)置20口減壓井，深度60m，插入承壓水層。降水前沿基坑縱向及南側(cè)既有高鐵站附近共布置4口觀測(cè)井。

降水試驗(yàn)?zāi)康模?/p>

（1）本次降水試驗(yàn)主要針對(duì)下部（9）3-1細(xì)砂及（9）4圓礫承壓含水層。

（2）驗(yàn)證群井降深能力是否滿足要求。

（3）根據(jù)群井試驗(yàn)提出合理的單井出水量建議值。

（4）通過(guò)抽水試驗(yàn)停止后的水位恢復(fù)試驗(yàn)，了解承壓水水位恢復(fù)特征。

（5）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，復(fù)核場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)，并結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析計(jì)算降水影響范圍、降水影響沉降等值線，為后續(xù)三個(gè)基坑施工提供參考依據(jù)，以保證基坑工程施工與周邊環(huán)境的安全。

正式降水要求：

（1）施工期間根據(jù)承壓水的水位、設(shè)計(jì)降深等因素綜合考慮降水，在滿足設(shè)計(jì)降深的前提下，盡量少抽水，按照備用井原則布井，做到按需降水原則。降水維持過(guò)程中，根據(jù)基坑開(kāi)挖及底板施工進(jìn)度，合理調(diào)整抽水井開(kāi)啟數(shù)量：可采用局部施工地段集中開(kāi)啟部分降水井，而適當(dāng)關(guān)閉其它區(qū)域部分降水井，作為觀測(cè)井，具體開(kāi)啟數(shù)量以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)水位降深加以控制調(diào)整。

（2）基坑開(kāi)挖到底后，調(diào)整降水井的開(kāi)啟，使得承壓水水位維持在坑底以下lm，盡快澆筑墊層和底板。

（3）底板達(dá)到強(qiáng)度后，如果證明封孔良好且無(wú)其它穿孔區(qū)，可以逐步關(guān)停降水井。

（4）如果封孔質(zhì)量不能保證或者存在其它穿孔區(qū)，承壓水水位維持在坑底以下1m需一直持續(xù)到結(jié)構(gòu)回筑且覆土回填完成整個(gè)過(guò)程中，以防止結(jié)構(gòu)抗浮失穩(wěn)和承壓水倒灌。

2.3 承壓水處置效果

（1）本次減壓降水開(kāi)在啟涌水基坑北側(cè)2口、西側(cè)1口及南側(cè)1口降水井后，即可將承壓水位降至28m，滿足施工要求。

（2）基坑降承壓水期間為保證運(yùn)營(yíng)高鐵車站及線路的安全，必須確保高鐵線路沿線承壓水位穩(wěn)定，通過(guò)優(yōu)化降水設(shè)計(jì)，在高鐵周邊布設(shè)2口回灌井（最終未啟用）和2口觀測(cè)井，形成軟帷幕。

（3）降水期間除基坑本身的監(jiān)測(cè)外，應(yīng)加強(qiáng)高鐵橋墩、站房立柱監(jiān)測(cè)。在整個(gè)承壓水危害處置期間，高鐵橋墩及站房結(jié)構(gòu)日變量均未超出報(bào)警值，高鐵橋墩累計(jì)最大沉降量1.5mm，未超報(bào)警值，橋墩沉降及站房立柱沉降控制在允許范圍內(nèi)。

（4）現(xiàn)場(chǎng)按照經(jīng)專家評(píng)審的專項(xiàng)方案組織施工，在1#基坑開(kāi)挖見(jiàn)底的同時(shí)進(jìn)行承壓水抗突涌和封孔情況驗(yàn)證。根據(jù)基底驗(yàn)收期間的承壓水水位觀測(cè)結(jié)果，封孔注漿效果良好，本次1#基坑突涌應(yīng)是承壓水層擊穿局部薄弱隔水層造成。

（5）由于地勘孔間距較大，(8) 3粉質(zhì)黏土隔水層局部起伏較大，有可能在局部出現(xiàn)隔水層薄弱的情況。鑒于1#基坑承壓水突涌事件，為了提高安全性，設(shè)計(jì)單位對(duì)后續(xù)2#、3#、4#基坑進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在2#、3#基坑外側(cè)布置12口減壓井。一方面可以在開(kāi)挖過(guò)程中，適當(dāng)降低承壓水頭，提高基坑安全性，另一方面可以在基坑出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)及時(shí)降水，保證基坑安全。

（6）完成涌水孔封堵、降水、疏干等工作后，自2019年1月5日開(kāi)始正式土方開(kāi)挖，各工序節(jié)點(diǎn)能按照既定目標(biāo)完成。從基坑承壓水突涌險(xiǎn)情發(fā)生以來(lái)，歷時(shí)42天，截至2019年1月27日，車站1#基坑底板全部完成，承壓水安全隱患順利消除。

（7）此次深基坑承壓水危害處置過(guò)程中，為快速施工底板結(jié)構(gòu)梁鋼筋，從而縮短底板施工周期，研發(fā)了結(jié)構(gòu)梁鋼筋模塊化預(yù)制胎架，總結(jié)了“深基坑結(jié)構(gòu)梁鋼筋模塊化快速施工技術(shù)”，獲2020年安徽省QC成果一等獎(jiǎng)；2020年江蘇省工法；獲授權(quán)發(fā)明專利1項(xiàng)，實(shí)用新型專利1項(xiàng)。

（8）深基坑承壓水突涌事故處置完成后，建設(shè)單位組織各參建單位及行業(yè)內(nèi)專家召開(kāi)專題總結(jié)會(huì)，各方一致認(rèn)為本次基坑承壓水突涌事故，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處治措施合理得當(dāng)、及時(shí)有效，消除了隱患，并對(duì)后續(xù)基坑施工提出建議。

3 基坑承壓水危害的防控建議

基于車站深基坑承壓水突涌事故處置實(shí)踐，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，對(duì)深基坑承壓水危害防控提出幾點(diǎn)建議：

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)

應(yīng)高度重視承壓水深基坑突涌問(wèn)題，了解基坑突涌發(fā)生機(jī)理，從“隔水”、“降壓”、“封底”技術(shù)路徑防治突涌事故[1]。在條件允許的情況下盡可能的使止水帷幕隔斷下部承壓水并慎重降水，確需降水的必須委托有專業(yè)資質(zhì)的專業(yè)班組。

（2）施工調(diào)查

應(yīng)詳細(xì)核查場(chǎng)區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)資料，有疑義時(shí)主動(dòng)進(jìn)行坑外補(bǔ)勘，并仔細(xì)排查坑內(nèi)鉆孔，收集周邊建筑物的基礎(chǔ)資料。

（3）應(yīng)急管理

備足應(yīng)急物資，按最不利的情況考慮，強(qiáng)化應(yīng)急降水井的日常管理，加強(qiáng)突發(fā)情況的應(yīng)急演練。重視前期技術(shù)管理，嚴(yán)格管控圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工期間各工序質(zhì)量及降水井維護(hù)。

（4）降承壓水

降水范圍易小不易大、時(shí)間易短不易長(zhǎng)、易淺不易深，做到按需降水。

（5）突發(fā)事件的應(yīng)急處置

面對(duì)突發(fā)事件，要嚴(yán)判風(fēng)險(xiǎn)、正確應(yīng)對(duì)、做到處危而能避，同時(shí)大膽創(chuàng)新，敢于嘗試。應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況選用不同的突涌治理組合技術(shù)，治理過(guò)程應(yīng)遵循科學(xué)快速原則，可達(dá)到經(jīng)濟(jì)、安全的效果[1]。