城市地下空间的开发利用已成为增加城市功能、改善城市环境的必要手段。当前, 城市地下空间主要采用基坑开挖的形式, 基坑工程在深度、数量和规模上与日俱增。很多基坑, 特别是城市建筑密集区的高层建筑基坑、大型厂房工业设备基础基坑等, 由于场地紧凑、紧贴红线, 呈现出紧、近、大、深、难、险等特点。

基坑挖土至地下水位以下时, 若地下水对土颗粒产生的动水压力大于土的浸水重度, 土颗粒会失去稳定性变成流动状态, 被水流带到基坑内, 形成流砂。流砂的形成对基坑开挖的安全和正常使用影响极大。

流砂层通常主要由细小、均匀、松散、饱和的非黏性土形成。当基坑开挖到地下水位以下时, 有时坑底土会进入流动状态, 随地下水涌入基坑, 严重时产生管涌、流砂现象。此时, 基底土完全丧失承载力, 施工条件极为恶化, 严重时会造成基坑边坡塌方, 甚至危及紧邻基坑建筑物。为杜绝该现象的发生, 在含流砂层的基坑施工前必须做好降水工作, 将地下水位降至基坑底标高0.500m以下。然而, 由于流砂层中非黏性土的颗粒细小, 在降水过程中随水流移动, 聚集于管井滤水段, 造成堵塞, 抽水量缓慢降低, 土体中的水不能继续排出。

综上所述, 紧邻既有建筑物条件下, 含流砂层的深基坑管井降水施工中遇到的是土力学、渗流力学、工程水文地质等多个学科交叉的问题, 具有复杂性、综合性。

以昆山花桥梦世界电影文化综合体 (C区) 基坑工程管井降水施工为例, 对紧邻既有建筑物含流砂层深基坑管井降水施工技术进行初步探讨。

昆山花桥梦世界电影文化综合体 (C区) 工程坐落于昆山市花桥经济开发区花桥国际商务城西南部, 北邻绿地大道, 西邻东城大道, 东侧为薛赵路, 南靠金捷路。基坑开挖面积约35 000m², 支护长度约830m。基坑北邻绿地新开河, 西邻一期 (未开工) 空地, 东侧为薛赵路 (下有综合管廊) , 南侧为已建成的嘉宝梦之晨住宅小区, 如图1所示。

基坑开挖最深达黄海高程-6.700m (±0.000相对于绝对标高为黄海高程+2.300m) , 开挖深度达10.0m。基坑支护形式为:基坑东侧、南侧采用16m三轴水泥土搅拌桩内插15m的H型钢;基坑北侧采用12m拉森IV型钢板桩与18m锚杆;基坑西侧采用二级放坡。基坑平面如图2所示。

根据《工程岩土工程勘察报告》, 本工程场地自上而下的土层依次为。

1) (1) ₁层素填土杂色, 以黏性土为主, 底部局部为淤泥, 结构松散, 含有机质和腐殖物。场区局部分布2.10~8.70m厚, 层底标高-6.050~0.300m, 层底埋深2.10~8.70m。

2) (1) 层素填土灰色, 以黏性土为主, 结构松散, 富含植物根系, 局部经一定程度碾压, 除局部孔缺失外场区普遍分布, 厚0.80~2.50m, 层底标高-0.570~1.740m, 层底埋深0.80~2.50m。

3) (2) 层粉质黏土灰黄色, 呈软~可塑状, 稍有光泽, 韧性中等, 中等干强度, 夹灰色黏土条带, 含植物根系。除局部孔缺失外场区普遍分布, 厚0.40~1.40m, 层底标高-0.970~0.740m, 层底埋深1.80~3.10m。

4) (3) 层淤泥质粉质黏土灰色, 呈流~软塑状, 稍有光泽, 中等韧性, 中等干强度, 含腐殖质、有腥味。除局部孔缺失外场区普遍分布, 厚0.50~2.90m, 层底标高-3.070~-1.470m, 层底埋深3.90~5.20m。

5) (4) ₁层黏土灰色~灰褐色, 呈可塑~硬塑状, 有光泽, 干强度及韧性为中等偏高, 局部为黏土。场区普遍分布, 厚0.80~4.70m, 层底标高-7.270~-5.600m, 层底埋深7.80~9.50m。

6) (4) ₂层粉质黏土黄褐色, 可塑, 有光泽, 中等干强度及韧性, 局部夹薄层状粉土。场区普遍分布, 厚0.60~2.40m;层底标高-8.470~-6.620m;层底埋深8.90~11.00m。

7) (5) ₁层粉土灰黄色, 稍密, 很湿, 摇震反应迅速, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 含粉砂, 局部夹粉质黏土。场区普遍分布, 厚0.70~2.80m;层底标高-10.530~-8.090m;层底埋深10.20~12.90m。

8) (5) ₂层粉砂夹粉土草黄色~灰黄色, 中密, 局部密实, 饱和, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 主要由长英质及云母碎片组成, 夹粉土, 局部夹粉质黏土。场区普遍分布, 厚3.40~8.30m;层底标高-16.990~-12.390m;层底埋深14.70~19.50m。

9) (5) ₃层粉土夹粉质黏土草黄色, 呈稍密~中密状, 很湿, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 夹粉质黏土, 局部夹粉砂。场区普遍分布, 厚1.30~6.60m;层底标高-20.860~-17.450m;层底埋深19.60~23.30m。

10) (5) ₄层粉土夹粉砂灰色, 中密, 局部密实, 很湿, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 夹粉砂, 局部夹粉质黏土。场区普遍分布, 厚4.40~10.20m;层底标高-29.060~-22.890m;层底埋深25.40~31.50m。

11) (5) ₅层粉土夹粉质黏土灰色, 呈稍密~中密状, 很湿, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 夹粉质黏土, 局部夹粉砂。场区局部分布厚2.20~15.30m;层底标高-41.140~-27.370m;层底埋深29.80~43.50m。

12) (6) ₁层粉质黏土灰色, 呈软塑~可塑状, 稍有光泽, 韧性及干强度中等偏低, 局部夹薄层粉土。场区局部分布, 厚0.90~6.70m;层底标高-36.560~-30.920m;层底埋深33.20~39.00m。

13) (6) ₂层粉质黏土夹粉土灰色, 呈软塑~可塑状, 稍有光泽, 韧性及干强度中等偏低, 夹粉土, 局部粉质黏土与粉土呈互层状。场区局部分布厚2.00~8.80m, 层底标高-39.660~-37.820m;层底埋深39.90~42.20m。

14) (7) ₁层粉土夹粉砂灰色, 呈中密~密实状, 很湿, 摇震反应迅速, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 夹有粉砂, 黏粒含量高。场区局部分布厚2.60~6.90m;层底标高-44.560~-38.060m;层底埋深40.60~46.90m。

15) (7) ₂层粉土夹粉质黏土灰色, 呈稍密~中密状, 很湿, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 夹粉质黏土, 局部粉土与粉质黏土呈互层状。场区局部分布, 厚0.60~6.80m, 层底标高-45.960~-42.660m, 层底埋深45.20~48.10m。

16) (7) _A层粉质黏土灰色, 呈可塑~硬塑状, 有光泽, 中等干强度, 中等韧性, 局部夹粉土。场区局部分布, 厚0.40~7.40m, 层底标高-66.610~-38.960m, 层底埋深41.40~69.00m。

17) (7) ₃层粉砂夹粉土灰色, 呈密实~中密状, 饱和, 切面粗糙, 韧性及干强度低, 主要由长英质及云母碎片组成, 局部夹粉土。

昆山市地处长江三角洲太湖堆积平原, 地形平坦、河网密布。第四纪地层沉积很厚, 达180~300m, 历经多次地壳升降及海侵、海退, 形成了多层地下含水层, 上部潜水地下水位较高, 下部地下水为承压水。

该场地 (4) ₁~ (4) ₂层和 (6) ₁~ (6) ₂层渗透性较差, 为相对隔水层。本次勘察深度内存在2层承压水:第1层承压水赋存于 (5) ₁~ (5) ₅层孔隙中, 主要受地表水补给和潜水的越流补给;第2层承压水赋存于 (7) ₁~ (7) ₃层中, 主要受地下径流和上层承压水的越流补给。 (4) 层中承压水头约为1.0m, (6) 层中承压水头约为5.0m。流砂层存在于 (5) ₁~ (5) ₅层。

本工程形成流砂的原因:管井降水过程中深基坑外侧水位高于内侧水位, 深基坑外侧水向内侧流动, 流动的动水压力大于土体颗粒的浮重度, 使土体悬浮, 从稳定状态变为流动状态, 随水流从坑底或四周涌入坑内。紧邻既有建筑物基础中的砂性土颗粒跟着砂层一起流动, 发生位移。进而导致地基持力层的物理力学性质发生变化, 严重时导致地基被掏空, 引起地基变形失稳, 产生过大沉降。

1) 难点1基坑降水过程中, 流砂层中的砂性土颗粒随水流缓慢移动, 逐渐聚集在管井滤水段引起淤堵, 导致管井出水速率逐渐降低。出水速率降低后, 会导致降水达不到设计要求, 进而导致基坑边坡渗水、失稳, 甚至垮塌, 严重威胁施工安全。管井淤堵后疏通困难, 为保证降水效果不得不重新打井, 增加管井数量。不仅延误工期, 还会增加施工成本。

2) 难点2流砂层引起管井内地下水补给较快, 管井停止抽水后, 井内水位快速上升。井口水泥砂浆溶解于水中, 不能硬化, 严重影响施工质量。

3) 难点3为保护基坑周边环境, 通常采用SMW工法、地下连续墙、钻孔灌注桩挡土, 高压旋喷桩、搅拌桩等形式止水。上述方法发挥作用离不开水泥浆的硬化。由于流砂层渗透系数较大, 层内地下水动水压力和水流速度相对较大, 导致水泥浆尚未硬化并形成强度前即被地下水冲散, 导致基坑内、外的地下水产生连通。坑内降水在流砂层的作用下引起坑外水土流失, 导致已建成的嘉宝梦之晨住宅小区、综合管廊的不均匀沉降。

1) 降水开始时间基坑降水在土方开挖前10d开始进行。

2) 降水目的降水可为基坑开挖提供良好的施工环境, 保证施工机械和工作人员顺利作业、改善基坑开挖土体的性状、提高土体强度、稳定边坡、减缓基坑变形、防止开挖过程中产生管涌、流砂等不良现象, 保证施工顺利进行。

3) 降水方案选型基坑浅部土层为粉质黏土和淤泥质黏土层, 具有聚水、保水性强、渗透系数小、出水量较小等特点。在场地内 (5) ₁~ (5) ₅层土中有承压水, 为满足基坑坑底抗突涌稳定要求, 保证基坑安全、施工顺利, 根据工程特点, 综合降水效果、施工方便程度、施工成本以及后续施工搭接等因素, 采用深井降水, 局部配合轻型井点降水。

4) 管井降水施工部署根据《工程岩土工程勘察报告》, (5) ₁~ (5) ₅层为承压含水层, 布置24口降水井进行抽水, 同时考虑上层土的潜水, 在基坑西侧平台增加轻型井点降水, 降水平面布置如图3所示。

管井施工在工程桩施工完成后进行, 具体施工顺序安排为:首先施工编号为井19~井24的6口井;随后施工编号为井17~井18、井1~井5、井6~井9的11口井;最后施工编号为井10~井16的7口井。

5) 管井降水施工工艺流程 (见图4)

6) 降水要求保证基坑开挖时基坑区域水位线位于坑底以下≥0.5且≤1.0m。

抽水系统和真空系统安装完毕后应进行试抽, 达到要求后方可进行正常抽水。除特殊情况外, 该系统应连续工作。

抽水期间, 应做好记录, 并与监测单位密切配合。遇有情况应立即请示业主及有关单位, 及时协商解决。

抽水期间应对坑外周边环境做好地下水位监测, 必要时应进行回灌。

1) 布孔定位根据井位平面布置图设计坐标测放管井中心点位。钻机架设必须平正牢固, 钻头、磨盘和孔位中心点对中, 护口管、转盘和天车应在同一垂直线上。

2) 钻孔采用GPS-10回旋式钻机, 钻杆直径与钻孔直径应相适应, 避免细钻杆钻大孔。孔径为600mm, 孔内采用泥浆护壁, 孔口设PVC护筒, 以防孔口塌方, 并在一侧设排泥沟、泥浆池。深井管底部1~2m应填滤料。钻进施工中保持钻杆直立不摆动。钻孔过程中应对水位、水温、水洗液、井壁坍塌、涌砂和气体逸出等情况进行观察和记录。

3) 清孔换浆钻到预定孔深后为防止泥浆沉淀和井孔坍塌, 应及时清孔换浆, 将泥浆稀释到相对密度约1.05。在稀释泥浆时应密封井管管口, 使泥浆从过滤器经井管与孔壁的环状间隙返回地面。稀释泥浆逐步置换的泥浆含砂量≤5%, 孔底沉渣厚度≤30cm。

4) 井管安装清孔换浆后采用导向器进行探孔, 井深偏差控制在设计井深的±1/500。孔深合格后安装井管, 井管必须保证材料质量满足制作要求。井管应平稳入孔, 第1节井管底部应采用315mm的PVC管盖封底口, 井管上端口应高出地面>50cm, 每节井管的两端口要找平。为保证井管不靠在井壁上并保证填砂厚度, 在滤水管上、下部各加1组扶正器。过滤器应刷洗干净, 过滤器缝隙均匀, 外包3层200号的土工布。下管要准确到位, 自然落下, 稍转动下落到位, 严禁强行将管井压入井孔, 以免损坏过滤结构。

5) 填料井管到达预定深度后, 应适当稀释孔内泥浆, 井管必须居中。

填料前应采用黏土封闭井管上部管口, 然后立即在井管周围灌砂滤料。滤料质量必须符合要求, 经过筛选冲洗, 应干净无杂质, 颗粒形状近似圆形。砂粒粒径为2~3mm, 含泥量≤3%, 中位粒径d₅₀=1.3mm。

滤料采用循环填料的方法, 必须连续均匀适速投放, 避免填料速度过快或不均匀造成滤管偏移及滤料在孔内架桥等现象。洗井后滤料下沉时应及时补充滤料, 滤料的充填量不小于计算充填量的95%。滤料充填至施工作业面以下2m时应压实滤料, 改用优质黏土充填至施工作业面, 并压实和封闭填料口。严禁井管内落入杂物。

6) 井内安设水泵及控制电路各井内吊放1台潜水泵, 用铁丝吊放牢固, 固定于井口。潜水泵在安装前, 对水泵本身和控制系统做全面细致的检查, 确认无误后方可安装。

7) 洗井填料完成后应立即将潜水泵下入井内进行洗井, 直到抽出清水为止。应逐根进行清洗, 避免出现死井。洗井结束后, 井水含沙量应<1/10 000, 井内沉渣厚度≤8cm。

8) 试抽洗井后应对井管进行单井试抽。试抽时间应≥24h, 以检查出水是否正常、有无淤塞等现象。如有异常, 应重新洗井, 并再次进行试抽, 直到符合要求。

试抽过程中, 应经常对抽水设备的电动机、传动机械、电流、电压等进行检查, 并对井内水位下降和流量进行观测和记录。

9) 降水运行试抽无误、抽水设备一切运转正常后, 按照验收规范和设计要求进行验收。验收合格后, 方可正常抽水作业。抽水的水位和出水量稳定在4~8h。降水10d后将形成地下降水漏斗, 土方工程在降水10d后进行开挖。

10) 管井监测 (1) 孔隙水压力监测目的是了解降水期间地层中孔隙水压力的变化, 以便估算地基强度和基坑稳定性。孔隙水压力通常每日观测1次, 如有异常必须加强观测, 每日≥2次。 (2) 出水量监测和记录每口井必须配备1套相适应的流量计装置, 每日必须至少1次记录出水量, 且必须满足正常出水量要求。 (3) 含砂量监测和记录每口井必须配备1套相适应的含砂量计量装置, 每日必须至少1次记录含砂量, 且必须满足要求。

11) 管井封井 (1) 前提条件封井前, 须进行主体结构抗浮验算。地下室结构施工至±0.000, 基坑周边已回填且不需继续降水, 按先后顺序对所有承压降水井进行封闭, 确保安全可靠。 (2) 封井顺序

首先将处于工作状态的降水井间隔局部封堵, 然后继续对未封堵降水井的工作状态 (包括出水量情况、水位变化值、水泵位置标高等) 进行观测, 满足封堵条件后逐一封堵剩余降水井。

针对难点1, 降水管井井深15.4m, 成孔600mm, 滤管采用315mm的PVC滤管, 滤料采用2~3mm粒径的中粗砂, 滤网采用200号土工布。GB50296—2014《管井技术规范》指出“填砾过滤器井的开采段井径应大于设计过滤管外径150~300mm”, 成孔直径与滤管直径满足规范要求。滤管结构如图5所示。

为避免流砂淤堵, 对滤管段进行改进, 可有效解决深基坑管井降水流砂涌入堵塞管井。在滤管段外包裹粗、细2层纤维的针刺非织造土工织物, 其中靠外侧的粗纤维针刺非织造土工织物为8D纤维, 靠内侧的细纤维针刺非织造土工织物为6D纤维。最外层8D维度的可对流砂进行第1层阻隔, 内侧6D维度的针刺非织造土工织物可对外层8D维度针刺非织造土工织物的流砂进行二次阻隔, 通过2层粗细针刺非织造土工织物可有效地防止流砂对滤管的淤堵。

绑扎过程中, 2层不同粗细维度的针刺非织造土工织物应分开绑扎, 内层6D维度的绑扎牢固后再进行外侧8D维度的绑扎。2层不同粗细维度针刺非织造土工织物之间的接缝不能在同一平面上, 且接缝应上、下错开500mm以上。

为保证基坑降水效果, 浇筑底板后对承压降水井进行封井。针对难点2, 采用如下步骤。

1) 保持承压降水井水位处于静止状态, 采用优质的压密黏土填充承压降水井, 填充高度比滤管高出2~3m;待黏土完全沉淀稳定, 用水泵将水抽出, 用水位计测量承压水渗透情况。

2) 采用压密的黏土球对承压降水井进行填充, 填充高约2m, 用水位计检测承压水渗透情况。

3) 向承压降水井填入瓜子片和砂的拌合物, 砂石拌合物的回填高度应在基坑底板以上2m处。

4) 用钢筋固定注浆管与井口后开始注浆, 使水泥浆通过瓜子片的空隙渗入井管缝隙。

5) 到达水泥浆的初凝时间后, 割除井管至底板面以下0.5m。

6) 观测2~4h, 若井管内有少量水溢出, 可使用快干水泥对井管进行封闭;若井管内无水溢出, 且封闭效果满足要求, 焊接钢板封闭井口。在绑扎底板钢筋时放入套管, 套管直径比PVC滤管略大。封井时, 将钢板与套管焊接, 完成封井。钢板与PVC滤管不直接接触。

7) 将承压降水井处预留的基坑混凝土底板周边凿毛, 垃圾清理完成后绑扎钢筋进行二次混凝土浇筑。承压降水井封井示意如图6所示。

基坑东侧为薛赵路 (下有综合管廊) , 南侧为已建成的嘉宝梦之晨住宅小区, 降水若引起综合管廊和住宅小区的沉降, 将会导致较大的经济损失。针对难点3, 在基坑支护结构与紧邻既有建筑物间先设置隔断墙, 隔断墙比基坑支护结构深2m以上。隔断墙采用密排钻孔灌注桩。

钻孔灌注桩施工过程中须注意:成孔的孔径以及垂直度要满足要求;下钢筋笼时要注意钢筋笼不要碰到孔壁, 钢筋笼就位后固定牢固;清孔后的沉渣厚度要满足要求, 清孔后及时进行水下混凝土的浇筑工作, 因故间隔4h以上不能浇筑水下混凝土时应重新清孔;浇筑水下混凝土时, 混凝土的质量、粗骨料的粒径、混凝土的坍落度等技术标准应满足要求, 隔水栓应满足要求能顺利排出;混凝土浇筑过程中要控制导管的拔出速度, 严禁导管拔出混凝土灌注面, 初灌时导管埋深0.5~1m, 正常灌注对导管埋深2~6m;混凝土浇筑后的高度要超出设计标高0.500~1.000m。

隔断墙施工完成后, 在隔断墙和基坑支护结构中间灌注双浆液 (见图7) 。双浆液是由水泥浆与水玻璃掺和而成, 水泥浆和水玻璃组成的掺和物初凝时间为0.5~1.5min, 掺和物中硅酸盐水泥、水、水玻璃的比例为1∶0.5∶0.05。

用形成的双浆液在隔断墙和基坑支护结构之间进行注浆加固, 根据紧邻既有建筑物的距离决定注浆为1排或者多排。注浆完成后, 随着基坑降水开挖的进行观测紧邻既有建筑物的沉降, 如果沉降的变化超出预计范围则应在隔断墙和基坑支护结构间增加双浆液的注浆量。

基坑施工过程中, 每日对基坑与紧邻既有建筑物进行位移和沉降观测。280d累计最大变化量如表1所示。通过在基坑支护结构与紧邻既有建筑物间先设置隔断墙的方法, 邻近道路、管线、围墙等的280d累计位移和沉降最大变化量远低于报警值。

1) 深基坑管井防流砂淤堵方法简便易行、切实有效, 可靠地保证了深基坑管井降水顺利进行, 节省管井淤堵清理施工工期及费用, 确保了深基坑的安全。

2) 底板浇筑后的承压降水井封井方法采用压密黏土取代部分注浆可节省施工费用, 采用止水钢板满焊封井, 一次完成效果显著, 缩短了工期。

3) 紧邻深基坑既有建筑物降水引发的沉降, 通过对建筑物浅基础进行保护等措施, 可有效避免因降水引起的建筑物开裂、倾斜等, 确保建筑物安全和深基坑施工顺利进行, 节省建筑物后期维修费用, 保护深基坑周边环境。