承压水地层基坑底部突涌及解决措施1.pdf

第 2 3卷第 5期 2 0 0 3年 1 O月 醒迁建 诅 Tu li n e l Co n s u c t i o n 2 3(5)：2 52 7 Oc t，2 0 0 3 承 压水 地层基 坑底 部 突涌及解 决措 施 郑剑升 张克平2 章立峰(1 同济大学铁道建筑工程 系 上海2 0 0 3 3 1 2 中铁二局集团五处 四川德 阳6 1 8 0 0 0)摘要针对基坑下部有承压水层，评价了基坑开挖引起承压水水头压力冲毁基坑覆土而造成基底突涌的可能性。并对现 场事故原因进行了分析，并提出相应的处理措施。关键词地下工 程承压水突涌降 压井基坑 l 引言 在基坑开挖过程 中，随着深度越来越大基底下 部不透水层厚 度越来 越薄，承压水 有可能顶破 坑底 而发生突涌、隆起，造 成基坑 围护 结构 失稳，最 终酿 成基坑工程 中最大的危险事故。目前对承压水的研 究较少，对承压水的作用 尚无合适 的算法。文献 考虑上覆土层重量与滞水层水压及承压水的水 压力 平衡，给出基底抗突涌安全验算公式；文献 则 给出 了解决承压水引起基坑突涌 的措施；文献 在基坑 边坡 的稳定分析 中不仅考虑 了潜 水渗 流的作用，还 把承压水层作为整体渗流场 的一部分，指 出在基坑 设计的各项验算 中，将整体渗流场分开，取其部分进 行计算。这些方法必须与实 际的场地条件 相结合。本文结合文献 和文献 对实际工程进行 分析，总 结 了一些经验，为设计和施工提供参考。2 工程概 况 为某地铁 区间隧道，地处 江边，地势较 为平坦，为全新世冲淤沉积层。自上 而下所穿越 的地层 为：一 1 人工填土，厚度 0 4 m；一l b 一 3 粉质粘土，局 部缺失，层厚 1 6 m；一 2 b 4 淤泥质粉质粘土，局部夹 薄层粉土、粉砂，层厚7 5 m；一 2一 l b,淤泥质粉质粘 土，夹薄层粉土、粉砂，层厚 6 m；一 3 c 3 粉土，层厚 6 2 m；一 4 d 一 4中砂，层厚 1 6 m；一 5 d 2-3 粉砂，层 厚7 O m；一 6 d，一 2 粉细砂，层厚2 0 m左右。区间主 体结构位于 2 b 和 一 2一l b+淤泥质粉质粘土 层。各土层的物理力学性质指标如表 1 所示。隧道结构 为矩形 双孔，区间总长 约 1 1 0 0 m。由 于 位 于 城 市 郊 区，场 地 开 阔，且 结 构 埋 深 较 浅(约 3 0 m)，故采 用 明挖法 施 工。基坑 开挖 面 宽为 1 2 1 m，开挖深度 为 9 m1 2 m。采用 钻孔灌 注桩 与 水泥搅拌桩 咬合作围护结构：钻孔灌 注桩桩径为 q b 8 O O mm，间距 为 1 0 5 m，桩 身长度 1 5 m2 2 m，采用 C 3 0水下钢筋混凝土；搅拌桩桩径 5 0 m m，间距为 1 0 5 m，桩 长 1 5 m一 2 2 m，设置在 两钻孔灌注桩之 间，与钻孔桩 咬合 尺寸为 2 0 0 m m。桩 顶设冠粱，冠梁顶 绝对标高为+6，0 m。表 1 各土层主 要物理 力学性质指标 含水量 重度 垂直渗透系数 水平渗透系数 层号 岩土层名称 K v1 0 (c m s)K H1 0一 (c m s)W()y(k N m )一1 b 2 3 软 一可塑粉质粘土 3 3 0 1 1 8 9 0 0 6 0，2 4 2 b 淤泥质粉质粘土 4 2 3 1 7 7 2 2 6 2 0，4 一 21 b 淤泥质粉质粘土 3 9 O 1 7 7 7 9 5 9 o 一 3 c 3 稍密粉土 3 3 6 1 8 3 5 1 1 1 2 0 O 一 4 d 3 一 稍密 一松散 中砂 2 1 9 1 9 4 1 1 4 0 1 2 0，O 一5 d 2 3 稍密 一中密粉砂 2 5 6 1 8 8 2 9 O O 2 5 7 O 一 6 d l 一 2 中密粉细砂 2 5 9 1 8 9 1 2 4，0 1 7 7，O 场地地下水分为浅层潜水和承压水。潜水层 由 人工填土层及全新世漫滩相软弱粘土层构成 的孔隙 含水层组成，其透水性、含水性各不相同。主体为全 新世沉积软弱粘性 土(包括 一l b 一，粉质 粘土、一2 6 4 淤泥质粉质粘土、一2一l b 淤泥质粉质粘 土)，饱 含 地 下 水，但 透 水 性 弱，属 弱 一微 透 水 层。潜水水位受季 节性影 响，雨季为地面以下 0 2 m 1 2 5 m。承压水 层 由粉 土层 和砂 土层构 成，主要 维普资讯 http:/ 睫迁建 馥 第 2 3卷 赋存于 一 3 c 粉土及以下的粉砂、粉细砂、中砂层，其透水性好，土层较厚，含水量 丰富，为影响地铁施 工的主要含水层。因上覆有微 一弱透水的淤泥质粉 质粘土作 为相对 隔水层，故该 含水 层具 有 承压性。承压水水头标高为+6 2 m，基本与地表面持平。3 基底抗 突涌稳定 性 当基坑下部有 承压 水存在，开挖减小 了含水层 上覆不透水层 的厚度，当厚度减小到一定程度时，承 压水的水头压 力能冲透不透水层，甚 至顶 裂或 冲毁 基坑底板，造成突 涌现象。基 坑突涌将 会破坏地基 强度，造成基坑失稳，给施工带来很大困难。如图 1 所示，验算坑底 不透水层厚 度与承压水 水头压力的平衡条件如下：承压水 水位 承 压水层 图 1 计算简 图 y H=y (1)由式(1)可知，基坑 开挖后 不透水层 厚度(H)应为：H：h y (2)式中：H为基坑开挖后不透水层的厚度；y为岩土 的 重度；y 为水 的重度；h为承压水水头 高于含水层顶 板 的高度。J 当 H h时，基坑不发生突涌；当 H h时，一 y y 基坑可能发生突涌。抗突涌安全系数：k=y H h (3)考虑上覆土层重量与滞水层水压及承压水 的水 压力平衡，一般安全系数取 K=1 1 1 3 4 现场事故分析及应急措施 基坑在 2 0 0 3年 3月底开始开挖，4月初基坑 挖 到地表面以下 8 0 m时，1 5 m长的开挖断面 内基底出 现 5处涌水、涌砂，并 出现直径约 6 0 c m的涌砂圆锥 体，涌水量也 比较 大，5处 加起来 的水 量约 1 5 m h。针对这一工况，立即采用轻型井点降水，但是效果 不 明显；当天夜 里立 即采取 两条 措施：a 立 即停 止抽 水，并回填约 2 m高的土；b 在基坑外两侧离围护结 构 4 m补打深井 降压，通过坑外 降压来保证基坑 安全。基坑开挖深度 1 0 9 m，由地质与水文资料可知，承压层顶板深 1 5 5 m，覆土厚 4 6 m，故 H=4 6 m，h =1 5 5 m，基底抗突涌稳定系数为：k=y L y h=1 7 7 x4 6 1 5 5=O 5 3 由于 k远小于 1 1，在基坑 开挖 深度 达 8 0 m时 基底 出现突涌现象，而且 还 比较严重。此时抗 突涌 稳定 系数为：k=y H y h=1 7 77 5 1 5 5=O 8 6 根据计算：抗突涌稳定系数 k=O 5 3(H=4 6 m，h =1 5 5 m)，远小于 1 1 的规范要求，但施工前地质 勘测资料未给出承压水层。由于对地层 的承压水 认识 不足，从疏 干井抽 水 量观测表明，流量不 大，基 本为 浅层潜 水，未抽 到承 压水。由于开挖前打的降水井对隔水层的土体存在 扰动，反而增加 了发生 突涌 的可能性。从 现场发 生 突涌的位置和涌水量来 看，最先开 始 突涌 的地方 是 在降水井管四周，而且此处 涌水 量、涌砂量 最大，涌 水量大于 5 m h。5 解 决措 施 一般地基加 固方法 有：a 采用高压 三重管旋 喷 注浆法，在开挖前于 基坑底 面 以下做 成 与坑周 围围 护结构结成整体 的抗 承压 水底板；b 采用 化学注 浆 法或者高压旋喷注浆法，在开挖之前于基坑周围围 护结构底部平面以上做成封住基坑周围置护结构底 平面的不透水加固土层。此加 固层底 面以上 土重 与 其下面承压水压力相平衡，使基坑工程得 以安全完 工。但是根据前述事故原因分析可知，这种加固方 法也只能起部分作用，并不能解决根本问题。对承压水的处理方法基本有两种 J：a 降压，即 通过 降 压井 降 低 承压 水 的水 头；b 对 基 地 进行 强 加固。在基坑 外侧或 内侧 以深 井点 降低承压 水水 压】，同时在附近建筑物旁边地层中用回灌水法以 控制地层沉降，保护建筑设施。当基坑处 于空旷地 区可不采取回灌水措施 与上面两种方法分析比较 可以看出，只有采用这种方法是最合理的。根据前面的分析，坑底降水的 目的是降低承压 水头，确保基坑挖土与封底 的安全，不发生 冒水、冒 砂。按下面第一种计算，本工程最终需将承压水水 头降至地面以下8 1 m深，即水头降深 8 1 m：若不考虑其他因素，则计算承压水水头所需降 维普资讯 http:/ 第 5 期 郑剑升张克平章立峰 承压水地层基坑底部突涌及解决措施 深 为：h-=h 一 H1 1=1 5 5 1 7 7 4 6 1 1=81 m 如果按 实 际情 况，则 计算 承 压水 水 头所 需 降 深为：h-=h一 8 6=1 5 51 7 7 x4 6 0 8 6=6 0 m 本工程基 坑的特点是较 窄条形开挖，基坑 四周 空旷平坦，因而工程环境条件较宽松，可将降水井 布 置在坑外，降水面积 的增 加更有利 于增 强坑底 的稳 定性。如将降水井 布置在坑 内，将产 生两方面 不利 因素：一方面减少 了坑 内开挖工作面，加大 了施工 难度；另一方面随着基坑开挖深度的增大，深井井管 的悬空部分增加，失稳 的可能性加 大，一旦失稳，后 果不堪设想。经过计算，修改原有降水方案，原来布置在基坑 内的疏 干井不 变，沿基坑长 度方 向两侧 另外 布置 间 距 为2 0 m、深为 2 8 m 的深井，如图 2所示，用外径 为 4 0 0 m m，内径为 3 6 0 m m的混凝土井管，从 4月初到 6 月 中旬，单井 抽水 量均 在 3 0 m h左 右。效果非 常 好，没有发生突涌现象，基底隆起也很轻微。20 2 0 20 20 f I I o-I 2 0 o 2 0 o 2 0 o 2 0 o 图 2 降压 井布 置图 6 结语 通过对本 工点的分析，可 以获得 以下几点认识：,fi t 施打 降水 井或疏 干井时，不 能正 好打穿 隔水 层，这样 反而扰动 了不透水层，增 加局部发生突涌的 可能性。b 底部有承压水层 的基坑，应根据工程特点，采 取合理 的承压水处理方案。c 基坑工程 一旦 出现 突涌现 象，要 及时采取措 施，不能拖延时 间，否则 对基坑 十分不 利，极 容易 出 现基坑失稳。d 降压井应该严 格控 制质 量，否则 发生堵 塞很 容易 出现突涌。为此应作 好水 位观测，水位 管必须 打人承压水层。参 考文献 1 黄强 建筑基坑支护技术规程应用手册 M 北京：中国 建筑 工业 出版社，1 9 9 9，P 2 6 4 2 刘建航，候学渊 基坑工程手册 M 北京：中国建筑工业 出版社，1 9 9 7，P 2 9 3 O 3 黄春娥，龚晓南 承压含水层对基坑边坡稳定性影响的初 步探讨 D 建筑技术，2 0 0 2(2)，P 9 2 4任唯幸，李树逊 深基坑工程承压含水层井点降水 分析 D 四川建筑科学研究，2 0 0 0(4)，P 3 33 5 作者简介：郑剑升，男，1 9 7 8年 2月生，同济大学铁建系 研究生，主要从事地下工程研究工作。收稿 日期：2 0 0 3 6 2 0 (上接 2 4页)了注浆加固措 施，提高 了地层 的稳定 性 和承载力。在托换施工 中，于隧道两侧 布置的托换新桩基及 临 近的既有桩基，在一定程度上也有着 改善隧道围岩 性质、限制地层变位 的作用，因此施工隧道的安全是 有保证的。与此同时，隧道施工及临近建筑物桩基 托换，也必然会对上部结构及桩基 结构产 生一定 的 影响，由于在施工中采取 了可靠的技术措施，确保这 种影响均在控制安全允许范围之 内。6结论 托换新桩采用,1,3 o o嵌岩无砂混凝土钢管灌注 桩，成孔过程中采用泥浆护壁，钢管内填充水泥浆与 碎石固结体，先 注水灰 比 0 5水泥浆置换孔 内护壁 泥浆，再投放粒径 1 c m一 3 e ra碎石，碎石 与水泥浆 固 结形成强度标号 C 1 5的混凝 土，从而完成钢管灌 注 桩的施工。我们首次在无砂混凝 土钢管灌注桩施工 中采用工艺先进 的新 技术，取得 了好 的效果。施工 中，托换梁基坑的深度较小，从 而减少 了在托换施工 时因基坑开挖对既有建筑物摩擦型桩基础承载力的 影响，而且操作方便，干扰小，速度快，宜于推广应用。参 考文献 1 史佩栋 实用桩基工程手册 北京：中国建筑工业 出版社，1 9 9 9 2 刘建航，侯学渊编 基坑工程手册 北京：中国建筑工业出 版社，1 9 97 作者简介：刘建 国，男，1 9 6 4年生，1 9 8 4年毕业于西南交 大，现任中铁隧道集团三处有限公司总工程师。收稿 日期：加0 3 8 1 9 维普资讯 http:/