杭州地铁秋涛路站Z区基坑施工涌水涌砂分析

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杭州地铁秋涛路站Z区基坑施工涌水涌砂分析摘要:以杭州地铁秋涛路站Z区基坑施工两次管涌为例,具体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。1工程概况Y市地铁一号线试验段秋涛路站位于Y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Φ1000@750钻孔咬合灌注桩,插入比约为1∶0.8。2地质概况与基坑特点依据工程具体勘察报告,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。8 浅层潜水属孔隙性潜水类型,主要赋存于上部①层填土和②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0.85~3.45m。承压水主要分布于深部的⑧-1层中细砂和⑧-3层圆砾夹卵石中,水量较丰富。隔水层为上部的粘性土层(⑤、⑥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、基坑开挖深度和四周环境条件,本工程具有如下特点:(1)基坑开挖深度较大,最深达到18m。(2)基坑四周地下管线密集、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,因此地下水位的掌握和围护结构的止水性能是本工程成败的关键。3管涌发生状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Z区基坑,进行Z区基坑开挖和主体结构施工。8 Z区基坑开挖自04年8月11日开头,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17∶10分,管涌点位于第11段基坑南侧,273#~274#桩间坑底,到20∶30分处理完共涌出泥砂约240m3左右。涌水前第11段基坑已基本开挖到设计标高,开头进行清底。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14∶10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20∶10分处理完共涌出泥砂约40m3左右。处理过程中发觉基坑南侧距第一次管涌点以西约10米处地面出现稍微裂缝,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8 第一次管涌发生的主要原因为咬合桩开叉,依据咬合桩施工记录,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状况看,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。依据施工记录和实际开挖状况,基坑开挖到7m后,即提出在桩后施作3根高压旋喷桩,旋喷深度依据经验确定为基底下3m的止水加固方案。依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=hω/L;hω为基坑内外土体的渗流水头(m),取坑内外水头差hω=14.5;L为最短渗径流线总长度(m),L=14.5+2×3(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1.5~2。经验算,当旋喷桩深入基底下3m时,Ks=ic/i=0.919/0.71=1.29〈(1.5~2)验算结果表明,咬合桩开叉处旋喷桩止水帷幕的深度不满意抗管涌稳定性要求(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:①咬合桩开叉;②旋喷加固措施不到位。(2)第二次管涌原因分析8 管涌发生后马上将漏水点处防水板揭开,对渗流状况进行观看,用手触摸发觉漏水点位于接地网沟槽处,直径约20~30cm,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,发觉第10段基坑南侧(24轴处)地表有2~5mm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3米多。据此推断,基坑24轴四周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:①由于坑底以下咬合桩开叉使坑内外地下水连通,当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削减,在临界水力梯度值不变的状况下,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;②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8 为防止管涌对四周环境造成大的影响,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,快速掌握了险情。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,在连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,为进一步采取措施供应依据。抢补措施完成后,准时采取高压旋喷及注浆的方法,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。监测信息状况综合如下:(以11月2日管涌为例)(1)基坑变形状况: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;第一道支撑轴力削减1.5t,第二、三道支撑轴力分别增加9t和14t,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。8 (2)环境变化状况: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3~12mm之间。管涌对环境影响较大。(3)水位变化状况:坑内水位无明显变化。坑外漏水点四周的水位观测井SW8管涌后陡降5m左右,此时坑内外水位差由15m削减到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SW8四周存在缺陷,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,围护体一旦出现涌水、涌砂波及范围多在2~4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掌握及基坑施工过程中对围护结构的排查与补强工作,必需专心细致。(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,提高土体的被动抗力,防止或削减坑底隆起。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。8 (4)从坑外水位监测孔SW8的水位监测状况看,坑外水位监测对检验围护结构止水效果特别有效。Z区基坑施工时可依据状况适当加密坑外水位监测孔数量,当坑内降水发觉坑外水位变化异常时,提前采取加固补强措施。8