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(qū)基坑施工兩次管涌為例,分析發(fā)生管涌的原因、處理措施,并介紹深基坑降水的重要性、圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏的檢驗和加固以及安全性驗算方法等。關(guān)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(jié)構(gòu),頂板覆土埋深約5.0m,底板埋深約18.0m,車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ1000@750鉆孔咬合灌注樁,插入比約為1∶0.8。2工程地質(zhì)和水文地質(zhì) 根據(jù)工程詳細(xì)勘察報告,基坑開挖影響范圍內(nèi)各土層的巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。
場區(qū)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(bǔ)給來源主要為大氣降水及地表水,地下水位隨季節(jié)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(xì)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(diǎn) (1)基坑開挖深度較大,最深達(dá)18m; (2)基坑周圍地下管線密集,鄰近建筑物多,環(huán)境條件較差; (3)基坑地層主要為砂質(zhì)粉土,開挖時極易產(chǎn)生側(cè)向變形、開挖面隆起而引起邊坡失穩(wěn)及基坑涌水等不利現(xiàn)象; (4)基坑底有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土下臥層(層面距離坑底約5m),該層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)尚可,滲透系數(shù)較小,對于坑底抗管涌比較有利。 總之,場區(qū)地下水位高、土滲透系數(shù)大。同時粉土、粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護(hù)結(jié)構(gòu)一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水性能是工程成敗的關(guān)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(qū)施工。在秋濤路中心(主體17軸處)設(shè)臨時封堵墻(咬合樁墻),先封閉東區(qū)基坑,進(jìn)行東區(qū)基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。 開挖自2004年8月11日開始,2005年1月6日結(jié)束。施工期間共出現(xiàn)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(diǎn)位于第11段基坑南側(cè)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(shè)計標(biāo)高,開始進(jìn)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(cè)(距基坑邊約20m)1幢三層居民樓向北側(cè)傾斜,圍墻出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度最大達(dá)10cm左右;南側(cè)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(yīng)中斷。管涌波及范圍:273號～274號樁向南最遠(yuǎn)達(dá)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(diǎn)位于第8段基坑內(nèi),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(xì)石砼保護(hù)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(fā)現(xiàn)基坑南側(cè)距第一次管涌點(diǎn)以西約10m處地面出現(xiàn)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(yuǎn)達(dá)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(diǎn)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(jù)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(xiàn)開叉,開挖到坑底后開叉量達(dá)15cm左右。根據(jù)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(jù)經(jīng)驗確定為基底下3m的止水加固方案。根據(jù)抗管涌穩(wěn)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(xiàn)管涌失穩(wěn)破壞。如圖4所示,可通過式(1)驗算基坑底部穩(wěn)定性。 Ks=ic/i(1) 式中:Ks———抗管涌或抗?jié)B流穩(wěn)定性安全系數(shù),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(nèi)外土體的滲流水頭m,取坑內(nèi)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(jīng)驗算,當(dāng)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(jié)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(wěn)定性要求(經(jīng)驗算止水帷幕深度應(yīng)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(fā)生管涌的主要原因。5.2第二次管涌 管涌發(fā)生后立即將漏水處防水板揭開,發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)位于接地網(wǎng)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(nèi)降水工作曾因停電而停止降水半小時,坑內(nèi)水位升高,地下水沿接地網(wǎng)溝槽涌出并突破較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層而涌入基坑。 管涌處理進(jìn)行約2小時后,發(fā)現(xiàn)第10段基坑南側(cè)(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(jiān)測孔SW8水位下降了3m多。據(jù)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(jìn)入基坑內(nèi)。 此次管涌發(fā)生的主要原因: (1)由于坑底以下咬合樁開叉使坑內(nèi)外地下水連通,1月10日中午停電后,基坑內(nèi)降水中斷,坑外水位升高,坑內(nèi)外水頭差增大,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)降低,從而導(dǎo)致管涌發(fā)生。 (2)坑內(nèi)降水中斷后,也使坑內(nèi)水位上升,并對底板產(chǎn)生壓力,結(jié)構(gòu)較松散的接地網(wǎng)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(wǎng)溝槽涌入第8段墊層下,從后澆注的強(qiáng)度低、較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層處涌出。如圖5所示。6 搶補(bǔ)措施 為防止管涌對周圍環(huán)境造成大的影響,暫停基坑開挖,采用“支、補(bǔ)、堵、降”的有效措施,迅速控制了險情。 (1)對支撐結(jié)構(gòu)(鋼支撐、鋼圍檁等)進(jìn)行排查補(bǔ)強(qiáng),確保圍護(hù)的整體安全; (2)以滲漏點(diǎn)為中心,在四周堆碼土袋墻反壓封堵; (3)在四周擴(kuò)大土袋墻圍堵范圍并澆注砼,在繼續(xù)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(cè)原婺江路(現(xiàn)施工便道)禁止施工車輛通行; (5)加強(qiáng)坑內(nèi)降水措施,降低水頭差; (6)現(xiàn)場不中斷監(jiān)測,為進(jìn)一步采取措施提供依據(jù)。 搶補(bǔ)措施完成后,及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏點(diǎn)外側(cè)進(jìn)行加固。 由于管涌的發(fā)生,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大,監(jiān)測信息對施工運(yùn)作和調(diào)整起到了積極的作用。監(jiān)測內(nèi)容包括:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shè)計預(yù)加值以內(nèi)。說明此次管涌對基坑安全影響不大。(2)環(huán)境變化情況。漏水點(diǎn)處地面最大沉降量達(dá)500mm,距漏水點(diǎn)20多米以外各測點(diǎn)最大沉降量在3～12mm之間。管涌對環(huán)境影響較大。 (3)水位變化情況。坑內(nèi)水位無明顯變化。坑外漏水點(diǎn)附近的水位觀測井SW8管涌后陡降5m左右,此時坑內(nèi)外水位差由15m減少到10m左右,水位差對流砂的產(chǎn)生已失去作用。搶補(bǔ)措施完成約3小時后,水位又回升到原標(biāo)高。SW8水位陡降證明圍護(hù)體止水帷幕在SW8附近存在缺陷,坑內(nèi)外地下水已連通。8 結(jié)語 (1)粉土、粉砂地層中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效應(yīng)對基坑安全和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要,圍護(hù)體一旦出現(xiàn)涌水、涌沙,波及范圍多在2～4倍基坑開挖深度,對環(huán)境危害極大。因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制及基坑施工過程中對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的排查與補(bǔ)強(qiáng)工作,必須認(rèn)真細(xì)致。 (2)對圍護(hù)體滲漏點(diǎn)的補(bǔ)強(qiáng)加固方案,須進(jìn)行抗管涌穩(wěn)定性驗算分析,不能僅憑經(jīng)驗行事。 (3)降水是深基坑工程施工的重要環(huán)節(jié),坑內(nèi)降水可固結(jié)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(jiān)測對檢驗圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果非常有效。當(dāng)坑內(nèi)降水發(fā)現(xiàn)坑外水位變化異常時,提前采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。
場區(qū)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(bǔ)給來源主要為大氣降水及地表水,地下水位隨季節(jié)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(xì)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(diǎn) (1)基坑開挖深度較大,最深達(dá)18m; (2)基坑周圍地下管線密集,鄰近建筑物多,環(huán)境條件較差; (3)基坑地層主要為砂質(zhì)粉土,開挖時極易產(chǎn)生側(cè)向變形、開挖面隆起而引起邊坡失穩(wěn)及基坑涌水等不利現(xiàn)象; (4)基坑底有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土下臥層(層面距離坑底約5m),該層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)尚可,滲透系數(shù)較小,對于坑底抗管涌比較有利。 總之,場區(qū)地下水位高、土滲透系數(shù)大。同時粉土、粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護(hù)結(jié)構(gòu)一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和保證圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水性能是工程成敗的關(guān)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(qū)施工。在秋濤路中心(主體17軸處)設(shè)臨時封堵墻(咬合樁墻),先封閉東區(qū)基坑,進(jìn)行東區(qū)基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。 開挖自2004年8月11日開始,2005年1月6日結(jié)束。施工期間共出現(xiàn)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(diǎn)位于第11段基坑南側(cè)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(shè)計標(biāo)高,開始進(jìn)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(cè)(距基坑邊約20m)1幢三層居民樓向北側(cè)傾斜,圍墻出現(xiàn)裂縫,裂縫寬度最大達(dá)10cm左右;南側(cè)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(yīng)中斷。管涌波及范圍:273號～274號樁向南最遠(yuǎn)達(dá)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(diǎn)位于第8段基坑內(nèi),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(xì)石砼保護(hù)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(fā)現(xiàn)基坑南側(cè)距第一次管涌點(diǎn)以西約10m處地面出現(xiàn)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(yuǎn)達(dá)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(diǎn)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(jù)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(xiàn)開叉,開挖到坑底后開叉量達(dá)15cm左右。根據(jù)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(jù)經(jīng)驗確定為基底下3m的止水加固方案。根據(jù)抗管涌穩(wěn)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(xiàn)管涌失穩(wěn)破壞。如圖4所示,可通過式(1)驗算基坑底部穩(wěn)定性。 Ks=ic/i(1) 式中:Ks———抗管涌或抗?jié)B流穩(wěn)定性安全系數(shù),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(nèi)外土體的滲流水頭m,取坑內(nèi)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(jīng)驗算,當(dāng)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(jié)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(wěn)定性要求(經(jīng)驗算止水帷幕深度應(yīng)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(fā)生管涌的主要原因。5.2第二次管涌 管涌發(fā)生后立即將漏水處防水板揭開,發(fā)現(xiàn)漏水點(diǎn)位于接地網(wǎng)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(nèi)降水工作曾因停電而停止降水半小時,坑內(nèi)水位升高,地下水沿接地網(wǎng)溝槽涌出并突破較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層而涌入基坑。 管涌處理進(jìn)行約2小時后,發(fā)現(xiàn)第10段基坑南側(cè)(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(jiān)測孔SW8水位下降了3m多。據(jù)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(jìn)入基坑內(nèi)。 此次管涌發(fā)生的主要原因: (1)由于坑底以下咬合樁開叉使坑內(nèi)外地下水連通,1月10日中午停電后,基坑內(nèi)降水中斷,坑外水位升高,坑內(nèi)外水頭差增大,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)降低,從而導(dǎo)致管涌發(fā)生。 (2)坑內(nèi)降水中斷后,也使坑內(nèi)水位上升,并對底板產(chǎn)生壓力,結(jié)構(gòu)較松散的接地網(wǎng)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(wǎng)溝槽涌入第8段墊層下,從后澆注的強(qiáng)度低、較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層處涌出。如圖5所示。6 搶補(bǔ)措施 為防止管涌對周圍環(huán)境造成大的影響,暫停基坑開挖,采用“支、補(bǔ)、堵、降”的有效措施,迅速控制了險情。 (1)對支撐結(jié)構(gòu)(鋼支撐、鋼圍檁等)進(jìn)行排查補(bǔ)強(qiáng),確保圍護(hù)的整體安全; (2)以滲漏點(diǎn)為中心,在四周堆碼土袋墻反壓封堵; (3)在四周擴(kuò)大土袋墻圍堵范圍并澆注砼,在繼續(xù)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(cè)原婺江路(現(xiàn)施工便道)禁止施工車輛通行; (5)加強(qiáng)坑內(nèi)降水措施,降低水頭差; (6)現(xiàn)場不中斷監(jiān)測,為進(jìn)一步采取措施提供依據(jù)。 搶補(bǔ)措施完成后,及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護(hù)結(jié)構(gòu)滲漏點(diǎn)外側(cè)進(jìn)行加固。 由于管涌的發(fā)生,圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形較大,監(jiān)測信息對施工運(yùn)作和調(diào)整起到了積極的作用。監(jiān)測內(nèi)容包括:①圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)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(diǎn)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(shè)計預(yù)加值以內(nèi)。說明此次管涌對基坑安全影響不大。(2)環(huán)境變化情況。漏水點(diǎn)處地面最大沉降量達(dá)500mm,距漏水點(diǎn)20多米以外各測點(diǎn)最大沉降量在3～12mm之間。管涌對環(huán)境影響較大。 (3)水位變化情況。坑內(nèi)水位無明顯變化。坑外漏水點(diǎn)附近的水位觀測井SW8管涌后陡降5m左右,此時坑內(nèi)外水位差由15m減少到10m左右,水位差對流砂的產(chǎn)生已失去作用。搶補(bǔ)措施完成約3小時后,水位又回升到原標(biāo)高。SW8水位陡降證明圍護(hù)體止水帷幕在SW8附近存在缺陷,坑內(nèi)外地下水已連通。8 結(jié)語 (1)粉土、粉砂地層中基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的止水效應(yīng)對基坑安全和環(huán)境保護(hù)至關(guān)重要,圍護(hù)體一旦出現(xiàn)涌水、涌沙,波及范圍多在2～4倍基坑開挖深度,對環(huán)境危害極大。因此,圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制及基坑施工過程中對圍護(hù)結(jié)構(gòu)的排查與補(bǔ)強(qiáng)工作,必須認(rèn)真細(xì)致。 (2)對圍護(hù)體滲漏點(diǎn)的補(bǔ)強(qiáng)加固方案,須進(jìn)行抗管涌穩(wěn)定性驗算分析,不能僅憑經(jīng)驗行事。 (3)降水是深基坑工程施工的重要環(huán)節(jié),坑內(nèi)降水可固結(jié)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(jiān)測對檢驗圍護(hù)結(jié)構(gòu)止水效果非常有效。當(dāng)坑內(nèi)降水發(fā)現(xiàn)坑外水位變化異常時,提前采取加固補(bǔ)強(qiáng)措施。