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深基础施工中流沙和管涌现象防治

摘要:根据多年从事深基础施工的经验,对深基础施工中出现流沙、管涌现象的成因进行了分析,总结了较有实用性的预防流沙、管涌的方法,重点介绍了基础出现管涌、流沙的应急措施,以确保深基础施工的顺利进行。
关键词:流沙,管涌,深基础,承压含水土层,不透水土层
在深基础施工中,对基坑的降水要求通常是基础施工方案中的一个重要部分,对一般工程而言,采取必要的人工降水(如轻型井点降水、深井降水)或抗渗围护等措施均能满足施工要求。但是当遇到地下水文、地质情况较为复杂时(如各土层之间的渗透系数差值过大、土层夹有渗透系数很大的粉砂层、地下存在不透水土层和承压含水土层以及基坑附近有人工水管漏水等),会给施工带来很大的不利。因此在深基础施工时,对基坑降水和预防流沙、管涌的措施应特别重视。文中根据多个工程的施工经验与教训,收集了一些有关资料,就深基础施工时出现流沙、管涌现象的防治方法作一粗浅的总结。
1　流沙、管涌成因的分析
1.1　流沙的成因
土体在受水浸泡饱和时,土粒中亲水胶体颗粒吸水膨胀使土粒的密度减小,当在动水压力的作用下,动水压力超过土粒的重力时,土粒产生悬浮流动,即形成流沙。动水压力是产生流沙的一个重要因素。产生流沙的临界条件为:
I=(ρ-1)(1-n)。
其中,I为临界水力坡度;ρ为土粒密度;n为土的孔隙率。
1.2　管涌的成因
当深基坑距离河塘较近或基坑底下土层中存在承压含水层时,在水位差的作用下,基坑土体中存在渗透水流,由于土体的不均匀性,土体中某一部位的土颗粒在渗透水流的作用下会发生运动,使填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走而形成涌水通道,即形成管涌(又称翻沙鼓水、泡泉)。当主渗漏涌水通道上的细颗粒被基本带走后,在较强的水流冲刷下,主通道两侧的细颗粒进入涌水主通道,使涌水主通道逐渐变宽,管涌持续时间越长,通道的宽度越宽,继而发生大量涌水和塌方事故。
2　对流沙、管涌的预防措施
2.1　施工方案的设计与论证
1)为保证深基础施工时基坑不积水,在深基础施工之前,首先应根据地质钻探资料和工程实际情况,设计深基础施工的降水方案。通常采用的基坑降水方法有人工降水、抗渗围护等,无论
采用什么方案,方案中应对坑中待挖土中的地下水位变化情况进行必要的验算,使降水措施满足地下水位浸润线低于开挖底标高以下500 mm的施工条件。
2)凡在深基坑开挖施工中,如发现有地下承压水,应事先探明承压水头、不透水层的标高和厚度,并对坑底土体进行抗浮托能力验算。
3)对工程所在地的类似深基础施工情况进行必要的调研,吸取其他工程在深基础施工中的经验与教训。
2.2　深基础施工实施过程的措施
2.2.1　预防和处理流沙、管涌的原则
预防和处理流沙、管涌的原则是“减少或平衡动水压力”。
2.2.2　预防流沙、管涌的基本方法
1)井点降水法:a.当出现流沙时,应立即停止开挖,并回填深坑将流沙埋没或在深坑中注水,以平衡渗流的动水压力。然后在深坑周围立即补下二级(或三级)井点,待二级(三级)井点降水使
地下水浸润线低于开挖范围以下500 mm后,再继续开挖施工。
b.当深坑接近承压水层时或经计算坑底土体的抗浮不能满足稳定要求时,可采用井点管穿过不透水层直接抽取不透水层下的承压水,以降低承压水头,从而避免因承压水头过大而形成管涌。
由于地下承压水流量大,不宜采用轻型井点,应采用出水量较大的喷射井点或管井降水。c.井点降水法的原理如图1所示。深井的布置量、布置深度应根据承压含水层的承压水头H,承压水土层渗透系数K,单井出水能力q和要求降低水头量S经计算确定。

2)土体抗渗加固截水法:当地下含水层渗透性较强,厚度较大时,可采用悬挂式竖向截水与坑底井点降水相结合或采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案。在土体开挖之前,对深基坑四周抗渗薄弱的土体进行抗渗加固。土体抗渗加固的方法有:深层搅拌桩加固法、粉喷桩加固法、压密注浆加固法及劈力注浆加固法等。土体抗渗加固的水泥掺量可根据试验确定,一般浆喷深层搅拌的水泥掺量宜为被加固土重量的15%~18%;粉喷深层搅拌的水泥掺量宜为被加固土重量的13%~16%;注浆加固的浆液注入率一般为被加固土体重量的15%~20%,浆液配合比:水泥∶粉煤灰∶水玻璃=1∶1∶0.04。加固的范围(深度和厚度)可经过计算确定,被加固的土体具有一定强度和较高抗渗能力,形成一截水帷幕,截水帷幕的渗透系数不宜小于1.0×10-6cm/s,可保证深坑开挖时,不会出现流沙或管涌现象。当采用悬挂式竖向截水与水平封底相结合的方案时,应对坑底加固土体的抗浮稳定进行验算。
3　出现流沙、管涌时的应急措施
3.1　基础出现管涌时的应急措施
3.1.1　集水井强排法
集水井强排法的前提是基坑底标高在不透水层以上,且待挖土体中的地下水浸润线标高低于坑底标高。如果由于地下承压水的作用基坑出现管涌,应立即采用细石或绿豆砂将管涌口覆盖以减少涌水口的砂土流失,同时在坑底挖临时集水坑用水泵进行明排水,对坑中土进行抢挖。当挖土至坑底标高后,集水井埋入坑底土中,采用潜水泵排水,并在管涌点到集水井之间做排水盲沟使管涌的流水沿盲沟流入集水井。如果管涌点过多,则应在坑底做细石或绿豆砂垫层。集水井可采用直径在600 mm~800 mm左右的铁皮桶(如柴油桶)做成,桶壁打有集水小孔,外侧为绿豆砂反滤层。当集水井排水使坑中水位低于基坑底设计标高时,立即进行混凝土垫层的浇筑。为了保证垫层混凝土下盲沟或细石垫层排水畅通,在混凝土垫层及砂垫层之间应隔有一层铁皮或30 mm~50 mm厚的预制混凝土板。垫层浇完以后,对集水井口采用钢板封没,并将水泵的出水管采用硬质管引出基坑,并保持水泵抽水连续不断,垫层混凝土具有一定的强度以后立即进行深坑中钢筋混凝土施工。必要时可以采用深坑混凝土单独先浇的方法,以确保深坑施工的安全性。
3.1.2　深井降水法
当基坑出现管涌现象时,立即停止开挖并将深坑回填到地下承压水头以上,采用钻孔下套的方法进行打深井,深井的深度一般在不透水层以下2 m~3 m即可,采用深井抽水,以降低深坑部位的地下承压水头,使其降到坑底标高以下0.5 m。深井的数量应根据深坑大小、承压水头的高度、承压水土层的渗透系数等参数经计算确定。
3.1.3　注浆法
在开挖基坑中局部深坑时,如深坑底出现管涌,但承压水头较低时(低于深坑顶面标高)可采用注浆法。首先应立即停止对局部深坑的开挖,并对深坑进行部分土方回填,将流沙、管涌点埋没,回填高度应高于承压水头的高度。然后采用注浆法将坑中的土方进行注浆加固,其方法同2.2.2节中的土体抗渗加固截水法所述。但由于是应急措施,不宜采用需大型设备进场的深层浆喷搅拌或粉喷搅拌等方法。为加快注浆的凝固和提高早期强度,应在注浆液中掺入一定比例的水玻璃或早强剂。注浆加固土体具有一定的强度后即可进行深坑开挖,当深坑底接近于或穿过不透水层时,应当对坑底土体进行抗浮稳定验算,以确定注浆加固土层的厚度。
3.2　基坑出现流沙时的应急措施
当出现深坑流沙时,应立即停止开挖,用土回填或注水至地下水浸润线以上。在深坑周边补下闭合的二级或三级井点。当二级或三级井点开始运行一段时间后,深坑周边的地下水浸润线会逐步下降,从而防止流沙现象的出现。
4　结语
在深基坑施工中,特别是在采用放坡大开挖方式施工时,流沙、管涌现象极易出现。所以在拟定施工方案时,要充分周密地设计好基坑降水和排水方案。有些地方土层比较复杂,在地质报告中不一定能反映出整个降水影响区域的土体渗透系数,导致基坑涌水量计算与实际情况有很大的差距,因而造成在施工过程中出现降水效果不明显或出现流沙现象。因此在设计基坑降水方案时,首先应认真研究地质报告中各土层的特性,必要时应在实地做土层渗透系数试验。施工前对工程所在地类似工程的施工方法和施工经验做调查研究很有必要,要根据类似工程的经验,采取针对性较强的应急预防措施,做到有备无患,才是确保深基础施工顺利进行的有力保障。

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