地下水是地质环境最为活跃的组成部分, 而基坑涌水是一种非常有害的地下水不良作用, 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, 当基坑底部到承压含水层顶部的残留土层不能与承压含水层水头顶托力平衡时, 承压水则冲破基坑底而涌入基坑中, 同时携带下部土颗粒, 发生流砂现象, 严重时造成基坑围护结构失稳和整个地基悬浮流动, 最终酿成基坑工程中最大的危险事故^[1,2,3]。然而, 基坑涌水的原因是多方面的, 孙玉永等^[4]提到涌水的原因有超挖、场地内空洞处理不当以及承压水地勘不详或有误等。另外, 郑刚^[5]、李瑛等^[6]对国家规范抗突涌稳定性验算公式进行分析以及提出更为精准的计算公式, 由于岩土工程具有很强的区域性和不确定性, 相对保守的规范公式得到广泛的运用, 但基坑涌水事故往往发生在一瞬间;戴斌^[7]、翁其平等^[8]总结了对于影响基坑工程的承压水问题处理通常有“隔水”、“降压”及“封底”3种技术手段, 但止水帷幕很难做到完全密封以及常规降水手段容易造成地面沉降等一系列负面影响。

本文以南宁市某地铁车站基坑发生涌水事故的实例进行分析研究, 从勘察、设计到施工环节对本次涌水原因进行深入的分析, 提出有效的注浆加固坑底土体的方法, 结合现场监测数据证明了该处理方法的可行性, 可用于解决类似工程问题。

该地铁车站为地下2层岛式站台车站, 车站主体结构底板埋置标高为62.540~64.390m, 埋深约16.77~21.27m, 本站采用明挖法施工, 车站主体2层结构主要采用钻 (冲) 孔灌注桩+内支撑支护方案, 有效站台中心里程基坑开挖深度约为17.3m, 钻孔灌注桩嵌固深度为4~5m。

1) 地质条件

根据地质勘察报告, 本车站土层自上而下分布情况及其物理参数如表1所示。

2) 水文条件

根据本次勘察成果及区域水文地质资料, 结合地下水按赋存条件、含水介质及水力特征分析, 本场地地下水类型主要为基岩裂隙水。

基岩裂隙水:该层地下水主要赋存于下伏古近系半成岩泥质粉砂岩 (7) _3-2层、粉砂岩层 (7) _3-3层, 具承压性、富水性弱, 属弱~中透水层。

本次勘察稳定水位埋深4.0~8.8m, 水位埋深标高为72.360~79.20m。水头高度4~8m, 含水层的水头高度与上覆泥岩、粉砂质泥岩隔水层的厚度有关, 含水层埋深越深, 上覆隔水层厚度越大, 承压水的承压水头越高, 反之较低。

地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切, 每年5—10月为雨季, 大气降雨充沛, 水位会明显上升, 而在冬季因降水减少, 地下水位随之下降, 年变化幅度为2.5~3.2m。

该车站基坑共发生2次涌水事故。2014年12月21日, 在基坑开挖的过程中, 靠右线 (6) ~ (7) 轴开挖至基坑底部以上4m左右出现了较大的涌水现象, 涌水量330m³/h, 最后采用坑内承压水斜孔注浆的方法进行封堵, 于23日堵住了涌水的水头。12月30日在靠近左线 (6) 轴位置开挖至基底以上约1m又出现新的涌水点, 涌水量与上次相当, 立即采用注浆封堵涌水口的方法未将水完全控制住。随后打设2处降水井, 试图降低涌水水头, 做抽水试验之后, 并没有达到止住涌水水头的效果。两处涌水点和降水井位置如图1所示。

1) 经现场观察, 结合围岩地质情况, 初步分析涌水原因为地质报告没有准确反映承压含水层的位置。原勘探孔洞MBZ2-C04地质揭露, 该孔孔底标高44.230m, 距涌水孔口23.57m, 涌水口以下主要为 (7) _3-1粉砂质泥岩 (厚为10.3m) 、 (8) _J3角砾岩 (中风化) (厚为9.0m) 。泥岩、粉砂质泥岩为已固结成岩石状的半成岩, 岩芯大部分呈柱状, 岩质较软, 锤击声哑, 连续稳定分布, 为隔水层。初步判断水源为 (8) _J3角砾岩 (中风化) 层, 为地下承压水, 含水层埋深较深, 上覆隔水层厚度较大, 承压水的水头较高。由于基岩裂隙发育, 经过人工下去探明可以初步确定出水孔实际上是裂隙发育孔的出水孔。

再者, 勘察工作疏忽大意, 原勘探孔洞MBZ2-C03未封堵彻底, 为事故的发生埋下隐患。

2) 在设计方面存在水文参数选用不当, 如对承压水头采用平均水头或未考虑到不同季节的水头变化。针对此次涌水事故, 重新对该基坑底进行抗突涌验算。涌水处剖面如图2所示。

本基坑坑底标高为64.230m, 不透水土层底面高程约为53.230m, 承压水上覆土层厚11m, 稳定水位为77.230m。依据GB50007—2002《建筑地基基础设计规范》, 规定当上部为不透水层、坑底下某深度处有承压水层时基坑底抗突涌稳定性可按下式验算:

式中:r_sat为透水层以上土的饱和重度 (k N/m³) , 本计算取24k N/m³;t+Δt为透水层顶面距基坑底面的深度 (m) , 本计算取11m;P_w为含水层水压力 (k Pa) , P_w=10× (77.230-53.230) =240k N/m²。

经计算r_sat (t+Δt) /P_w=1.1≥1.1, 勉强满足基底抗突涌验算要求, 但是本次施工中还是发生了涌水事故。所以依据《建筑地基基础设计规范》计算结果偏于保守, 但是由于岩土工程的复杂性及不确定性, 该地区地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切, 大气降雨时水位会明显上升, 水位标高高达79.200m, 则r_sat (t+Δt) /P_w=1.02<1.1, 显然不满足规范要求, 这显然增大了事故发生的可能性。

3) 此外, 由于地质环境的千变万化, 不注重信息化施工, 不可避免出现意外事故。同时, 施工管理不到位, 缺乏相应的应急预案和设备材料的准备, 一旦发生涌水没有相应的措施进行处理, 拖延了应急救援的时间, 导致事态扩大, 危险加剧。

在发现基坑发生涌水时, 首先采用挖掘机在涌水孔附近回填部分岩土, 以防水位回升过快导致淹没涌水口, 给后面的处理带来不便;然后采用人工装运20kg的砂袋, 在涌水孔附近搭设一个辐射半径4~5m的施工平台, 并且撒一些水泥粉在砂袋缝隙处, 减少施工平台漏水。之后采用钢管+棉被填塞涌水孔, 使水量稍微减小。然后采用2个直径2m、长度2m的钢护筒埋设在涌水孔周边, 使涌水孔内水压减小, 同时在钢护筒周边喷射混凝土, 人工采用砂袋砌筑施工应急平台。

通过专家组的讨论研究, 最终采用以下止水方案。

将现有埋护筒加高, 高度至静水面以上1.0m并采用钢板封闭;将护筒外泄水孔同管焊接好, 并接好阀门, 将护筒上口采用钢板封闭, 再关预留阀门, 如图3所示。

为了静水注浆时能满足封闭注浆要求, 采用挂网, 并浇筑C25混凝土, 厚度25cm。

1) 确定注浆范围 经计算, 为了确保开挖安全, 注浆范围为裂隙带范围外扩2m, 深度为底板开挖面以下5m。

2) 采用2m×2m梅花形布孔, 孔深至基坑底以下5m。如图4, 5所示。

护筒加高并封闭→预留泄水孔并安装阀门→挂网浇筑混凝土→注浆施工。

1) 材料及配合比要求

采用P·O42.5普通硅酸盐水泥;水玻璃:模数m=2.4~3.4, 浓度30~40°Be';双液浆混合后, 现场试验失去可泵性的时间约为60s;速凝剂掺量宜为胶凝材料质量的2%~10%。双液浆施工配合比: (1) A1液 水玻璃∶水=1∶1 (体积比) , 水玻璃400~440kg; (2) A2液 水玻璃∶水=1∶2 (体积比) , 水玻璃110kg; (3) B液 外加剂20kg; (4) C液 P·O42.5普通硅酸盐水泥256kg, 外加剂6.9kg。A, B液1 000L或A, C液1 000L, 溶液由A1, B液组成, 悬浊液由A2, C液组成。

浆液压力为0.2~0.8MPa, 以注浆压力表观测控制。

2) 钻孔 注浆范围为出水口周围, 采用斜插法钻孔, 注浆孔深度为底板以下5m。孔位确定后, 钻机进场就位, 应使钻机底部平整稳固, 并在钻进2m时及以后每加一节钻杆均需对钻机调平校正。钻机采用泥浆护壁造孔。

3) 安装袖阀管 袖阀管分花管和实管两部分, 根据注浆高度配备花管, 下管时管内灌入清水, 使花管下至孔底, 花管的长度高于地面10~20cm。

4) 双液浆注浆方法采用二重管无收缩双液WSS工法注浆, 二重管无收缩双液注浆技术是采用二重管钻机钻孔至预定深度后注浆。浆液有2种, 即溶液型 (A, B液) 和悬浊液 (A, C液) 。2种浆液通过二重管端头的浆液混合器充分混合, 在不改变地层组成的情况下, 将颗粒间存在的水强迫挤出, 使颗粒间的空隙充满浆液, 并固结达到改良土层性状的目的, 颗粒间隙中充满了不流动而且固结的浆液后, 使土层透水性降低, 从而形成相对隔水层。

5) 终灌标准 保证地面不产生裂缝和隆起, 0.6~0.8MPa的注浆压力下稳压15min。

6) 二重管无收缩双液WSS工法注浆如图6所示。

7) 质量保证措施 (1) 在试验过程中, 应观察相邻注浆孔的排气、返水、冒浆等情况, 若周围孔有浆液冒出, 应停止灌浆固结。12h后重新注浆; (2) 做好注浆原始记录, 包括注浆压力、注浆量、水泥用量等项目。注浆结束后, 在注浆管上盖上闷盖, 以便于复注施工; (3) 封堵后不得有肉眼可见流水。

涌水事故发生后, 项目部组织相关人员加强对涌水点附近进行监测, 部分监测点平面布置如图1所示。

实施上述处理方案后, 相关人员对注浆前后的监测数据进行整理分析, 部分监测数据如图7、图8所示。

监测数据显示, 在注浆前, 支护桩桩顶水平位移和地表位移从涌水事故起不断增大, 有个别监测点累计变化量已达到预警值。随着注浆的进行, 各项指标趋于稳定, 注浆完成后, 各项监测值均已稳定。同时, SW9, SW10等水位也已稳定, 表明本次基坑涌水处理过程中采取的处理措施是正确的, 达到了良好的效果, 涌水孔得以彻底封堵, 止水效果显著, 工程得以顺利实施, 并将损失减小到最低限度。

1) 施工前勘察工作极为重要, 必须严格按有关规定进行, 准确查明地下土洞、承压水等危险源的详细信息, 勘察孔要及时封堵, 以免留下安全隐患。

2) 基坑坑底以下存在承压水时, 极易由于坑底安全厚度不足引发基坑涌水事故, 需引起重视。在设计阶段, 要严格选取计算参数, 增加安全储备, 特别在做基坑底抗突涌验算时, 应考虑岩土工程本身特有的复杂性及不确定性, 严格设计, 考虑最危险的因素, 保证安全。

3) 保证施工质量, 严格按照设计要求施工, 做好各种排水、截水措施;加强施工管理, 做好应急物资准备工作, 及时组织应急演练及培训;倡导信息化施工, 做好实时监测工作, 及时反馈信息指导施工。

4) 基坑底发生涌水时, 及时摸清涌水原因, 采取适当的堵漏措施, 再采用上述注浆法加固坑底土体, 提高岩土体的物理力学性质, 收到了良好的效果, 可为相关工程事故提供借鉴。