基坑抗突涌稳定性分析及处理方法(图)

基坑抗突涌稳定性分析及处理方法(图)【摘要】随着城市建设的飞速发展,高层建筑的地下室基坑开挖深度随之增加,由此而产生的基坑边坡的稳定性问题、基底隆起问题以及基坑突涌问题等越来越受到广泛关注。特别是承压水条件下的基坑突涌问题,安全隐患大,处理困难。本文结合工程实例简要介绍基坑突涌发生的机理,以及发生突涌后采取的处理方法和有效措施。【关键词】承压水;基坑突涌;稳定性分析;处理方法1.前言近年来,城市建设日新月异,高层建筑拔地而起,为更好的利用城市土地资源,满足国家抗震要求,高层建筑地下室的基坑开挖深度逐渐增加,随之而产生的基坑边坡支护问题、基底隆起问题以及基坑突涌问题等受到工程技术人员的普遍关注。济南是山东省省会城市,素有“泉城”美誉,城因泉名,泉以水生,泉水复涌,城魂归来。济南泉水数量之多,在中国城市之中,可谓罕见。泉水是济南的象征,是济南的特色和灵魂。泉是济南文化的渊源,也是济南的骄傲和自豪。但济南的高层建筑群大多位于泉水保护区范围内,为节水保泉,深基坑施工前应进行保泉方案论证,针对基坑开挖施工过程中产生的基坑突涌等问题应及时采取措施,以防对泉水产生不良影响。2.工程概况香港恒隆地产拟建的济南市恒隆广场项目位于黑虎泉西路以北、泉城路以南、榜棚街以东、天地坛街以西的区域,为济南市重点招商引资项目,建设场地西距趵突泉东门约500m,四周由趵突泉、珍珠泉、五龙潭和黑虎泉四大泉群环绕,位于济南市泉水保护区范围之内,场地的水文地质条件极其复杂,根据勘察资料,场地内地下水主要有:第四系潜水、风化裂隙水和基岩裂隙水。本工程地下2层,地上7层。基坑开挖形状总体呈近似矩形。场区地形较为平坦,自然地坪标高在30.95～31.59之间。建筑物总高度为45m,±0.00标高相当于绝对标高为31.30m。地下室开挖面积为46248.39m2,基坑开挖周长为925.53m,开挖深度为12.10m,土石方量为56万m3,设计抗浮锚杆4000多棵。基坑支护设计方案既要保证基坑的安全与稳定,又要最大限度的减少基坑开挖后对周边环境的影响。根据周边环境条件,结合国内外大型基坑的先进设计施工经验和工程结构顾问公司的概念性设计要求,本基坑支护方案总体上采用支护排桩加内支撑的支护结构体系。见图1。由于基坑开挖深度较大,基坑开挖过程中控制与预防地下承压水是基坑支护和土方开挖的关键。特别是在抗浮锚杆施工过程中,由于场地内存在承压水,泉水的出露标高可达26.49m,施工过程中穿透隔水底板产生突涌的可能性非常大。考虑到基坑底部的隔水层厚度不均,经计算,局部厚度不能满足抗渗流、抗突涌稳定性验算,本工程经过地质雷达检测,对局部隔水层厚度不能满足设计要求的部位采用了注浆加固处理。但我单位在该工程的抗浮锚杆施工中,620号锚杆在施工至8m时突然出现大量涌水(见图2),据初步估算,涌水量可达65m3/h。为了节水保泉,从而又不影响工程继续施工,必须尽快采取积极有效的措施处理发生的基坑突涌问题。3.场地岩土工程条件3.1地层结构。场地地层条件较为复杂,层位变化较大,原始地貌单元属第四系冲、洪积地貌单元。根据钻探揭露,场区内地层可分为10层。地层物理力学性质参数如表1。3.2水文地质条件。根据含水层的性质及赋存条件,本场区地下水分为3种类型:上部碎石层(胶结砾岩)和填土内的第四系潜水、中部闪长岩内赋存于风化裂隙、构造裂隙内的承压水和下部奥陶系灰岩内存在的基岩裂隙承压水。上部第四系潜水来源主要为大气降水和上升泉水的侧向的补给,渗透系数为1.1×10-5～5.3×10-3cm/s,同时场区内的该层潜水还受到距场区南侧约30m的护城河内的常年流水的侧向补给影响较强;中部的风化裂隙水来源主要来自地下径流及第四系渗透补给,该层渗透系数为5.86×10-3～9.85×10-4cm/s;下部的基岩裂隙水来源主要受大气降水和南部山区地下水径流入渗补给,局部由于连通裂隙存在而使基岩裂隙水与上层潜水局部联系较强,根据现场抽水试验井抽水测试,一般揭露该含水层后单井涌水量大于5000m3/d。4.基坑突涌的发生机理4.1济南泉水的形成机理。现代地质工作者调查研究认为,济南泉水来源于市区南部山区。在南部山区灰岩出露和裂隙岩溶发育的地方,吸收大量的大气降水和地表径流,渗人地下形成了丰富的裂隙岩溶水。这些裂隙岩溶水,受基底太古界变质岩的隔阻,沿单斜构造岩层的倾斜方向,向北作水平运动,由于可溶性灰岩,经过多次构造运动和长期溶蚀,岩溶地貌发育,形成地下潜流,至城区遇到侵入岩岩体的阻挡和断层堵截。燕山期辉长岩——闪长岩侵入体,质地细密,岩质坚硬,隔水性能好,千佛山断块西有通过纬一路的千佛山断层;东有穿过解放桥和老东门的羊头峪断层,这样就组成了东西北三面阻水岩体,构成了三面封闭的排泄单元。地下潜流大量汇聚,并由水平运动变为垂直向上运动,促进了岩溶发育和水位抬高,在强大的静水压力下,地下水穿过岩溶裂隙,在灰岩和侵入岩体的接触地带及第四系沉积层较薄弱处夺地而出,涌出地表,形成天然涌泉4.2基坑突涌机理分析。基坑突涌是基坑底板被承压水顶裂或冲破而形成喷水冒砂的现象,此现象一旦发生,基坑将丧失稳定性。因而在基坑开挖中是必须严格注意的问题。确切的说:当时,承压水的浮力小于或等于隔水土层的重力,此时是安全的;当基坑开挖至h如图4,本基坑工程隔水底板主要为6层粘土,隔水土层的临界厚度为:式中:γ——隔水土层的重度——水的重度——承压水头高于含水层顶板的高度;K——安全系数。根据本次基坑突涌结果--把以上数据代入(1)式,经计算得。这一计算结果与锚杆施工至8m发生突涌非常吻合。5.基坑发生突涌的处理方法5.1注浆方法。根据有关文献,对承压水而言,基坑抗突涌稳定的处理方法基本有两种:(1)降压,即通过降压井降低承压水的水头;(2)对基底进行加固处理,可采用化学注浆法或高压旋喷注浆法,即通过对基底隔水土层加固,形成具有一定厚度和一定强度的隔水底板,利用压力平衡防止突涌发生。由于本工程位于济南市泉群保护区,基坑开挖范围较大,为了节水保泉,显然采用设置降压井的方法来抽取大量承压水以降低承压水水头不是理想方法,为此,本工程根据物探结果对局部地段进行了封底注浆,但由于不是对基底全部进行封底注浆处理,所以在基坑开挖后施工抗浮锚杆时发生基坑突涌在所难免。对发生的突涌同样采用注浆加固法进行处理。5.2注浆过程。首先,对产生突涌的出水孔内下钢管,并用海带、注浆加固出水孔周围,使水经过钢管流出减少对孔壁冲刷。如下图5。其次,对出水口4m范围内进行压力注浆。压力注浆目的是:封堵地下渗水、孔隙水,从外向里行成一个封闭的止水帷幕,以达到减小泄水口水流量并为最后一步强行堵管创造条件。同时,也是对出水口附近土体的加固。第三,进行强行封堵压力实验,结果封堵出水口后三分钟内孔壁无渗水、涌水现象。最后采用双管注浆方案:双管注浆方案是采用利用两个相同直径注浆管,采取双管等压力高压(泵压力必须大于水压力,1.5MPa)注入水泥浆和水玻璃,使两种浆液在泄水管底部高浓度混合迅速行成凝固体,从而达到从孔底堵水的目的。浆液配置,水泥浆液采用0.5的水灰比,水玻璃掺入量为50%,逐渐减少,水玻璃浓度越高水泥凝固速度越快。注浆过程见下图7。5.3注浆效果。注浆完成2小时后打开阀门封堵成功,未见异常,注浆效果良好。为了及时检测注浆期间出水口附近地层的的变形情况,防止由于注浆压力过大引起基底隆起,注浆前在出水口四周5米范围内设置了8个观测点,根据注浆前后和注浆过程中的检测结果分析,由于压力注浆引起的基坑隆起量一般在3～10cm,没有对基底产生较大影响。注浆完成后的现场情况见下图8。6.结语随着城市高层建筑及地铁、隧道的建设,基坑开挖的深度不断增加,基坑周边环境条件更加复杂,由此而产生的岩土工程问题也愈来愈多、愈来愈受到关注。承压水条件下的基坑抗突涌问题应引起充分重视,目前这类问题理论分析方法和计算模型多样,但都存在一定的局限和缺点。根据不同的工程特点和场地岩土工程条件合理选用计算模型,才能使计算结果更接近实际。图8注浆完成济南市是山东省省会城市,是著名的泉城,城市中心区多位于泉水保护区,该区地下水类型属承压水,在该区进行工程建设,基坑开挖前应充分分析和论证基坑开挖和地下水控制方案,达到节水保泉的目的,对于该区基坑发生突涌时的处理方法也应非同于常规,不仅处理要及时,而且方法要得当,从而不影响济南泉水的喷涌,维护济南市“泉城”的美誉。