上海軟土地區深基坑施工承壓水風險及其控制【摘要】隨著工程建設基坑開挖越來越深,地下承壓水帶來的風險也越來越大。闡述了承壓水對深基坑工程危害的形式,上海地下承壓水分層類型,通過地鐵車站深基坑施工出現圍護墻漏水險性及處理方法的工程實例,指出深基坑施工時,要注重對承壓水的防范及防水害采取的措施。【關鍵詞】軟土地區深基坑承壓水風險1承壓水的危害形式1.1基坑突涌破壞 當基坑開挖深度足夠大,承壓含水層頂板以上土層的重量不足以抵抗承壓含水層頂板處的承壓水頭壓力時,基坑開挖面以下的土層將發生突涌破壞,承壓含水層中的地下水和砂土大量涌入基坑,導致坑外地面嚴重塌陷,地下連續墻等圍護結構嚴重下沉,支撐體系嚴重破壞,相鄰建(構)筑物發生破壞等(如圖1所示)。
1.2環境巖土工程問題 減壓降水后,建筑場地下伏承壓含水層中形成了承壓水降落漏斗,必然在基坑周圍引起或多或少的地面變形,對相鄰環境造成一定程度的不利影響。地面變形如果被控制在某一范圍內,其對相鄰環境的影響較小;反之,地面變形如果超出某一范圍,其對相鄰建(構)筑物將產生具有危害性的影響。承壓水位下降引起的地面沉降的分布形態與承壓水降落漏斗的分布形態基本上是相似的(如圖2所示)。1.3圍護結構開裂、空洞引起的流砂 在飽和含水地層中,尤其在砂層、粉砂層、砂質粉土或其他透水性較好的夾層中,止水帷幕或圍護墻如產生開裂、空洞等不良現象,造成圍護結構的止水效果不佳或止水結構失效,致使大量的地下水夾帶砂粒涌入基坑,坑外產生水土流失。嚴重的水土流失可能導致支護結構失穩以及在基坑外側發生嚴重的地面沉陷,還可能在圍護墻后形成洞穴后突然發生地面塌陷(如圖3所示)。1.4坑底砂性土層的管涌破壞 在砂、粉砂、或砂質粉土等土層開挖基坑,如不采取井點降水措施或井點降水未達到預定效果,在坑內外的水頭差作用下,基坑底部可能產生冒水翻砂現象(即產生管涌),嚴重時可導致基坑失穩或影響施工進程(如圖4所示)。1.5地下結構抗浮問題 降水工程結束后,地下結構的重量以及基礎底面至承壓含水層頂板之間的殘留土層的重量不足以抵抗承壓水頭的頂托力或潛水含水層的浮力時,地下結構將會發生上浮。一旦發生了上浮現象,地下結構的復位將十分艱難。2上海地區常見砂性土層類型及特點2.1深層承壓水層 上海市地表下(深度大于30.0 m)分布有5個承壓含水層,它們對應的土層編號分別為7層、9層、11層、13和15層。雖然含水層在局部地區缺失,但總厚度大、水量豐富,除第Ⅰ承壓含水層外,水質好,適宜飲用,解放前即有小量開采。上世紀50年代到60年代初,曾大量開采地下水作為供水水源。上部第7、9、11層屬上海地區的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層,厚度大、顆粒細(以粉、細、中砂為主),含大量云母,呈中密—密實狀態。當承壓水頭大幅度下降后,不僅含水層自身發生壓縮,而且由于承壓水水頭與潛水水位的水頭差加大,使軟土中孔隙水壓力降低,軟土發生固結。含水層及相關軟土的壓縮,導致地面變形。2.2微承壓水層 在現場工作中無論是基巖還是松散層,經常遇到壓頭不高的承壓水,有的僅在雨季為承壓水,而旱季則淪為層間無壓水。在上海地區厚層松散堆積層的淺部,存在著多層以粉性、砂性土為主的咸水含水層,在長年的上海市地面沉降研究工作中將上海地區的地層按地面沉降特性分層時均未專門處理,僅視為第一和第二壓縮層中的夾層。 近年來,是迅速發展的上海城市建設工程,引起了巖土工程師對這些含水層的重視,尤其是深基坑工程,經常遇到②3、③2和⑤2層細顆粒承壓含水層帶來的“麻煩”。為此,在1994版《上海市巖土工程勘察規范》中出現了上海“部分地區淺部的粉性土或砂土層中的微承壓水”的提法,并把②3、③2和⑤2層劃入。 從水文地質概念出發“,微承壓水”似應是一種承壓水頭很小的承壓水。它可能是天然的,也可能是現代人類活動大幅度抽吸地下水的結果。它在地下水的開采利用,相關的巖土工程問題乃至環境地質、旅游地質方面都和正常承壓水有所區別。因而如何用壓頭大小與一般承壓水區別開是一個比較復雜的問題。從基坑工程而言,似水頭小于3 m的承壓水可稱為“微承壓水”。因為此時,基坑底部只需有2m厚的隔水層既可維持底板穩定,或者稍作降水即可將承壓水頭降下去,進入正常施工。但具體的界定標準,似還應匯集供水水文地質,環境地質和旅游地質諸方面意見為宜。 按上述理解,上海地區全新世晚期及近期堆積,埋藏很淺的②3和③2兩層粉土,應歸屬“微承壓水”。而⑤2層粉性土似應屬正常的承壓含水層,因為該層為全新世早期填充于大理冰期末古沖刷槽內的溺谷相堆積,以粉土、粉砂為主,夾不等量粘性土;其空間分布多呈條塊狀、發育于⑥層暗綠色硬土層缺失區,故有時直接疊置于⑦層砂性土含水層上。該層頂板埋深一般大于20 m,經多年諸多工點實測統計承壓水頭埋深一般在地面下2.3～7.0 m,即一般具有高達近15 m的承壓水頭。在上海規范中將⑤2層歸入“微承壓水”可能出于以下原因: (1)在早期上海地區沉降研究中已按地基土層對地面沉降影響,將上海地區⑦層砂性土和⑨層含礫粉細砂二個承壓含水層分別命名為“第一承壓含水層”和“第二承壓含水層”。這樣,位于第一承壓含水層之上,呈條帶狀分布的承壓含水層⑤2層只能歸入“微承壓含水層”。 (2)20世紀90年代初上海的基坑工程尚少,遇到⑤2層的基坑工程更少,⑤2層承壓水對基坑的影響尚不十分突出,所積累的工程地質、水文地質資料也不多。3工程實例分析 下面以上海市軌道交通某車站險情為例,具體分析承壓水對基坑本體及其周邊環境造成的危害。3.1工程概況 車站主體為地下2層矩形框架結構,全長193.0 m。標準段基坑深約16.3 m,端頭井深約18.3 m。圍護采用地下連續墻,厚度800 mm,標準段成槽深度約30.5 m,內襯厚度400 mm;端頭井段成槽深度約33.5 m,內襯厚度600 mm。地下連續墻墻址位于⑦1層。頂圈梁800 mm×800 mm。 根據地質資料,本站基坑范圍內,⑤2層砂質粉土層為微承壓水層,水位埋深為18.0～19.5 m,⑦1層草黃～灰色粉細砂、⑦2層草黃～灰色粉細砂為第一承壓含水層,水位埋深28.3～37.2 m,承壓水水頭為地表下3.0～10.0 m。微承壓水、承壓水水位均呈幅度不等的周期性變化。⑤2層與⑦層承壓水在車站南部局部連通,并且基坑開挖底面進入⑤2層內。②3褐黃灰色砂質粘土層及⑤2灰色砂質粘土層為可液化土層,在動水壓力的作用下易產生流砂現象,對車站基坑開挖是不利的因素。基坑監測點的布置情況如圖5所示。3.2險情經過 2008年4月13日17∶00,車站南端頭井DQ-63和DQ-64地墻接縫在坑底以下位置出現大量漏水(該部位墊層在上午10∶00左右已澆筑完成),基坑和周邊管線均有加大的沉降。由于在南端頭井開挖過程中,施工單位已將Atlas及搶險物資進駐現場,因此在漏水情況發生后的45 min之內,施工單位即采取了內外封堵的搶險措施,坑內漏水位置使用袋裝水泥進行回填封堵,坑外使用Atlas引孔壓注聚氨酯及雙液漿,總計使用聚氨酯2.25 t,水泥50 t。由于處理及時、措施到位基坑漏水情況逐漸得到了有效控制,4月14日3:00基坑基本不再漏水,周邊環境變形區域穩定。分析基坑事故原因有: (1)坑外⑤2層微承壓水通過地墻上薄弱點滲漏進入基坑。盡管南端頭井在開挖之前在坑外地墻接縫位置做了旋噴樁止水處理,但在地墻向坑內變形40 mm之后,其與坑外接縫位置的旋噴樁之間即產生了滲漏通道,加上本區域地質條件較差,⑤2層與⑦2層承壓水連通,造成⑤2層微承壓水水量豐富且水壓較大,通過地墻上的薄弱點滲漏進入基坑。 (2)地下連續墻圍護結構由于施工等原因可能存在裂縫,或者空洞等不良現象,止水效果不佳。大量地下水夾帶砂粒沿連續墻裂縫向基坑內涌入,滲流路徑減小,水力坡度增大,造成坑內外水土流失。3.3監測數據分析3.3.1水位變化 基坑漏水側設有水位監測點SW01。該點變形曲線如圖6所示。在圖中可以看出,4月13日,該水位監測點有很大的降幅,大約1 200 mm/d左右,并且累計值超過了1 000 mm的警戒值,水位達到最低值-1950 mm。發生漏水后,處理措施及時,4月14日水位有明顯的上升,并在隨后趨于穩定。3.3.2圍護結構變形4月13日,P01測斜點具體變形情況見表1和圖7。 測斜點在漏水當天,變形速率超過了3 mm/d的警戒值。4月12日,13日,14日P01測點變形情況見圖7。從圖中可以看出,4月14日,P01點的最大變形速率為1.86 mm/d,與13日的8.01 mm/d相比,已經趨于穩定,在警戒值之內,說明對基坑本身而言,險情已經得到了較好的控制。3.3.3地表沉降及管線沉降變形 漏水點P01點附近設有一組地表沉降監測點A1-3～A1-4,間距5 m。該組沉降點累計變形曲線如圖8。周邊的3條管線累計變形曲線如圖10、11、12所示。不難看出在4月14日漏水點附近的管線都有了較大的沉降。 從上述圖表可以看出,發生漏水時,各監測點變形曲線形狀相近,總的變化趨勢相同。與基坑測斜點不同的是,地表沉降點及管線沉降監測點變形速率突然增大的時間不是發生在4月13號,而是在14號。這驗證了基坑土體變形的規律,地面和管線沉降對圍護墻體變形的響應確實有一定的滯后。同時也說明了基坑搶險與基坑開挖一樣,具有一定的時空效應。本次搶險采用先對基坑進行堵漏、再注漿是一種合理并行之有效的方法。4結語 隨著基坑開挖越來越深,承壓水所帶來的風險也越來越大。在基坑開挖和施工過程中,承壓水極容易對基坑造成危害,稍有不慎會帶來災難性后果。為防止水害,應采取以下措施: (1)在基坑施工前,應做好勘查工作,必須搞清場區及附近各含水層的特征,及含水層間、與地表水體間的水力聯系,并做好降水設計。 (2)在施工過程中,要確保地下連續墻的施工質量,并按照設計方案進行降水。做好監測工作,隨時注意監測數據的變化,發現異常情況立即采取搶險措施。 (3)水溶性聚氨酯是一種很好的堵漏劑,親水性好,遇水后會立即進行聚合反應,分散乳化或發泡膨脹,并與砂石泥土固結成彈性固結體,迅速堵塞裂縫,永久性止水,在基坑的搶險過程中能發揮有效的作用。 (4)基坑發生滲漏時,應采取“先堵漏,再注漿”的搶險措施。因為基坑漏水時,過大的承壓水頭會引起基坑水位、地下連續墻測斜、附近地表沉降、房屋沉降等多種變形速率突然加劇。搶險要遵循一定的時空效應,基坑出現險情首先體現在測斜點的數據異常上,一段時間后,地表沉降、房屋沉降等周圍環境監測點才相繼發現異常;先對基坑進行堵漏,在一定時間內再對周邊進行注漿是一種合理并行之有效的方法。參考文獻[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑出版社,1997.[2]劉濤.基于數據挖掘的基坑工程安全評估與變形預測研究[D].同濟大學,2007.[3]劉國彬,王洪新.上海淺層粉砂地層承壓水對基坑的危害及治理,巖土工程學報.2002.[4]丁春林宮全美孟曉紅.地鐵車站深開挖施工中下層承壓水的處理技術研究.[R].同濟大學路基與土工技術研究所,2004.
1.2環境巖土工程問題 減壓降水后,建筑場地下伏承壓含水層中形成了承壓水降落漏斗,必然在基坑周圍引起或多或少的地面變形,對相鄰環境造成一定程度的不利影響。地面變形如果被控制在某一范圍內,其對相鄰環境的影響較小;反之,地面變形如果超出某一范圍,其對相鄰建(構)筑物將產生具有危害性的影響。承壓水位下降引起的地面沉降的分布形態與承壓水降落漏斗的分布形態基本上是相似的(如圖2所示)。1.3圍護結構開裂、空洞引起的流砂 在飽和含水地層中,尤其在砂層、粉砂層、砂質粉土或其他透水性較好的夾層中,止水帷幕或圍護墻如產生開裂、空洞等不良現象,造成圍護結構的止水效果不佳或止水結構失效,致使大量的地下水夾帶砂粒涌入基坑,坑外產生水土流失。嚴重的水土流失可能導致支護結構失穩以及在基坑外側發生嚴重的地面沉陷,還可能在圍護墻后形成洞穴后突然發生地面塌陷(如圖3所示)。1.4坑底砂性土層的管涌破壞 在砂、粉砂、或砂質粉土等土層開挖基坑,如不采取井點降水措施或井點降水未達到預定效果,在坑內外的水頭差作用下,基坑底部可能產生冒水翻砂現象(即產生管涌),嚴重時可導致基坑失穩或影響施工進程(如圖4所示)。1.5地下結構抗浮問題 降水工程結束后,地下結構的重量以及基礎底面至承壓含水層頂板之間的殘留土層的重量不足以抵抗承壓水頭的頂托力或潛水含水層的浮力時,地下結構將會發生上浮。一旦發生了上浮現象,地下結構的復位將十分艱難。2上海地區常見砂性土層類型及特點2.1深層承壓水層 上海市地表下(深度大于30.0 m)分布有5個承壓含水層,它們對應的土層編號分別為7層、9層、11層、13和15層。雖然含水層在局部地區缺失,但總厚度大、水量豐富,除第Ⅰ承壓含水層外,水質好,適宜飲用,解放前即有小量開采。上世紀50年代到60年代初,曾大量開采地下水作為供水水源。上部第7、9、11層屬上海地區的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承壓含水層,厚度大、顆粒細(以粉、細、中砂為主),含大量云母,呈中密—密實狀態。當承壓水頭大幅度下降后,不僅含水層自身發生壓縮,而且由于承壓水水頭與潛水水位的水頭差加大,使軟土中孔隙水壓力降低,軟土發生固結。含水層及相關軟土的壓縮,導致地面變形。2.2微承壓水層 在現場工作中無論是基巖還是松散層,經常遇到壓頭不高的承壓水,有的僅在雨季為承壓水,而旱季則淪為層間無壓水。在上海地區厚層松散堆積層的淺部,存在著多層以粉性、砂性土為主的咸水含水層,在長年的上海市地面沉降研究工作中將上海地區的地層按地面沉降特性分層時均未專門處理,僅視為第一和第二壓縮層中的夾層。 近年來,是迅速發展的上海城市建設工程,引起了巖土工程師對這些含水層的重視,尤其是深基坑工程,經常遇到②3、③2和⑤2層細顆粒承壓含水層帶來的“麻煩”。為此,在1994版《上海市巖土工程勘察規范》中出現了上海“部分地區淺部的粉性土或砂土層中的微承壓水”的提法,并把②3、③2和⑤2層劃入。 從水文地質概念出發“,微承壓水”似應是一種承壓水頭很小的承壓水。它可能是天然的,也可能是現代人類活動大幅度抽吸地下水的結果。它在地下水的開采利用,相關的巖土工程問題乃至環境地質、旅游地質方面都和正常承壓水有所區別。因而如何用壓頭大小與一般承壓水區別開是一個比較復雜的問題。從基坑工程而言,似水頭小于3 m的承壓水可稱為“微承壓水”。因為此時,基坑底部只需有2m厚的隔水層既可維持底板穩定,或者稍作降水即可將承壓水頭降下去,進入正常施工。但具體的界定標準,似還應匯集供水水文地質,環境地質和旅游地質諸方面意見為宜。 按上述理解,上海地區全新世晚期及近期堆積,埋藏很淺的②3和③2兩層粉土,應歸屬“微承壓水”。而⑤2層粉性土似應屬正常的承壓含水層,因為該層為全新世早期填充于大理冰期末古沖刷槽內的溺谷相堆積,以粉土、粉砂為主,夾不等量粘性土;其空間分布多呈條塊狀、發育于⑥層暗綠色硬土層缺失區,故有時直接疊置于⑦層砂性土含水層上。該層頂板埋深一般大于20 m,經多年諸多工點實測統計承壓水頭埋深一般在地面下2.3～7.0 m,即一般具有高達近15 m的承壓水頭。在上海規范中將⑤2層歸入“微承壓水”可能出于以下原因: (1)在早期上海地區沉降研究中已按地基土層對地面沉降影響,將上海地區⑦層砂性土和⑨層含礫粉細砂二個承壓含水層分別命名為“第一承壓含水層”和“第二承壓含水層”。這樣,位于第一承壓含水層之上,呈條帶狀分布的承壓含水層⑤2層只能歸入“微承壓含水層”。 (2)20世紀90年代初上海的基坑工程尚少,遇到⑤2層的基坑工程更少,⑤2層承壓水對基坑的影響尚不十分突出,所積累的工程地質、水文地質資料也不多。3工程實例分析 下面以上海市軌道交通某車站險情為例,具體分析承壓水對基坑本體及其周邊環境造成的危害。3.1工程概況 車站主體為地下2層矩形框架結構,全長193.0 m。標準段基坑深約16.3 m,端頭井深約18.3 m。圍護采用地下連續墻,厚度800 mm,標準段成槽深度約30.5 m,內襯厚度400 mm;端頭井段成槽深度約33.5 m,內襯厚度600 mm。地下連續墻墻址位于⑦1層。頂圈梁800 mm×800 mm。 根據地質資料,本站基坑范圍內,⑤2層砂質粉土層為微承壓水層,水位埋深為18.0～19.5 m,⑦1層草黃～灰色粉細砂、⑦2層草黃～灰色粉細砂為第一承壓含水層,水位埋深28.3～37.2 m,承壓水水頭為地表下3.0～10.0 m。微承壓水、承壓水水位均呈幅度不等的周期性變化。⑤2層與⑦層承壓水在車站南部局部連通,并且基坑開挖底面進入⑤2層內。②3褐黃灰色砂質粘土層及⑤2灰色砂質粘土層為可液化土層,在動水壓力的作用下易產生流砂現象,對車站基坑開挖是不利的因素。基坑監測點的布置情況如圖5所示。3.2險情經過 2008年4月13日17∶00,車站南端頭井DQ-63和DQ-64地墻接縫在坑底以下位置出現大量漏水(該部位墊層在上午10∶00左右已澆筑完成),基坑和周邊管線均有加大的沉降。由于在南端頭井開挖過程中,施工單位已將Atlas及搶險物資進駐現場,因此在漏水情況發生后的45 min之內,施工單位即采取了內外封堵的搶險措施,坑內漏水位置使用袋裝水泥進行回填封堵,坑外使用Atlas引孔壓注聚氨酯及雙液漿,總計使用聚氨酯2.25 t,水泥50 t。由于處理及時、措施到位基坑漏水情況逐漸得到了有效控制,4月14日3:00基坑基本不再漏水,周邊環境變形區域穩定。分析基坑事故原因有: (1)坑外⑤2層微承壓水通過地墻上薄弱點滲漏進入基坑。盡管南端頭井在開挖之前在坑外地墻接縫位置做了旋噴樁止水處理,但在地墻向坑內變形40 mm之后,其與坑外接縫位置的旋噴樁之間即產生了滲漏通道,加上本區域地質條件較差,⑤2層與⑦2層承壓水連通,造成⑤2層微承壓水水量豐富且水壓較大,通過地墻上的薄弱點滲漏進入基坑。 (2)地下連續墻圍護結構由于施工等原因可能存在裂縫,或者空洞等不良現象,止水效果不佳。大量地下水夾帶砂粒沿連續墻裂縫向基坑內涌入,滲流路徑減小,水力坡度增大,造成坑內外水土流失。3.3監測數據分析3.3.1水位變化 基坑漏水側設有水位監測點SW01。該點變形曲線如圖6所示。在圖中可以看出,4月13日,該水位監測點有很大的降幅,大約1 200 mm/d左右,并且累計值超過了1 000 mm的警戒值,水位達到最低值-1950 mm。發生漏水后,處理措施及時,4月14日水位有明顯的上升,并在隨后趨于穩定。3.3.2圍護結構變形4月13日,P01測斜點具體變形情況見表1和圖7。 測斜點在漏水當天,變形速率超過了3 mm/d的警戒值。4月12日,13日,14日P01測點變形情況見圖7。從圖中可以看出,4月14日,P01點的最大變形速率為1.86 mm/d,與13日的8.01 mm/d相比,已經趨于穩定,在警戒值之內,說明對基坑本身而言,險情已經得到了較好的控制。3.3.3地表沉降及管線沉降變形 漏水點P01點附近設有一組地表沉降監測點A1-3～A1-4,間距5 m。該組沉降點累計變形曲線如圖8。周邊的3條管線累計變形曲線如圖10、11、12所示。不難看出在4月14日漏水點附近的管線都有了較大的沉降。 從上述圖表可以看出,發生漏水時,各監測點變形曲線形狀相近,總的變化趨勢相同。與基坑測斜點不同的是,地表沉降點及管線沉降監測點變形速率突然增大的時間不是發生在4月13號,而是在14號。這驗證了基坑土體變形的規律,地面和管線沉降對圍護墻體變形的響應確實有一定的滯后。同時也說明了基坑搶險與基坑開挖一樣,具有一定的時空效應。本次搶險采用先對基坑進行堵漏、再注漿是一種合理并行之有效的方法。4結語 隨著基坑開挖越來越深,承壓水所帶來的風險也越來越大。在基坑開挖和施工過程中,承壓水極容易對基坑造成危害,稍有不慎會帶來災難性后果。為防止水害,應采取以下措施: (1)在基坑施工前,應做好勘查工作,必須搞清場區及附近各含水層的特征,及含水層間、與地表水體間的水力聯系,并做好降水設計。 (2)在施工過程中,要確保地下連續墻的施工質量,并按照設計方案進行降水。做好監測工作,隨時注意監測數據的變化,發現異常情況立即采取搶險措施。 (3)水溶性聚氨酯是一種很好的堵漏劑,親水性好,遇水后會立即進行聚合反應,分散乳化或發泡膨脹,并與砂石泥土固結成彈性固結體,迅速堵塞裂縫,永久性止水,在基坑的搶險過程中能發揮有效的作用。 (4)基坑發生滲漏時,應采取“先堵漏,再注漿”的搶險措施。因為基坑漏水時,過大的承壓水頭會引起基坑水位、地下連續墻測斜、附近地表沉降、房屋沉降等多種變形速率突然加劇。搶險要遵循一定的時空效應,基坑出現險情首先體現在測斜點的數據異常上,一段時間后,地表沉降、房屋沉降等周圍環境監測點才相繼發現異常;先對基坑進行堵漏,在一定時間內再對周邊進行注漿是一種合理并行之有效的方法。參考文獻[1]劉建航,侯學淵.基坑工程手冊[M].北京:中國建筑出版社,1997.[2]劉濤.基于數據挖掘的基坑工程安全評估與變形預測研究[D].同濟大學,2007.[3]劉國彬,王洪新.上海淺層粉砂地層承壓水對基坑的危害及治理,巖土工程學報.2002.[4]丁春林宮全美孟曉紅.地鐵車站深開挖施工中下層承壓水的處理技術研究.[R].同濟大學路基與土工技術研究所,2004.
