上海软土地区深基坑施工承压水风险及其控制【摘要】随着工程建设基坑开挖越来越深,地下承压水带来的风险也越来越大。阐述了承压水对深基坑工程危害的形式,上海地下承压水分层类型,通过地铁车站深基坑施工出现围护墙漏水险性及处理方法的工程实例,指出深基坑施工时,要注重对承压水的防范及防水害采取的措施。【关键词】软土地区深基坑承压水风险1承压水的危害形式1.1基坑突涌破坏 当基坑开挖深度足够大,承压含水层顶板以上土层的重量不足以抵抗承压含水层顶板处的承压水头压力时,基坑开挖面以下的土层将发生突涌破坏,承压含水层中的地下水和砂土大量涌入基坑,导致坑外地面严重塌陷,地下连续墙等围护结构严重下沉,支撑体系严重破坏,相邻建(构)筑物发生破坏等(如图1所示)。
1.2环境岩土工程问题 减压降水后,建筑场地下伏承压含水层中形成了承压水降落漏斗,必然在基坑周围引起或多或少的地面变形,对相邻环境造成一定程度的不利影响。地面变形如果被控制在某一范围内,其对相邻环境的影响较小;反之,地面变形如果超出某一范围,其对相邻建(构)筑物将产生具有危害性的影响。承压水位下降引起的地面沉降的分布形态与承压水降落漏斗的分布形态基本上是相似的(如图2所示)。1.3围护结构开裂、空洞引起的流砂 在饱和含水地层中,尤其在砂层、粉砂层、砂质粉土或其他透水性较好的夹层中,止水帷幕或围护墙如产生开裂、空洞等不良现象,造成围护结构的止水效果不佳或止水结构失效,致使大量的地下水夹带砂粒涌入基坑,坑外产生水土流失。严重的水土流失可能导致支护结构失稳以及在基坑外侧发生严重的地面沉陷,还可能在围护墙后形成洞穴后突然发生地面塌陷(如图3所示)。1.4坑底砂性土层的管涌破坏 在砂、粉砂、或砂质粉土等土层开挖基坑,如不采取井点降水措施或井点降水未达到预定效果,在坑内外的水头差作用下,基坑底部可能产生冒水翻砂现象(即产生管涌),严重时可导致基坑失稳或影响施工进程(如图4所示)。1.5地下结构抗浮问题 降水工程结束后,地下结构的重量以及基础底面至承压含水层顶板之间的残留土层的重量不足以抵抗承压水头的顶托力或潜水含水层的浮力时,地下结构将会发生上浮。一旦发生了上浮现象,地下结构的复位将十分艰难。2上海地区常见砂性土层类型及特点2.1深层承压水层 上海市地表下(深度大于30.0 m)分布有5个承压含水层,它们对应的土层编号分别为7层、9层、11层、13和15层。虽然含水层在局部地区缺失,但总厚度大、水量丰富,除第Ⅰ承压含水层外,水质好,适宜饮用,解放前即有小量开采。上世纪50年代到60年代初,曾大量开采地下水作为供水水源。上部第7、9、11层属上海地区的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层,厚度大、颗粒细(以粉、细、中砂为主),含大量云母,呈中密—密实状态。当承压水头大幅度下降后,不仅含水层自身发生压缩,而且由于承压水水头与潜水水位的水头差加大,使软土中孔隙水压力降低,软土发生固结。含水层及相关软土的压缩,导致地面变形。2.2微承压水层 在现场工作中无论是基岩还是松散层,经常遇到压头不高的承压水,有的仅在雨季为承压水,而旱季则沦为层间无压水。在上海地区厚层松散堆积层的浅部,存在着多层以粉性、砂性土为主的咸水含水层,在长年的上海市地面沉降研究工作中将上海地区的地层按地面沉降特性分层时均未专门处理,仅视为第一和第二压缩层中的夹层。 近年来,是迅速发展的上海城市建设工程,引起了岩土工程师对这些含水层的重视,尤其是深基坑工程,经常遇到②3、③2和⑤2层细颗粒承压含水层带来的“麻烦”。为此,在1994版《上海市岩土工程勘察规范》中出现了上海“部分地区浅部的粉性土或砂土层中的微承压水”的提法,并把②3、③2和⑤2层划入。 从水文地质概念出发“,微承压水”似应是一种承压水头很小的承压水。它可能是天然的,也可能是现代人类活动大幅度抽吸地下水的结果。它在地下水的开采利用,相关的岩土工程问题乃至环境地质、旅游地质方面都和正常承压水有所区别。因而如何用压头大小与一般承压水区别开是一个比较复杂的问题。从基坑工程而言,似水头小于3 m的承压水可称为“微承压水”。因为此时,基坑底部只需有2m厚的隔水层既可维持底板稳定,或者稍作降水即可将承压水头降下去,进入正常施工。但具体的界定标准,似还应汇集供水水文地质,环境地质和旅游地质诸方面意见为宜。 按上述理解,上海地区全新世晚期及近期堆积,埋藏很浅的②3和③2两层粉土,应归属“微承压水”。而⑤2层粉性土似应属正常的承压含水层,因为该层为全新世早期填充于大理冰期末古冲刷槽内的溺谷相堆积,以粉土、粉砂为主,夹不等量粘性土;其空间分布多呈条块状、发育于⑥层暗绿色硬土层缺失区,故有时直接叠置于⑦层砂性土含水层上。该层顶板埋深一般大于20 m,经多年诸多工点实测统计承压水头埋深一般在地面下2.3～7.0 m,即一般具有高达近15 m的承压水头。在上海规范中将⑤2层归入“微承压水”可能出于以下原因: (1)在早期上海地区沉降研究中已按地基土层对地面沉降影响,将上海地区⑦层砂性土和⑨层含砾粉细砂二个承压含水层分别命名为“第一承压含水层”和“第二承压含水层”。这样,位于第一承压含水层之上,呈条带状分布的承压含水层⑤2层只能归入“微承压含水层”。 (2)20世纪90年代初上海的基坑工程尚少,遇到⑤2层的基坑工程更少,⑤2层承压水对基坑的影响尚不十分突出,所积累的工程地质、水文地质资料也不多。3工程实例分析 下面以上海市轨道交通某车站险情为例,具体分析承压水对基坑本体及其周边环境造成的危害。3.1工程概况 车站主体为地下2层矩形框架结构,全长193.0 m。标准段基坑深约16.3 m,端头井深约18.3 m。围护采用地下连续墙,厚度800 mm,标准段成槽深度约30.5 m,内衬厚度400 mm;端头井段成槽深度约33.5 m,内衬厚度600 mm。地下连续墙墙址位于⑦1层。顶圈梁800 mm×800 mm。 根据地质资料,本站基坑范围内,⑤2层砂质粉土层为微承压水层,水位埋深为18.0～19.5 m,⑦1层草黄～灰色粉细砂、⑦2层草黄～灰色粉细砂为第一承压含水层,水位埋深28.3～37.2 m,承压水水头为地表下3.0～10.0 m。微承压水、承压水水位均呈幅度不等的周期性变化。⑤2层与⑦层承压水在车站南部局部连通,并且基坑开挖底面进入⑤2层内。②3褐黄灰色砂质粘土层及⑤2灰色砂质粘土层为可液化土层,在动水压力的作用下易产生流砂现象,对车站基坑开挖是不利的因素。基坑监测点的布置情况如图5所示。3.2险情经过 2008年4月13日17∶00,车站南端头井DQ-63和DQ-64地墙接缝在坑底以下位置出现大量漏水(该部位垫层在上午10∶00左右已浇筑完成),基坑和周边管线均有加大的沉降。由于在南端头井开挖过程中,施工单位已将Atlas及抢险物资进驻现场,因此在漏水情况发生后的45 min之内,施工单位即采取了内外封堵的抢险措施,坑内漏水位置使用袋装水泥进行回填封堵,坑外使用Atlas引孔压注聚氨酯及双液浆,总计使用聚氨酯2.25 t,水泥50 t。由于处理及时、措施到位基坑漏水情况逐渐得到了有效控制,4月14日3:00基坑基本不再漏水,周边环境变形区域稳定。分析基坑事故原因有: (1)坑外⑤2层微承压水通过地墙上薄弱点渗漏进入基坑。尽管南端头井在开挖之前在坑外地墙接缝位置做了旋喷桩止水处理,但在地墙向坑内变形40 mm之后,其与坑外接缝位置的旋喷桩之间即产生了渗漏通道,加上本区域地质条件较差,⑤2层与⑦2层承压水连通,造成⑤2层微承压水水量丰富且水压较大,通过地墙上的薄弱点渗漏进入基坑。 (2)地下连续墙围护结构由于施工等原因可能存在裂缝,或者空洞等不良现象,止水效果不佳。大量地下水夹带砂粒沿连续墙裂缝向基坑内涌入,渗流路径减小,水力坡度增大,造成坑内外水土流失。3.3监测数据分析3.3.1水位变化 基坑漏水侧设有水位监测点SW01。该点变形曲线如图6所示。在图中可以看出,4月13日,该水位监测点有很大的降幅,大约1 200 mm/d左右,并且累计值超过了1 000 mm的警戒值,水位达到最低值-1950 mm。发生漏水后,处理措施及时,4月14日水位有明显的上升,并在随后趋于稳定。3.3.2围护结构变形4月13日,P01测斜点具体变形情况见表1和图7。 测斜点在漏水当天,变形速率超过了3 mm/d的警戒值。4月12日,13日,14日P01测点变形情况见图7。从图中可以看出,4月14日,P01点的最大变形速率为1.86 mm/d,与13日的8.01 mm/d相比,已经趋于稳定,在警戒值之内,说明对基坑本身而言,险情已经得到了较好的控制。3.3.3地表沉降及管线沉降变形 漏水点P01点附近设有一组地表沉降监测点A1-3～A1-4,间距5 m。该组沉降点累计变形曲线如图8。周边的3条管线累计变形曲线如图10、11、12所示。不难看出在4月14日漏水点附近的管线都有了较大的沉降。 从上述图表可以看出,发生漏水时,各监测点变形曲线形状相近,总的变化趋势相同。与基坑测斜点不同的是,地表沉降点及管线沉降监测点变形速率突然增大的时间不是发生在4月13号,而是在14号。这验证了基坑土体变形的规律,地面和管线沉降对围护墙体变形的响应确实有一定的滞后。同时也说明了基坑抢险与基坑开挖一样,具有一定的时空效应。本次抢险采用先对基坑进行堵漏、再注浆是一种合理并行之有效的方法。4结语 随着基坑开挖越来越深,承压水所带来的风险也越来越大。在基坑开挖和施工过程中,承压水极容易对基坑造成危害,稍有不慎会带来灾难性后果。为防止水害,应采取以下措施: (1)在基坑施工前,应做好勘查工作,必须搞清场区及附近各含水层的特征,及含水层间、与地表水体间的水力联系,并做好降水设计。 (2)在施工过程中,要确保地下连续墙的施工质量,并按照设计方案进行降水。做好监测工作,随时注意监测数据的变化,发现异常情况立即采取抢险措施。 (3)水溶性聚氨酯是一种很好的堵漏剂,亲水性好,遇水后会立即进行聚合反应,分散乳化或发泡膨胀,并与砂石泥土固结成弹性固结体,迅速堵塞裂缝,永久性止水,在基坑的抢险过程中能发挥有效的作用。 (4)基坑发生渗漏时,应采取“先堵漏,再注浆”的抢险措施。因为基坑漏水时,过大的承压水头会引起基坑水位、地下连续墙测斜、附近地表沉降、房屋沉降等多种变形速率突然加剧。抢险要遵循一定的时空效应,基坑出现险情首先体现在测斜点的数据异常上,一段时间后,地表沉降、房屋沉降等周围环境监测点才相继发现异常;先对基坑进行堵漏,在一定时间内再对周边进行注浆是一种合理并行之有效的方法。参考文献[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑出版社,1997.[2]刘涛.基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].同济大学,2007.[3]刘国彬,王洪新.上海浅层粉砂地层承压水对基坑的危害及治理,岩土工程学报.2002.[4]丁春林宫全美孟晓红.地铁车站深开挖施工中下层承压水的处理技术研究.[R].同济大学路基与土工技术研究所,2004.
1.2环境岩土工程问题 减压降水后,建筑场地下伏承压含水层中形成了承压水降落漏斗,必然在基坑周围引起或多或少的地面变形,对相邻环境造成一定程度的不利影响。地面变形如果被控制在某一范围内,其对相邻环境的影响较小;反之,地面变形如果超出某一范围,其对相邻建(构)筑物将产生具有危害性的影响。承压水位下降引起的地面沉降的分布形态与承压水降落漏斗的分布形态基本上是相似的(如图2所示)。1.3围护结构开裂、空洞引起的流砂 在饱和含水地层中,尤其在砂层、粉砂层、砂质粉土或其他透水性较好的夹层中,止水帷幕或围护墙如产生开裂、空洞等不良现象,造成围护结构的止水效果不佳或止水结构失效,致使大量的地下水夹带砂粒涌入基坑,坑外产生水土流失。严重的水土流失可能导致支护结构失稳以及在基坑外侧发生严重的地面沉陷,还可能在围护墙后形成洞穴后突然发生地面塌陷(如图3所示)。1.4坑底砂性土层的管涌破坏 在砂、粉砂、或砂质粉土等土层开挖基坑,如不采取井点降水措施或井点降水未达到预定效果,在坑内外的水头差作用下,基坑底部可能产生冒水翻砂现象(即产生管涌),严重时可导致基坑失稳或影响施工进程(如图4所示)。1.5地下结构抗浮问题 降水工程结束后,地下结构的重量以及基础底面至承压含水层顶板之间的残留土层的重量不足以抵抗承压水头的顶托力或潜水含水层的浮力时,地下结构将会发生上浮。一旦发生了上浮现象,地下结构的复位将十分艰难。2上海地区常见砂性土层类型及特点2.1深层承压水层 上海市地表下(深度大于30.0 m)分布有5个承压含水层,它们对应的土层编号分别为7层、9层、11层、13和15层。虽然含水层在局部地区缺失,但总厚度大、水量丰富,除第Ⅰ承压含水层外,水质好,适宜饮用,解放前即有小量开采。上世纪50年代到60年代初,曾大量开采地下水作为供水水源。上部第7、9、11层属上海地区的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ承压含水层,厚度大、颗粒细(以粉、细、中砂为主),含大量云母,呈中密—密实状态。当承压水头大幅度下降后,不仅含水层自身发生压缩,而且由于承压水水头与潜水水位的水头差加大,使软土中孔隙水压力降低,软土发生固结。含水层及相关软土的压缩,导致地面变形。2.2微承压水层 在现场工作中无论是基岩还是松散层,经常遇到压头不高的承压水,有的仅在雨季为承压水,而旱季则沦为层间无压水。在上海地区厚层松散堆积层的浅部,存在着多层以粉性、砂性土为主的咸水含水层,在长年的上海市地面沉降研究工作中将上海地区的地层按地面沉降特性分层时均未专门处理,仅视为第一和第二压缩层中的夹层。 近年来,是迅速发展的上海城市建设工程,引起了岩土工程师对这些含水层的重视,尤其是深基坑工程,经常遇到②3、③2和⑤2层细颗粒承压含水层带来的“麻烦”。为此,在1994版《上海市岩土工程勘察规范》中出现了上海“部分地区浅部的粉性土或砂土层中的微承压水”的提法,并把②3、③2和⑤2层划入。 从水文地质概念出发“,微承压水”似应是一种承压水头很小的承压水。它可能是天然的,也可能是现代人类活动大幅度抽吸地下水的结果。它在地下水的开采利用,相关的岩土工程问题乃至环境地质、旅游地质方面都和正常承压水有所区别。因而如何用压头大小与一般承压水区别开是一个比较复杂的问题。从基坑工程而言,似水头小于3 m的承压水可称为“微承压水”。因为此时,基坑底部只需有2m厚的隔水层既可维持底板稳定,或者稍作降水即可将承压水头降下去,进入正常施工。但具体的界定标准,似还应汇集供水水文地质,环境地质和旅游地质诸方面意见为宜。 按上述理解,上海地区全新世晚期及近期堆积,埋藏很浅的②3和③2两层粉土,应归属“微承压水”。而⑤2层粉性土似应属正常的承压含水层,因为该层为全新世早期填充于大理冰期末古冲刷槽内的溺谷相堆积,以粉土、粉砂为主,夹不等量粘性土;其空间分布多呈条块状、发育于⑥层暗绿色硬土层缺失区,故有时直接叠置于⑦层砂性土含水层上。该层顶板埋深一般大于20 m,经多年诸多工点实测统计承压水头埋深一般在地面下2.3～7.0 m,即一般具有高达近15 m的承压水头。在上海规范中将⑤2层归入“微承压水”可能出于以下原因: (1)在早期上海地区沉降研究中已按地基土层对地面沉降影响,将上海地区⑦层砂性土和⑨层含砾粉细砂二个承压含水层分别命名为“第一承压含水层”和“第二承压含水层”。这样,位于第一承压含水层之上,呈条带状分布的承压含水层⑤2层只能归入“微承压含水层”。 (2)20世纪90年代初上海的基坑工程尚少,遇到⑤2层的基坑工程更少,⑤2层承压水对基坑的影响尚不十分突出,所积累的工程地质、水文地质资料也不多。3工程实例分析 下面以上海市轨道交通某车站险情为例,具体分析承压水对基坑本体及其周边环境造成的危害。3.1工程概况 车站主体为地下2层矩形框架结构,全长193.0 m。标准段基坑深约16.3 m,端头井深约18.3 m。围护采用地下连续墙,厚度800 mm,标准段成槽深度约30.5 m,内衬厚度400 mm;端头井段成槽深度约33.5 m,内衬厚度600 mm。地下连续墙墙址位于⑦1层。顶圈梁800 mm×800 mm。 根据地质资料,本站基坑范围内,⑤2层砂质粉土层为微承压水层,水位埋深为18.0～19.5 m,⑦1层草黄～灰色粉细砂、⑦2层草黄～灰色粉细砂为第一承压含水层,水位埋深28.3～37.2 m,承压水水头为地表下3.0～10.0 m。微承压水、承压水水位均呈幅度不等的周期性变化。⑤2层与⑦层承压水在车站南部局部连通,并且基坑开挖底面进入⑤2层内。②3褐黄灰色砂质粘土层及⑤2灰色砂质粘土层为可液化土层,在动水压力的作用下易产生流砂现象,对车站基坑开挖是不利的因素。基坑监测点的布置情况如图5所示。3.2险情经过 2008年4月13日17∶00,车站南端头井DQ-63和DQ-64地墙接缝在坑底以下位置出现大量漏水(该部位垫层在上午10∶00左右已浇筑完成),基坑和周边管线均有加大的沉降。由于在南端头井开挖过程中,施工单位已将Atlas及抢险物资进驻现场,因此在漏水情况发生后的45 min之内,施工单位即采取了内外封堵的抢险措施,坑内漏水位置使用袋装水泥进行回填封堵,坑外使用Atlas引孔压注聚氨酯及双液浆,总计使用聚氨酯2.25 t,水泥50 t。由于处理及时、措施到位基坑漏水情况逐渐得到了有效控制,4月14日3:00基坑基本不再漏水,周边环境变形区域稳定。分析基坑事故原因有: (1)坑外⑤2层微承压水通过地墙上薄弱点渗漏进入基坑。尽管南端头井在开挖之前在坑外地墙接缝位置做了旋喷桩止水处理,但在地墙向坑内变形40 mm之后,其与坑外接缝位置的旋喷桩之间即产生了渗漏通道,加上本区域地质条件较差,⑤2层与⑦2层承压水连通,造成⑤2层微承压水水量丰富且水压较大,通过地墙上的薄弱点渗漏进入基坑。 (2)地下连续墙围护结构由于施工等原因可能存在裂缝,或者空洞等不良现象,止水效果不佳。大量地下水夹带砂粒沿连续墙裂缝向基坑内涌入,渗流路径减小,水力坡度增大,造成坑内外水土流失。3.3监测数据分析3.3.1水位变化 基坑漏水侧设有水位监测点SW01。该点变形曲线如图6所示。在图中可以看出,4月13日,该水位监测点有很大的降幅,大约1 200 mm/d左右,并且累计值超过了1 000 mm的警戒值,水位达到最低值-1950 mm。发生漏水后,处理措施及时,4月14日水位有明显的上升,并在随后趋于稳定。3.3.2围护结构变形4月13日,P01测斜点具体变形情况见表1和图7。 测斜点在漏水当天,变形速率超过了3 mm/d的警戒值。4月12日,13日,14日P01测点变形情况见图7。从图中可以看出,4月14日,P01点的最大变形速率为1.86 mm/d,与13日的8.01 mm/d相比,已经趋于稳定,在警戒值之内,说明对基坑本身而言,险情已经得到了较好的控制。3.3.3地表沉降及管线沉降变形 漏水点P01点附近设有一组地表沉降监测点A1-3～A1-4,间距5 m。该组沉降点累计变形曲线如图8。周边的3条管线累计变形曲线如图10、11、12所示。不难看出在4月14日漏水点附近的管线都有了较大的沉降。 从上述图表可以看出,发生漏水时,各监测点变形曲线形状相近,总的变化趋势相同。与基坑测斜点不同的是,地表沉降点及管线沉降监测点变形速率突然增大的时间不是发生在4月13号,而是在14号。这验证了基坑土体变形的规律,地面和管线沉降对围护墙体变形的响应确实有一定的滞后。同时也说明了基坑抢险与基坑开挖一样,具有一定的时空效应。本次抢险采用先对基坑进行堵漏、再注浆是一种合理并行之有效的方法。4结语 随着基坑开挖越来越深,承压水所带来的风险也越来越大。在基坑开挖和施工过程中,承压水极容易对基坑造成危害,稍有不慎会带来灾难性后果。为防止水害,应采取以下措施: (1)在基坑施工前,应做好勘查工作,必须搞清场区及附近各含水层的特征,及含水层间、与地表水体间的水力联系,并做好降水设计。 (2)在施工过程中,要确保地下连续墙的施工质量,并按照设计方案进行降水。做好监测工作,随时注意监测数据的变化,发现异常情况立即采取抢险措施。 (3)水溶性聚氨酯是一种很好的堵漏剂,亲水性好,遇水后会立即进行聚合反应,分散乳化或发泡膨胀,并与砂石泥土固结成弹性固结体,迅速堵塞裂缝,永久性止水,在基坑的抢险过程中能发挥有效的作用。 (4)基坑发生渗漏时,应采取“先堵漏,再注浆”的抢险措施。因为基坑漏水时,过大的承压水头会引起基坑水位、地下连续墙测斜、附近地表沉降、房屋沉降等多种变形速率突然加剧。抢险要遵循一定的时空效应,基坑出现险情首先体现在测斜点的数据异常上,一段时间后,地表沉降、房屋沉降等周围环境监测点才相继发现异常;先对基坑进行堵漏,在一定时间内再对周边进行注浆是一种合理并行之有效的方法。参考文献[1]刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M].北京:中国建筑出版社,1997.[2]刘涛.基于数据挖掘的基坑工程安全评估与变形预测研究[D].同济大学,2007.[3]刘国彬,王洪新.上海浅层粉砂地层承压水对基坑的危害及治理,岩土工程学报.2002.[4]丁春林宫全美孟晓红.地铁车站深开挖施工中下层承压水的处理技术研究.[R].同济大学路基与土工技术研究所,2004.
