高水頭軟弱富水地層懸掛式基坑水平封底缺陷

趙亞軍 蘇東黎 劉 偉 高云飛 趙保森

中建一局集團(tuán)第五建筑有限公司 北京 100024

1 研究背景

福州市某建筑群高承壓富水砂層深基坑施工過程中，因基底含水層厚度大（達(dá)49～52 m），若采用落底式的地下連續(xù)墻造價(jià)將超出概算指標(biāo)。在這種情況下，為了解決降水對(duì)基坑外建（構(gòu)）筑物沉降的影響，采用懸掛式基坑與水平封底方法形成一個(gè)封閉的空間，達(dá)到隔斷地下水的目的。在工期緊、封底水泥樁量大、人為重復(fù)作業(yè)的情況下，旋噴樁施工出現(xiàn)差錯(cuò)的概率增大，所以針對(duì)水平封底出現(xiàn)缺陷后，預(yù)防和解決基底突涌是施工面臨的一個(gè)重要課題。

目前，國內(nèi)學(xué)者研究成果主要針對(duì)富水地層深層超高壓旋噴樁成樁效果[1]和懸掛式基坑水平封底隔滲帷幕設(shè)計(jì)和實(shí)踐的研究[2]，但是對(duì)于基坑水平封底出現(xiàn)缺陷預(yù)防和解決方案的研究幾乎沒有[3-9]。

本文以緊鄰居民樓富水軟弱地層的深基坑為研究對(duì)象，分析介紹水平封底缺陷出現(xiàn)后，針對(duì)基底突涌的預(yù)防和解決方案。

2 工程概況

本工程位于福州市，某地鐵車站基坑面積4 882.76 m2，基坑深19 m，采用懸掛式止水帷幕，豎向地下連續(xù)墻＋深層三重管超高壓旋噴樁水平封底，封底形式為滿堂加固（圖1）。

圖1 車站水平封底平面示意

三重管超高壓旋噴樁鉆深35～40 m，厚度4 m，加固地層為粉細(xì)砂層，設(shè)計(jì)樁徑1 100 mm，樁中心距750 mm，樁間搭接350 mm（圖2），共計(jì)10 258根樁，采用8臺(tái)XP-30高壓旋噴樁機(jī)施工。

圖2 超高壓三重管旋噴樁大樣

基坑距離光明港河350 m，旋噴鉆孔深度內(nèi)土層主要為①1雜填土、②4-1淤泥、②4-6含泥中細(xì)砂、③1粉質(zhì)黏土、③2粉細(xì)砂層，水平封底位于粉細(xì)砂層，各土層的物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)

基底以下為強(qiáng)透水砂層，滲透系數(shù)25 m/d，并與光明港河水利聯(lián)系緊密，承壓水水位埋深在地表以下3 m，設(shè)計(jì)在基底以下18 m的標(biāo)高整體設(shè)置1道厚4 m的超高壓旋噴樁水平封底，起到阻隔地下水和抵抗承壓水頭的作用。

3 基坑降水技術(shù)

3.1 降水井布置

基坑施工水平封底后與地下連續(xù)墻一同形成一個(gè)封閉的空間，降水井設(shè)計(jì)分為深層疏干井和淺層疏干井2種，深層疏干井降低封底頂面粉細(xì)砂層中的水，淺層疏干井降低基底以下含泥中細(xì)砂層的水。

淺層疏干井按基坑面積除以單井有效降水面積280 m2布置共計(jì)18口，深層降水井按滲水流量計(jì)算共計(jì)8口，降水井間距按基坑長度梅花形均勻布置。

理論基坑涌水量為基坑內(nèi)土體內(nèi)的存水和墻間或封底滲流水，配置12 m3/h水泵。

3.2 基坑水平封底封閉效果檢測

基坑水平封底檢測分為樁身強(qiáng)度、樁身均勻性及水平封底隔滲效果檢測，對(duì)于施工的三重管旋噴樁，水泥摻量為35%，水灰比1∶1，水泥土現(xiàn)場取芯強(qiáng)度1.72～1.97 MPa，實(shí)測樁身滲透系數(shù)≤8.2×10－8cm/s。

水平封底隔滲效果檢測采用基坑降水試驗(yàn)和恢復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證。車站基坑分為南北兩倉進(jìn)行降水試驗(yàn)，先施工南倉基坑，對(duì)南倉的深層疏干井Y6、Y7、Y8進(jìn)行抽水，抽水時(shí)長23 h，設(shè)置坑外深層觀測井GC2-3、坑外淺層觀測井GQ7、GQ8，坑內(nèi)觀察井YG3、YG4，抽水最大流量為Y8井2.8 m3，動(dòng)水位位于基底以下4.6 m。在進(jìn)行抽水恢復(fù)試驗(yàn)時(shí)，Y8深層疏干井在停抽10 min水位恢復(fù)6.53 m，為深層疏干井靜水位的45%，1 h恢復(fù)至穩(wěn)定水位。

第2次試驗(yàn)停抽10 min水位恢復(fù)7.53 m，至深層疏干井靜水位的63%，恢復(fù)速度快于第1次。由此判斷基坑南端頭位置極可能存在止水帷幕缺陷，使水源補(bǔ)給迅速。

4 基坑開挖階段出現(xiàn)的問題

4.1 基坑深層疏干井水位位于基底以上

基坑開挖時(shí)出現(xiàn)南倉端頭Y8深層疏干井的水位位于基底以上，深層疏干井抽水不能將端頭區(qū)域地下水降到基底以下，判斷是墻間接縫滲漏或基底滲漏的少量地下水，且基底以下為②4-6含泥中細(xì)砂層和③1粉質(zhì)黏土層，具有承壓水性質(zhì)，所以考慮地下水位未超過承壓水安全水位標(biāo)高（底板以上3.4 m），基坑是安全可控的。

在有水平封底的基坑，為防止基底突涌，應(yīng)不考慮承壓水的安全水位，而是將地下水降至基底以下的預(yù)防方案：在坑內(nèi)打設(shè)深層疏干井將水位降至基底以下，設(shè)計(jì)降水井涌水量時(shí)，不考慮水平封底隔滲的阻擋作用，按大井簡化均質(zhì)含水層承壓水非完整井計(jì)算基坑總涌水量，布置降水井，濾管全長伸至封底的頂面，并在原降水井抽水量大的區(qū)段布井；在坑內(nèi)降水無法將地下水水位降至基底以下時(shí)，在基坑外打設(shè)降壓井，打井完成后進(jìn)行降水試驗(yàn)，驗(yàn)證降水效果。

在開挖至基底前，開啟坑外降壓井，同坑內(nèi)疏干井一同將地下水降至基底以下。

4.2 坑內(nèi)深層疏干井井壁滲流水

在基坑開挖階段，常出現(xiàn)Y8深層疏干井從井壁周邊冒水的問題，開啟潛水泵后就能控制冒水，所以沒有引起重視，在開挖基底土方時(shí)，承壓水從水平封底缺陷部位向上沿井壁爬升涌出。

降水井壁周邊冒水的預(yù)防辦法：采用水泥-水玻璃雙液漿封堵基底以下3 m井壁與土體間的孔隙；坑道注漿機(jī)鉆頭距離降水井邊200 mm，在滲漏水的點(diǎn)位下鉆桿至基底以下3 m，開始注漿提升，按配比1∶1∶0.5（水泥∶水∶水玻璃）封閉土體和管井間的松散層。

5 水平封底失效的基底突涌處理方法

5.1 基底管涌的情況

在南端頭基坑開挖至基底正清理土方時(shí)，從Y8深層疏干井與土體的間隙出現(xiàn)涌水，立即組織人員碼砌砂袋、棉被反壓濾砂，在車站端頭與標(biāo)準(zhǔn)段收縮位置堆砌圍堰，在圍堰內(nèi)放2臺(tái)100 m3的大泵明排抽水。

5.2 基底涌水的來源分析

Y8深層疏干井深度至封底頂面，濾管穿過②4-6含泥中細(xì)砂層及③1粉質(zhì)黏土層，進(jìn)入③2粉細(xì)砂層，通過分析水平封底與地下連續(xù)墻之間的關(guān)系，項(xiàng)目可能存在2種涌水的原因：

1）端頭地下連續(xù)墻在潛水②4-6含泥中細(xì)砂層存在墻間接縫開叉，地下水從接縫滲流，隨基坑開挖至基底，坑內(nèi)外水位差16 m，水頭壓力達(dá)到160 kPa，從薄弱的井壁與土體間涌出。

2）端頭水平封底加固存在缺陷，隨基坑開挖至基底土重度達(dá)到最小值，水頭壓力達(dá)到最大，承壓水通過水平封底缺陷處滲流沿井壁爬升，最終形成突涌通道。

為了判斷基坑基底涌水的原因，本項(xiàng)目具體采取了如下措施：

1）在靠近涌水點(diǎn)的地下連續(xù)墻接縫位置，采用注漿機(jī)鉆孔至②4-6含泥中細(xì)砂層底面，然后注入染料同時(shí)提升，觀察坑內(nèi)淺層疏干井內(nèi)抽水是否變顏色。

2）對(duì)車站端頭的地下連續(xù)墻接縫從墻底至基底高度注雙液漿止水加固，注漿前在距離地下連續(xù)墻邊200～400 mm鉆孔，鉆孔按三角形布置，注漿采用少量多次的原則，至注漿壓力上升停止。

3）車站端頭地下連續(xù)墻接縫注漿全部完成后，坑內(nèi)Y8深層疏干井內(nèi)水位沒有明顯變化，判斷水源由水平封底下③2粉細(xì)砂層中涌出。

5.3 基底涌水的處理方法

判斷涌水來源后，需確定基底的實(shí)際涌水量，確定降水井?dāng)?shù)量。

首先，實(shí)測基底突涌位置的涌水量，以突涌點(diǎn)的涌水不向外冒出為標(biāo)準(zhǔn)，按Y8井內(nèi)放置潛水泵50 m3/h和明排水泵100 m3/h，得到的最大出水量為100～130 m3/h；然后，設(shè)計(jì)降水井，理論按單井流量40 m3/h計(jì)算，在坑內(nèi)涌水點(diǎn)周圍打設(shè)4口疏干井，計(jì)劃坑內(nèi)總流量160 m3/h，降水井濾管全長伸至水平封底頂面，但實(shí)際基底以下②4-6含泥中細(xì)砂層被旋噴樁固化，使地層水系不連通，出現(xiàn)單個(gè)井抽水量達(dá)到50 m3/h，其他井抽水量在10 m3/h左右，對(duì)涌水點(diǎn)減壓效果不明顯。

因此，在坑外車站端頭增設(shè)5口降壓井，單井設(shè)計(jì)流量60～80 m3/h，坑外總流量400 m3/h，降壓井濾管伸至整個(gè)③2粉細(xì)砂層，至地下連續(xù)墻底以下3 m，將③2粉細(xì)砂層的承壓水降至含水層底面。

坑外降壓井總涌水量按均質(zhì)含水層承壓完整井計(jì)算為9 291.96 m3/d，施工坑外5口降壓井，計(jì)劃總抽水量9 600 m3/d，符合實(shí)際工況，滿足降水要求。

地下水降至基底以下后，挖機(jī)超挖出基底以下800 mm，澆筑厚800 mm混凝土墊層，最后施工端頭底板和中板結(jié)構(gòu)后，才能停止坑內(nèi)外的抽水。

5.4 基坑周邊后期沉降的控制

坑外降壓井抽水后，基坑外淺層觀測井水位下降，對(duì)基坑周邊產(chǎn)生了持續(xù)沉降，所以對(duì)車站基坑兩側(cè)淺層觀測井進(jìn)行地下水回灌，補(bǔ)充潛水層水位。

同時(shí)，對(duì)道路周邊進(jìn)行物探，采用高密度電法，輔助地質(zhì)雷達(dá)和實(shí)體鉆芯取樣的方案，在地下脫空物探報(bào)告顯示的松散區(qū)域，使用注漿機(jī)鉆孔探查，對(duì)脫空區(qū)域進(jìn)行注漿填充。

6 結(jié)語

1）對(duì)于水平封底存在缺陷，最大的可能是旋噴樁標(biāo)高錯(cuò)位或旋噴樁漏施工。基坑滿堂旋噴樁水平封底加固，在工期緊、重復(fù)作業(yè)情況下，操作人員出現(xiàn)差錯(cuò)，導(dǎo)致上述問題的發(fā)生，所以在施工期間應(yīng)安排專人負(fù)責(zé)分區(qū)每臺(tái)機(jī)械加固位置的確定，并每天要求作業(yè)人員在下鉆至標(biāo)高后開始旋噴前與管理人員進(jìn)行確認(rèn)，最大限度減少出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。

2）懸掛式基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻并設(shè)有水平封底時(shí)，理論上可利用基底下加固土體的重度平衡封底面承壓水壓力，基坑內(nèi)降水井起到疏干封底頂面地下水的目的。

3）對(duì)于設(shè)置水平封底的基坑，在開挖前必須進(jìn)行降水試驗(yàn)，檢驗(yàn)水平封底的隔滲質(zhì)量，如出現(xiàn)降水恢復(fù)速度快或降水井水位在基底以上時(shí)，應(yīng)提前在缺陷區(qū)域打設(shè)深層疏干井，再進(jìn)行降水試驗(yàn)。如有必要時(shí)，在坑外打設(shè)降壓井，將井內(nèi)水位降到基底以下，才可進(jìn)行開挖施工。

4）在基坑開挖期間出現(xiàn)降水井側(cè)壁冒水時(shí)，應(yīng)立即對(duì)管井基底以下地層進(jìn)行注漿封堵，阻止地下水沿薄弱井壁滲流形成突涌。

5）經(jīng)過了解，大部分水平封底突涌是因?yàn)閺姆獾醉斆嫔顚邮韪删陂g的涌水，可嘗試考慮取消深層疏干井，只保留淺層疏干井，但需進(jìn)一步實(shí)踐證明其在高承壓富水砂層中的可靠性。