软土深基坑高压力水头承压水突涌治理与研究

陈文昭,朱 锋,王 文

(南华大学 土木工程学院,湖南 衡阳 421001)

随着轨道交通及地下空间工程的迅猛发展，地下水控制成为不可避免的问题，也是对施工组织设计和工程质量的严峻考验。影响基坑的地下水主要分为上部潜水和下部承压水，二者由隔水层分割，各具特点，应区别对待分别治理。上部潜水对基坑危害多为渗流破坏，一般采用隔水帷幕截水防治。深大基坑工程已经揭穿上层潜水，故围护结构已阻隔上层潜水，采用集水坑抽排或者疏干井疏干通常就能够实现对潜水的控制[1]。下部承压水的控制一直是基坑工程地下水处理的重点与难点，A.Jurado等[2]利用概率分析进行量化地下水对地下工程施工的影响，认为场地湿润、地下水排出不完全状态会给施工带来严重影响。周红波等[3]通过分析多个典型案例，总结出基坑失稳主要体现为：基坑突涌和围护结构隔水帷幕渗漏，并指出承压水风险控制重点在于隔水、降压和封底。朱雁飞[4]依据大量工程实例，总结了承压水对深基坑工程的危害模式，强调了承压水对基坑工程施工的影响，并提出了围护-降水一体化设计思路，即明确施工场地水文地质情况，在施工设计时充分考虑承压水的影响。Y.S.XU等[5]通过模型试验结合数值模拟的方法，研究地墙插入深度对深层地下水渗流的影响，结果表明上海含水沙地区某挡土墙的有效插入深度比约为70%。X.W.WANG等[6]采用数值模拟的方法研究了止水帷幕与降水井之间的相互关系，研究结果给出了止水帷幕深度与降水井滤管长度比值的有效取值与建议取值。曹正龙等[7]使用地连墙下加深素墙作为止水帷幕，隔断水平方向水源补给，配合坑内减压疏干联合的降水方案，成功解决了济南地铁3号线基坑开挖突涌的风险。徐长节等[8]采用基底灌浆加固法，成功解决杭州某基坑项目涌水事故。但是对于高承压水条件下的深基坑工程，基底注浆作用有限[9]。王世君[10]通过现场实例论证了减压降水、地墙隔断及旋喷桩加固三种方案在软土深基坑工程中处理承压水的可行性，指出对于基坑周边环境较简单的工程，采用减压降水效果且成本低[11]。

1.1 基坑概况

该项目基坑起自靖江市城西大道与沿江公路交叉口，向南逐步挖深，基坑全长约690 m，分为工作井、明挖始发段、明挖暗埋段及敞开段4个区段。基坑北侧是城西大道，中间横穿S356省道，基坑南侧及东西两侧多为农田，有少量村民房屋。地面标高参考地质勘察报告取+3.5 m。

由前期勘察报告及基坑突涌验算可知，工作井区域在开挖过程中有第Ⅲ层承压水突涌的风险。而本次基坑涌水事故就发生在工作井，工作井平面布置如图1所示。工作井全长25 m，采用明挖顺作法施工，基坑开挖深度29.4 m，宽度为53.56 m，采用60 m深1 200 mm地下连续墙作为围护结构，地墙外选用全方位高压旋喷注浆(metro jet system，MJS)工法进行基底加固，基坑内部设计4道钢筋混凝土内支撑加1道钢支撑。

图1 工作井平面图

1.2 工程地质

据前期地质勘查资料，本场地第四系覆盖层主要为全新统人工填土和冲洪积层等，其中典型土层如下：①1层杂填土；
②2层淤泥质粉质黏土，②3层粉砂，②4层粉细砂;③1层粉质黏土，③3层粉砂，③4层粉细砂;④2层粉质黏土，④4层粉细砂，④5层中粗砂，④5-2层粉细砂。①大层总厚度0.6～5.6 m，层顶深度0 m，层底深度0.6～5.6 m；
②大层总厚度17.9～24.6 m，层顶深度～5.6 m，层底深度20～26.6 m；
③大层揭示总厚度：4.3～29.3 m，层顶深度：20～26.6 m，层底深度：27～53.2 m；
④大层揭示厚度1～49.1 m，层顶深度：48.8～53.2 m，层底深度：50～98.9 m。各土层物理力学指标如表1所示。

表1 各土层物理力学参数

1.3 水文地质

通过对工程沿线地下水赋存条件、含水介质及水力特征分析，水文地质主要包括地表水和地下水。

1.3.1 地表水

沿线地表水主要为人工改建后的道路、民房及农田等，地表水主要为河塘。

1.3.2 地下水

潜水主要赋存于浅部填土层、漫滩区及冲积平原区上部土层中，其渗透性和富水性差，径流途径短，径流量小。

承压含水层大致可以分为三个。

第Ⅰ层承压水层主要由②3、②4组成，含水层总厚度2.8～12.8 m，初见水位标高在-10 m，稳定水位标高在0.92 m。

第Ⅱ层承压水层主要由③3、③4组成，含水层总厚度17.7～23.5 m，初见水位标高在-23.6 m，稳定水位标高在0.40 m。

第Ⅲ承压水主要由④4、④5及④5-2组成，含水层总厚度23.1～36.6 m，初见水位标高在-38.9 m，稳定水位标高在0.57 m。

2021年4月25日凌晨4点，在工作井位置基坑开挖至地面以下14 m的时候，坑内一处废弃桩头突发涌水现事故，涌水量在80 m3/h左右，周边土体向内坍塌且有涌砂迹象。现场立即采取土方、沙袋反压及引流等措施，开启坑内4口第Ⅲ层承压水降压井后，涌水量仍未明显减小。现场涌水情况如图2所示。

图2 基坑突涌现场

该事故发生时工作井基坑内有4口混合疏干井全部运行，合计出水量在70 m3/h；
4口第Ⅲ层承压水降压井在事故发生后开启，合计出水量在150 m3/h。为保证后续基坑内土方顺利开挖及开挖完成后主体结构顺利施工，需要将地下水位降至基坑底下0.5 m～1 m[12]，依照按需降水的原则，开挖过程中需保证基坑内水位控制在开挖面以下1 m。

土体的强度、刚度及土体与围护结构的摩擦力是基坑稳定主要影响因素，当其中某一项不能达到平衡或者有较大变形，就会造成基坑突涌的事故[13]。经调查分析得知：涌水位置是基坑开挖之前进行钻工灌注桩成孔施工时，遇到障碍物成孔困难最终塌孔，后采用黏土回填，但是回填不够密实，因而留下隐患。工作井位置第Ⅲ层承压水初见水位在标高-38.9 m，废弃桩头施工深度在60 m左右，已涉及第Ⅲ层承压水。随着基坑开挖不断卸荷，开挖至14 m时，在第Ⅲ层承压水压力作用下，桩孔被击穿造成涌水事故。经专家论证结合降水单位专家意见，拟采用坑外成井降水方式处理。

3.1 地下水参数选取及基坑抗突涌验算

1)水文地质参数选取

本次水文地质参数的选取参考地质勘察报告及初期降水试验提供的数据，见表2。

表2 承压含水层水文地质参数

2)抗突涌验算

随着基坑开挖，上层覆土压力减小，当上层覆土压力小于或等于承压水层顶托力的时候基坑将有突涌风险。一般通过以下公式进行判断基坑开挖后是否处于抗底部承压含水层突涌稳定的状态。

(1)

式中，Ps—承压含水层顶面至基底面之间的上覆土压力，kPa；
Pw—初始状态下(未减压降水时)承压水的顶托力，kPa；
hi—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的厚度，m；
γsi—承压含水层顶面至基底面间各分层土层的重度，kN/m3；
H—高于承压含水层顶面的承压水头高度，m；
γw—水的重度，工程上一般取10，kN/m3；
Fs—安全系数，工程上一般取1.05～1.20，本工程取1.1。

工作井开挖14 m已揭穿第Ⅰ、Ⅱ层承压水，采用疏干降水的方式将其降至开挖面以下1 m；
本次针对第Ⅲ承压含水层，上覆土层重度γs取19.5 kN/m3。计算结果如表3所示。

表3 第Ⅲ层承压水抗突涌验算结果

由表3可知，工作井开挖至底板时第三层承压水的安全水位标高为-7.52 m，对于一般工况，基坑开挖至标高为-21.34 m时才需进行第三层承压水减压降水，开挖至坑底时水位降深为8.09 m；
若是按照最不利的工况考虑，基坑开挖至标高-19.69 m时就需进行第三层承压水减压降水，开挖至坑底时水位降深为11.02 m。

3.2 基坑涌水量计算

根据规范[14]，结合本工程性质，由附录B.03-2可知，用大井法可计算得出基坑涌水量，利用承压水非完整井公式进行分析计算基坑涌水量。

(2)

式中：Q为基坑涌水量，m3/d；
K为渗透系数，35 m/d；
S0为基坑水位降深，15 m；
R为影响半径，888 m；
r0为基坑等效半径，23 m；
M为承压含水层厚度，36.6 m；
l为滤水器有效工作部分长度，15 m。

通过计算，深层承压水位降低至开挖面以下(埋深15 m)时，预估总涌水量为29 631 m3/d。

3.3 单井涌水量计算及成井数量确定

单井涌水量可按照下公式计算：

(3)

式中：rs为滤水管半径，0.162 5 m；
l为滤水器有效工作部分长度，15 m。

由计算结果知，理论单井涌水量约为3 006 m3/d。

降水井数量确定根据下式计算：

n=1.2Q/q

(4)

计算得出n=12，由此可知，理论上在坑外补打12口降压井可满足当前降水要求。

4.1 降水方案

此次事故处理采取：坑外成井降水、坑内明水抽排沙袋填堵的思路。在坑外成井过程中严格把控成井质量，满足抽水条件后立刻安排安装水泵启动抽水。待坑外井运行一段时间，基坑内部不再涌水之后，对基坑内存在突涌风险的地方(桩头、损坏的承压井及勘探孔等)全部进行注浆加固与封堵。

根据现场降水效果与施工工况，暂定成井方案如下：坑外补打12口68 m减压降水井即可解决当下基坑涌水事故，由于缺乏保护导致基坑外水位观测井损坏严重，在基坑两侧补打2口50 m第Ⅱ层承压水观测井及2口68 m第Ⅲ层承压水观测井，共计施工16口井。考虑到工程地质勘查不能完全揭示地层局部差异，后期基坑开挖地墙或存在渗漏风险，以及地质勘察报告提出Ⅱ、Ⅲ层承压水之间的隔水层相对薄弱，在施工扰动下有风险形成水力通道，前期抽水试验也证明Ⅱ、Ⅲ层承压水存在一定水力联系，有文献[15]验证过对于地质结构复杂，承压水量较大地质采用混合深井结构降水成效显著，故坑外补打降水井均采用混合井结构。井位平面布置见图3所示。

图3 坑外补打降压井平面布置图

4.2 处理结果

最终仅用7 d时间完成坑外12口应急减压井的成井工作，并逐步安装水泵抽水运行。坑外应急减压井运行之后，基坑内部已不再涌水，坑外降水效果显著。

4.3 数据分析

由水位监测结果(图4、图5)可知，工作井基坑内外降水井运行1周后，坑内第Ⅲ层承压水水位埋深维持在15.5 m，第Ⅱ层承压水水位埋深维持在31 m；
坑外第Ⅱ层承压水水位埋深维持在21.5 m，第Ⅲ层承压水水位埋深维持在20～23 m。已经完全满足目前基坑开挖条件，后续施工依据按需降水原则，控制坑外降水井运行数量，保证水位在开挖面以下1 m。

图4 坑外降水后第Ⅱ层承压水水位曲线

图5 坑外降水后第Ⅲ层承压水水位曲线

5.1 渗流数值模型建立

通过拟建场地的工程水文地质条件、基坑围护结构特点及基坑开挖深度等因素，使用Visual Mod Flow进行模拟分析计算，通过现场监测数据与模拟数据对比分析，验证降水施工方案的正确性与合理性。

1)水文地质模型建立

降水过程中，上覆潜水含水层会与下覆承压含水层组之间将发生一定的水力联系，故将上覆潜水含水层、弱透水层以及上覆深层承压含水层组一并加入模型中计算，并概化成三维空间上的非均质各向异性水文地质概念模型。边界的不确定性会给结果带来随意性，所以对定水头边界做远离源、汇项处理。此次计算将整个基坑的最远边界点为起点，以工作井作为中心向四周扩展500 m，所以实际的计算平面尺寸大概为1 000 m×1 000 m，按定水头边界处理。

根据现有的勘察报告、水文地质条件和钻孔资料，模拟区平面范围按以下原则来确定：以基坑为中心，边界布置在降水井影响半径以外。

2)模型参数研究

根据本工程的勘察 资料、相关工程资料，对模型进行赋值。

3)本次减压降水三维渗流模型建立的假设条件

(1)止水帷幕采用墙边界WALL进行模拟，厚度及深度由实际施工而定此次为1.2 m×60 m，渗透系数设置1×10-9cm/s，设置12口井，水泵功率125 m3/h，单井出水量3 000 m3/d。

(2)减压降水井运行时，考虑围护结构隔水效果以及群井抽水效应的因素，假设运行时间较长之后稳定的单井出水量将出现衰减。

5.2 模拟结果分析

模拟计算结果如下所示。由图7可知，工作井区域开启坑内4口减压井及坑外12口承压水降水井，坑外第Ⅲ层承压水降深达18 m～20 m；
从图7中不难看出坑外井运行之后，坑外第Ⅱ层承压水降深在20 m左右。由此可以得知目前第Ⅲ层承压水水位已经降至当前开挖面以下，可以达到控制基坑突涌的效果。

图8为坑外井逐步开启降水期间，工作井两侧观测井水位变化实测值与计算值对比曲线，从图中易知，观测井水位变化的实际监测值与计算值变化规律基本一致，数值结果也比较接近，总的趋势都是随降水时间的延长水位不断下降，然后慢慢趋于平稳，说明了数值模拟的正确性，也是对降水设计方案的合理性的有力佐证。

图6 模拟降水后第Ⅲ层承压水位降深等值线

图7 模拟降水后第Ⅱ层承压水位埋深等值线

图8 监测数据与模拟数据对比曲线

基于高压力水头承压水引发的软土深基坑涌水事故的处理，开展数值模拟与监测数值对比分析，结果表明：

1)采取坑外降水的工程措施对基坑内承压水突涌事故的处理效果显著，而且经济成本相对较低。但要注意的是，坑外成井需避开基坑周边加固区，否则成井施工进度及成井质量不能得到保障，反而耽误抢险的宝贵时间。

2)Visual ModFlow作为前沿的数值模拟软件，通过预分析地下水渗流场变化，对于优化降水设计，分析降水效益提供重要依据。

3)勘察报告不能完全揭示地层局部差异，在施工组织设计中应充分考虑承压水对基坑开挖的影响，完善承压水突涌风险应对措施。

4)基坑开挖之前一定要彻查基坑内外风险点，特别是勘测孔、桩头及降水井，及时发现及时采取注浆封堵等措施处理。基坑开挖期间，要加强基坑内外水位监测与围护结构位移监测，发生异常情况时能及时做出应对措施。

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