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1、1杭州地铁秋涛路站东区基坑施工涌水涌砂分析摘要:以杭州地铁秋涛路站东区基坑施工两次管涌为例,详细分析了管涌发生的原因、处理措施以及粉土、粉砂地层的特点,并对深基坑工程降水的重要性、围护结构渗漏的检验方法、围护结构加固方案安全性验算方法都有介绍。关键词:基坑施工,涌水涌砂,补救方法1 工程概况杭州市地铁一号线试验段秋涛路站位于杭州市秋涛路与婺江路交叉路口,沿婺江路地下布置,穿过秋涛路和新开河。秋涛路站为地下双层岛式车站,总长259.6m,车站宽度 18.9m,采用双层双跨箱形框架结构,顶板覆土埋深约 5.0m,车站结构底板埋深约 18.0m,车站围护结构采用 1000750 钻孔咬合灌注桩,插入
2、比约为 10.8。2 地质概况与基坑特点根据工程详细勘察报告,基坑开挖影响范围内各土层的岩土物理力学指标列于表 1 中。本场区地下水分布为两个主要含水层,即浅层潜水和深层承压水。浅层潜水属孔隙性潜水类型,主要赋存于上部层填土和层粉土、粉砂中,补给来源主要为大气降水及地表水。地下水位随季节性变化,勘探期间测得地下水位埋深 0.853.45m。承压水主要分布于深部的-1 层中细砂和-3 层圆砾夹卵石中,水量较丰富。隔水层为上部的粘性土层(、层),承压水头埋深约在地表下 5m,即黄海高程 3.62m。综合场地地理位置、土质条件、基坑开挖深度和周围环境条件,本工程具有如下特点:(1)基坑开挖深度较大,
3、最深达到 18m。(2)基坑周围地下管线密集、邻近建筑物多,环境条件较差。(3)基坑开挖范围内主要为砂质粉土,基坑开挖时,极易产生侧向变形导致开挖面隆起而引起边坡失稳及基坑涌水等不利现象。(4)基坑底有淤泥质粉质粘土下卧层(层面距离坑底约 5m),该层物理力学性质指标尚可,渗透系数较小,对于坑底抗管涌比较有利。总之,该工程场区地下水位高、土层渗透系数大。同时粉土粉砂地层对基坑涌水极为敏感,围护结构一旦漏水影响范围很大,因此地下水位的控制和围护结构的止水性能是本工程成败的关键。3 管涌发生情况与分析该工程由于受拆迁及秋涛路交通疏解的影响,为确保总工期不受影响,将车站以秋涛路为界,分为东、西两区施
4、工。在秋涛路中心(主体 17 轴处)设临时封堵墙(咬合桩墙),先封闭东区基坑,进行东区基坑开挖和主体结构施工。东区基坑开挖自 04 年 8 月 11 日开始,05 年 1 月 6 日结束。施工期间共出现 2 次管涌,第一次管涌时间为 04 年 11 月 2 日下午 1710 分,管涌点位于第 11段基坑南侧,273#274#桩间坑底,到 2030 分处理完共涌出泥砂约 240m3 左右。2涌水前第 11 段基坑已基本开挖到设计标高,开始进行清底。273#274#桩间渗漏处理也已接近基底。管涌造成基坑南侧(距基坑边约 20m)1 户三层居民楼向北侧倾斜,围墙出现裂缝,裂缝宽度最大达 10cm 左
5、右;南侧原婺江路面下沉,最大下沉量约 50cm;婺江路地下自来水管开裂,造成自来水供应中断。此次管涌波及范围:273#274#桩向南最远达 44.5m,向东约 39.7m,向西约 12m。第二次管涌时间为 05 年 1 月 10 日下午 1410 分,管涌点位于第 8 段基坑内,距第 9 段底板(已浇注完成)端头约 5 米处,管涌前第 8 段基坑垫层、防水板及细石砼保护层已施工完。到 2010 分处理完共涌出泥砂约 40m3 左右。处理过程中发现基坑南侧距第一次管涌点以西约 10 米处地面出现轻微裂缝,最大裂缝宽约5mm,长约 10m,沿基坑纵向分布,影响范围向南最远达 20m 左右。地面最大
6、沉降3cm。未造成其它财产损坏。两次管涌点平面位置如图 1 所示,两次管涌位置的剖面图见图 2 和图 3。(1)第一次管涌原因分析第一次管涌发生的主要原因为咬合桩开叉,根据咬合桩施工记录,273#、274#桩成孔过程中因套管钻头变形,造成桩垂直度偏差(实测垂直度在 5左右)。从两个桩开挖后的实际情况看,8m 以后两桩之间出现开叉迹象,开挖到坑底后开叉量达 15cm 左右。根据施工记录和实际开挖情况,基坑开挖到 7m 后,即提出在桩后施作 3 根高压旋喷桩,旋喷深度根据经验确定为基底下 3m 的止水加固方案。根据抗管涌稳定性验算,此时实际水力梯度大于临界水力梯度,随着基坑开挖深度的增加出现管涌失
7、稳破坏。如图 4 所示,可通过下式验算基坑底部稳定性Ks=ic/i这里:ic 为坑底土体临界水力梯度,ic=(Gs-1)/(1+e);Gs 为土粒比重,取2.7;e 为坑底土体天然空隙比,取 0.85;i 为坑底土体渗流水力梯度,i=h/L;h为基坑内外土体的渗流水头(m),取坑内外水头差 h=14.5;L 为最短渗径流线总长度(m),L=14.5+23(旋喷桩深入基底下 3m 计);Ks 为抗管涌或抗渗流稳定性安全系数,取 1.52。经验算,当旋喷桩深入基底下 3m 时,Ks=ic/i=0.919/0.71=1.29(1.52)验算结果表明,咬合桩开叉处旋喷桩止水帷幕的深度不满足抗管涌稳定性
8、要求(经验算止水帷幕深度应伸入基坑底以下不小于 5m)。此次管涌的主要原因:咬合桩开叉;旋喷加固措施不到位。(2)第二次管涌原因分析管涌发生后立即将漏水点处防水板揭开,对渗流情况进行观察,用手触摸发现漏水点位于接地网沟槽处,直径约 2030cm,水流方向自东向西(即由第 9 段底板下流出)。由于管涌前基坑内降水工作曾因停电而停止降水约半小时,分析管涌可能是因降水停止使坑内水位升高,地下水沿接地网沟槽涌出并突破较薄弱的接地网沟槽垫层涌入基坑。管涌处理进行约 2 小时后,发现第 10 段基坑南侧(24 轴处)地表有 25mm 宽裂缝出现,同时测得位于 24 轴处的坑外水位监测孔 SW8 水位下降了
9、 3 米多。据此推断,基坑 24 轴附近的咬合桩在底板以下开叉,基坑外潜水从基底以下咬合桩开叉处进入基坑内。此次管涌发生的主要原因:由于坑底以下咬合桩开叉使坑内外地下水连通,当3保持坑内降水不中断时,坑内降水使坑外水位下降,而使坑底土体渗流水力梯度减少,在临界水力梯度值不变的情况下,抗管涌稳定安全系数增大,此时则不会发生管涌。10 号中午停电后,基坑内降水中断,使坑外水位升高,坑内外水头差增大,抗管涌稳定安全系数降低,而导致管涌发生;坑内降水中断后,也使坑内水位上升,并对底板产生压力,结构较松散的接地网沟槽回填土受到破坏,形成空洞,使底板下高压水沿着接地网沟槽涌入第 8 段垫层下,从后浇注的强
10、度低、较薄弱的接地网沟槽垫层处涌出。如图五所示。4 抢补措施为防止管涌对周围环境造成大的影响,施工单位会同有关专家积极商讨对策,暂停基坑开挖,采取“支、补、堵、降”的有效措施,迅速控制了险情。措施如下:(1)对支撑结构(钢支撑、钢围檩等)进行排查补强,确保围护的整体安全。(2)以渗漏点为中心,在四周堆码土袋墙反压封堵。(3)在四周扩大土袋墙围堵范围并浇注砼,在继续增加反压重量的同时将土袋墙连为一个整体遏止涌水。(4)基坑南侧原婺江路(现施工便道)禁止施工车辆通行。(5)加强坑内降水措施,降低水头差。(6)现场不间断的进行监测,为进一步采取措施提供依据。抢补措施完成后,及时采取高压旋喷及注浆的方
11、法,对围护结构渗漏点外侧进行加固。5 施工监测与动态管理由于管涌的发生,围护结构变形较大,监测信息对工程施工运作起到了积极的作用。本工程监测项目有:围护结构水平位移;地面沉降;地下水位观测;支撑轴力观测。监测信息情况综合如下:(以 11 月2 日管涌为例)(1)基坑变形情况:围护结构水平位移管涌前 CX10 累计最大位移 29.02mm,管涌后最大位移为 31.5mm,位于基坑深 12.5m 处(此时测点处已开挖到第五道支撑);土体水平位移 CX6 的位移呈直线递增,由管涌前的 32.12mm 增大为 52.16mm;第一道支撑轴力减少 1.5t,第二、三道支撑轴力分别增加 9t 和 14t,
12、支撑总轴力仍在设计预加值以内。说明此次管涌对基坑安全影响不大。(2)环境变化情况:漏水点处地面最大沉降量达 500mm,距漏水点 20m 以外各测点最大沉降量在 312mm 之间。管涌对环境影响较大。(3)水位变化情况:坑内水位无明显变化。坑外漏水点附近的水位观测井SW8 管涌后陡降 5m 左右,此时坑内外水位差由 15m 减少到 10m 左右,水位差对流砂的产生已失去作用。抢补措施完成约 3 小时后,水位又回升到原标高。SW8 水位陡降证明围护体止水帷幕在 SW8 附近存在缺陷,坑内外地下水已连通。6结语(1)粉土、粉砂地层中基坑围护结构止水性能对基坑安全和环境保护至关重要,围护体一旦出现涌
13、水、涌砂波及范围多在 24 倍基坑开挖深度,对环境危害极大。因此,围护结构施工质量的控制及基坑施工过程中对围护结构的排查与补强工作,必须认真细致。(2)对围护体渗漏点的补强加固方案,须进行抗管涌稳定性验算,不能仅凭经验行事。(3)降水是深基坑工程施工的重要环节,坑内降水可固结土体,提高土体的被4动抗力,防止或减少坑底隆起。本工程第二次管涌与坑内降水停止后,地下水位上升使底板下土壤强度降低形成渗流通道有关。(4)从坑外水位监测孔 SW8 的水位监测情况看,坑外水位监测对检验围护结构止水效果非常有效。西区基坑施工时可根据情况适当加密坑外水位监测孔数量,当坑内降水发现坑外水位变化异常时,提前采取加固补强措施。
