杭州地鐵秋濤路站基坑施工管涌分析處理摘 要 以杭州地鐵秋濤路站東區基坑施工兩次管涌為例,分析發生管涌的原因、處理措施,并介紹深基坑降水的重要性、圍護結構滲漏的檢驗和加固以及安全性驗算方法等。關鍵詞 基坑施工 涌水涌砂 分析處理1 工程概況 杭州地鐵一號線試驗段秋濤路站,位于杭州市秋濤路與婺江路交叉路口,沿婺江路地下布置,穿過秋濤路和新開河。該站為地下雙層島式車站,車站總長259.6m,車站寬度18.9m,采用雙層雙跨箱形框架結構,頂板覆土埋深約5.0m,底板埋深約18.0m,車站圍護結構采用φ1000@750鉆孔咬合灌注樁,插入比約為1∶0.8。2工程地質和水文地質 根據工程詳細勘察報告,基坑開挖影響范圍內各土層的巖土物理力學指標如表1所示。
場區地下水分布為淺層潛水和深層承壓水。 淺層潛水屬孔隙性潛水類型,主要賦存于上部①層填土和②層粉土、粉砂中,補給來源主要為大氣降水及地表水,地下水位隨季節性變化,勘探期間測得地下水位埋深0.85～3.45m。承壓水主要分布于深部的⑧-1層中細砂和⑧-3層圓礫夾卵石中,水量較豐富。隔水層為上部的粘性土層(⑤、⑥層),承壓水頭埋深約在地表下5.00m,即黃海高程3.62m。3 工程特點 (1)基坑開挖深度較大,最深達18m; (2)基坑周圍地下管線密集,鄰近建筑物多,環境條件較差; (3)基坑地層主要為砂質粉土,開挖時極易產生側向變形、開挖面隆起而引起邊坡失穩及基坑涌水等不利現象; (4)基坑底有淤泥質粉質粘土下臥層(層面距離坑底約5m),該層物理力學性質指標尚可,滲透系數較小,對于坑底抗管涌比較有利。 總之,場區地下水位高、土滲透系數大。同時粉土、粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結構一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和保證圍護結構的止水性能是工程成敗的關鍵。4管涌情況 工程由于受拆遷及秋濤路交通疏解的影響,為確保總工期不變,將車站以秋濤路為界,分為東、西兩區施工。在秋濤路中心(主體17軸處)設臨時封堵墻(咬合樁墻),先封閉東區基坑,進行東區基坑開挖和主體結構施工。 開挖自2004年8月11日開始,2005年1月6日結束。施工期間共出現2次管涌,第一次管涌時間為2004年11月2月下午17∶10,管涌點位于第11段基坑南側273號～274號樁間坑底,到20∶30處理完共涌出泥砂約240m3。涌水前第11段基坑已基本開挖到設計標高,開始進行清底。273號～274號樁間滲漏處理也接近基底。 管涌造成基坑南側(距基坑邊約20m)1幢三層居民樓向北側傾斜,圍墻出現裂縫,裂縫寬度最大達10cm左右;南側原婺江路面下沉,最大下沉量約50cm;婺江路地下水管開裂,造成自來水供應中斷。管涌波及范圍:273號～274號樁向南最遠達44.5m,向東約39.7m,向西約12m。 第二次管涌時間為2005年1月10日下午14∶10,管涌點位于第8段基坑內,距第9段底板(已澆注完成)端頭約5m處。管涌前第8段基坑墊層、防水板及細石砼保護層已施工完。到20∶10處理完共涌出泥砂約40m3左右。處理過程中發現基坑南側距第一次管涌點以西約10m處地面出現輕微裂縫,最大裂縫寬約5mm,長約10m,沿基坑縱向分布,影響范圍向南最遠達20m左右。地面最大沉降3cm。未造成其它建筑物損壞。 兩次管涌點平面位置示意如圖1,立面示意見圖2、圖3。5 管涌原因5.1 第一次管涌 主要原因為咬合樁開叉,根據施工記錄,273號、274號樁成孔過程中因套管鉆頭變形,造成樁垂直度偏差。8m以后兩樁之間出現開叉,開挖到坑底后開叉量達15cm左右。根據施工記錄和實際開挖情況,基坑開挖到7m后,即提出在樁后施作3根高壓旋噴樁,旋噴深度根據經驗確定為基底下3m的止水加固方案。根據抗管涌穩定性驗算,此時實際水力梯度大于臨界水力梯度,隨著基坑開挖深度的增加隨時可出現管涌失穩破壞。如圖4所示,可通過式(1)驗算基坑底部穩定性。 Ks=ic/i(1) 式中:Ks———抗管涌或抗滲流穩定性安全系數,取1.5～2.0;ic———坑底土體臨界水力梯度,ic=(Gs-1)/(1+e);Gs———土粒比重,取2.7; e———坑底土體天然空隙比,取0.85; i———坑底土體滲流水力梯度,i=hw/L; hw———基坑內外土體的滲流水頭m,取坑內外水頭差hw=14.5; L———最短滲徑流線總長度m,L=14.5+2×3(旋噴樁深入基底下3m計)。 經驗算,當旋噴樁深入基底下3m時: Ks=ic/i=0.919/0.71=1.29<(1.5～2.0) 驗算結果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度沒有滿足抗管涌穩定性要求(經驗算止水帷幕深度應伸入基坑底以下不小于5m)。顯然,咬合樁開叉以及旋噴加固措施不夠是發生管涌的主要原因。5.2第二次管涌 管涌發生后立即將漏水處防水板揭開,發現漏水點位于接地網溝槽處,直徑約20～30cm,水流方向自東向西(即由第9段底板下流出)。由于管涌前基坑內降水工作曾因停電而停止降水半小時,坑內水位升高,地下水沿接地網溝槽涌出并突破較薄弱的接地網溝槽墊層而涌入基坑。 管涌處理進行約2小時后,發現第10段基坑南側(24軸處)地表有2～5mm寬裂縫,同時測得位于24軸處的坑外水位監測孔SW8水位下降了3m多。據此推斷,基坑24軸附近的咬合樁在底板以下開叉,基坑外潛水從基底以下咬合樁開叉處進入基坑內。 此次管涌發生的主要原因: (1)由于坑底以下咬合樁開叉使坑內外地下水連通,1月10日中午停電后,基坑內降水中斷,坑外水位升高,坑內外水頭差增大,抗管涌穩定安全系數降低,從而導致管涌發生。 (2)坑內降水中斷后,也使坑內水位上升,并對底板產生壓力,結構較松散的接地網溝槽回填土受到破壞,形成空洞,使底板下高壓水沿著接地網溝槽涌入第8段墊層下,從后澆注的強度低、較薄弱的接地網溝槽墊層處涌出。如圖5所示。6 搶補措施 為防止管涌對周圍環境造成大的影響,暫停基坑開挖,采用“支、補、堵、降”的有效措施,迅速控制了險情。 (1)對支撐結構(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保圍護的整體安全; (2)以滲漏點為中心,在四周堆碼土袋墻反壓封堵; (3)在四周擴大土袋墻圍堵范圍并澆注砼,在繼續增加反壓重量的同時將土袋墻連為一個整體遏止涌水; (4)基坑南側原婺江路(現施工便道)禁止施工車輛通行; (5)加強坑內降水措施,降低水頭差; (6)現場不中斷監測,為進一步采取措施提供依據。 搶補措施完成后,及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結構滲漏點外側進行加固。 由于管涌的發生,圍護結構變形較大,監測信息對施工運作和調整起到了積極的作用。監測內容包括:①圍護結構水平位移;②地面沉降;③地下水位;④支撐軸力。以11月2日管涌為例綜合如下。 (1)基坑變形情況。圍護結構水平位移管涌前CX10累計最大位移29.02mm,管涌后最大位移為31.5mm,位于基坑深12.5m處(此時測點處已開挖到第五道支撐);土體水平位移CX6的位移呈直線遞增,由管涌前的32.12mm增大為52.16mm;第一道支撐軸力減少1.5t,第二、三道支撐軸力分別增加9t和14t,支撐總軸力仍在設計預加值以內。說明此次管涌對基坑安全影響不大。(2)環境變化情況。漏水點處地面最大沉降量達500mm,距漏水點20多米以外各測點最大沉降量在3～12mm之間。管涌對環境影響較大。 (3)水位變化情況。坑內水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井SW8管涌后陡降5m左右,此時坑內外水位差由15m減少到10m左右,水位差對流砂的產生已失去作用。搶補措施完成約3小時后,水位又回升到原標高。SW8水位陡降證明圍護體止水帷幕在SW8附近存在缺陷,坑內外地下水已連通。8 結語 (1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結構的止水效應對基坑安全和環境保護至關重要,圍護體一旦出現涌水、涌沙,波及范圍多在2～4倍基坑開挖深度,對環境危害極大。因此,圍護結構施工質量的控制及基坑施工過程中對圍護結構的排查與補強工作,必須認真細致。 (2)對圍護體滲漏點的補強加固方案,須進行抗管涌穩定性驗算分析,不能僅憑經驗行事。 (3)降水是深基坑工程施工的重要環節,坑內降水可固結土體,提高土體的被動抗力,防止或減少坑底隆起。 (4)坑外水位監測對檢驗圍護結構止水效果非常有效。當坑內降水發現坑外水位變化異常時,提前采取加固補強措施。
場區地下水分布為淺層潛水和深層承壓水。 淺層潛水屬孔隙性潛水類型,主要賦存于上部①層填土和②層粉土、粉砂中,補給來源主要為大氣降水及地表水,地下水位隨季節性變化,勘探期間測得地下水位埋深0.85～3.45m。承壓水主要分布于深部的⑧-1層中細砂和⑧-3層圓礫夾卵石中,水量較豐富。隔水層為上部的粘性土層(⑤、⑥層),承壓水頭埋深約在地表下5.00m,即黃海高程3.62m。3 工程特點 (1)基坑開挖深度較大,最深達18m; (2)基坑周圍地下管線密集,鄰近建筑物多,環境條件較差; (3)基坑地層主要為砂質粉土,開挖時極易產生側向變形、開挖面隆起而引起邊坡失穩及基坑涌水等不利現象; (4)基坑底有淤泥質粉質粘土下臥層(層面距離坑底約5m),該層物理力學性質指標尚可,滲透系數較小,對于坑底抗管涌比較有利。 總之,場區地下水位高、土滲透系數大。同時粉土、粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結構一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和保證圍護結構的止水性能是工程成敗的關鍵。4管涌情況 工程由于受拆遷及秋濤路交通疏解的影響,為確保總工期不變,將車站以秋濤路為界,分為東、西兩區施工。在秋濤路中心(主體17軸處)設臨時封堵墻(咬合樁墻),先封閉東區基坑,進行東區基坑開挖和主體結構施工。 開挖自2004年8月11日開始,2005年1月6日結束。施工期間共出現2次管涌,第一次管涌時間為2004年11月2月下午17∶10,管涌點位于第11段基坑南側273號～274號樁間坑底,到20∶30處理完共涌出泥砂約240m3。涌水前第11段基坑已基本開挖到設計標高,開始進行清底。273號～274號樁間滲漏處理也接近基底。 管涌造成基坑南側(距基坑邊約20m)1幢三層居民樓向北側傾斜,圍墻出現裂縫,裂縫寬度最大達10cm左右;南側原婺江路面下沉,最大下沉量約50cm;婺江路地下水管開裂,造成自來水供應中斷。管涌波及范圍:273號～274號樁向南最遠達44.5m,向東約39.7m,向西約12m。 第二次管涌時間為2005年1月10日下午14∶10,管涌點位于第8段基坑內,距第9段底板(已澆注完成)端頭約5m處。管涌前第8段基坑墊層、防水板及細石砼保護層已施工完。到20∶10處理完共涌出泥砂約40m3左右。處理過程中發現基坑南側距第一次管涌點以西約10m處地面出現輕微裂縫,最大裂縫寬約5mm,長約10m,沿基坑縱向分布,影響范圍向南最遠達20m左右。地面最大沉降3cm。未造成其它建筑物損壞。 兩次管涌點平面位置示意如圖1,立面示意見圖2、圖3。5 管涌原因5.1 第一次管涌 主要原因為咬合樁開叉,根據施工記錄,273號、274號樁成孔過程中因套管鉆頭變形,造成樁垂直度偏差。8m以后兩樁之間出現開叉,開挖到坑底后開叉量達15cm左右。根據施工記錄和實際開挖情況,基坑開挖到7m后,即提出在樁后施作3根高壓旋噴樁,旋噴深度根據經驗確定為基底下3m的止水加固方案。根據抗管涌穩定性驗算,此時實際水力梯度大于臨界水力梯度,隨著基坑開挖深度的增加隨時可出現管涌失穩破壞。如圖4所示,可通過式(1)驗算基坑底部穩定性。 Ks=ic/i(1) 式中:Ks———抗管涌或抗滲流穩定性安全系數,取1.5～2.0;ic———坑底土體臨界水力梯度,ic=(Gs-1)/(1+e);Gs———土粒比重,取2.7; e———坑底土體天然空隙比,取0.85; i———坑底土體滲流水力梯度,i=hw/L; hw———基坑內外土體的滲流水頭m,取坑內外水頭差hw=14.5; L———最短滲徑流線總長度m,L=14.5+2×3(旋噴樁深入基底下3m計)。 經驗算,當旋噴樁深入基底下3m時: Ks=ic/i=0.919/0.71=1.29<(1.5～2.0) 驗算結果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度沒有滿足抗管涌穩定性要求(經驗算止水帷幕深度應伸入基坑底以下不小于5m)。顯然,咬合樁開叉以及旋噴加固措施不夠是發生管涌的主要原因。5.2第二次管涌 管涌發生后立即將漏水處防水板揭開,發現漏水點位于接地網溝槽處,直徑約20～30cm,水流方向自東向西(即由第9段底板下流出)。由于管涌前基坑內降水工作曾因停電而停止降水半小時,坑內水位升高,地下水沿接地網溝槽涌出并突破較薄弱的接地網溝槽墊層而涌入基坑。 管涌處理進行約2小時后,發現第10段基坑南側(24軸處)地表有2～5mm寬裂縫,同時測得位于24軸處的坑外水位監測孔SW8水位下降了3m多。據此推斷,基坑24軸附近的咬合樁在底板以下開叉,基坑外潛水從基底以下咬合樁開叉處進入基坑內。 此次管涌發生的主要原因: (1)由于坑底以下咬合樁開叉使坑內外地下水連通,1月10日中午停電后,基坑內降水中斷,坑外水位升高,坑內外水頭差增大,抗管涌穩定安全系數降低,從而導致管涌發生。 (2)坑內降水中斷后,也使坑內水位上升,并對底板產生壓力,結構較松散的接地網溝槽回填土受到破壞,形成空洞,使底板下高壓水沿著接地網溝槽涌入第8段墊層下,從后澆注的強度低、較薄弱的接地網溝槽墊層處涌出。如圖5所示。6 搶補措施 為防止管涌對周圍環境造成大的影響,暫停基坑開挖,采用“支、補、堵、降”的有效措施,迅速控制了險情。 (1)對支撐結構(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保圍護的整體安全; (2)以滲漏點為中心,在四周堆碼土袋墻反壓封堵; (3)在四周擴大土袋墻圍堵范圍并澆注砼,在繼續增加反壓重量的同時將土袋墻連為一個整體遏止涌水; (4)基坑南側原婺江路(現施工便道)禁止施工車輛通行; (5)加強坑內降水措施,降低水頭差; (6)現場不中斷監測,為進一步采取措施提供依據。 搶補措施完成后,及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結構滲漏點外側進行加固。 由于管涌的發生,圍護結構變形較大,監測信息對施工運作和調整起到了積極的作用。監測內容包括:①圍護結構水平位移;②地面沉降;③地下水位;④支撐軸力。以11月2日管涌為例綜合如下。 (1)基坑變形情況。圍護結構水平位移管涌前CX10累計最大位移29.02mm,管涌后最大位移為31.5mm,位于基坑深12.5m處(此時測點處已開挖到第五道支撐);土體水平位移CX6的位移呈直線遞增,由管涌前的32.12mm增大為52.16mm;第一道支撐軸力減少1.5t,第二、三道支撐軸力分別增加9t和14t,支撐總軸力仍在設計預加值以內。說明此次管涌對基坑安全影響不大。(2)環境變化情況。漏水點處地面最大沉降量達500mm,距漏水點20多米以外各測點最大沉降量在3～12mm之間。管涌對環境影響較大。 (3)水位變化情況。坑內水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井SW8管涌后陡降5m左右,此時坑內外水位差由15m減少到10m左右,水位差對流砂的產生已失去作用。搶補措施完成約3小時后,水位又回升到原標高。SW8水位陡降證明圍護體止水帷幕在SW8附近存在缺陷,坑內外地下水已連通。8 結語 (1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結構的止水效應對基坑安全和環境保護至關重要,圍護體一旦出現涌水、涌沙,波及范圍多在2～4倍基坑開挖深度,對環境危害極大。因此,圍護結構施工質量的控制及基坑施工過程中對圍護結構的排查與補強工作,必須認真細致。 (2)對圍護體滲漏點的補強加固方案,須進行抗管涌穩定性驗算分析,不能僅憑經驗行事。 (3)降水是深基坑工程施工的重要環節,坑內降水可固結土體,提高土體的被動抗力,防止或減少坑底隆起。 (4)坑外水位監測對檢驗圍護結構止水效果非常有效。當坑內降水發現坑外水位變化異常時,提前采取加固補強措施。
