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基坑突涌

/boiling during excavation/
条目作者周念清

周念清

最后更新 2024-12-04
浏览 164
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基坑工程中,承压含水层上覆不透水层厚度在基坑不断开挖下减小到一定程度时,承压水的水头压力顶裂或冲毁基坑底板的现象。

英文名称
boiling during excavation
所属学科
土木工程

基坑突涌将会破坏地基强度,并给施工带来很大困难。承压水是地表以下充满于两个稳定隔水层之间具有较大水头压力的储水层,随着基坑开挖深度越来越大,基底下部不透水层厚度越来越薄,承压水更有可能击穿坑底而发生突涌、隆起,造成基坑围护结构失稳等,最终酿成工程中的事故。防治基坑突涌是基坑安全设计施工的重点和难点。

突涌的基本表现形式为:①基坑顶裂,出现网状或树状裂隙,地下水从裂隙中涌出,并带出下部的土颗粒。②基坑发生流沙现象,从而造成边坡失稳和整个悬浮流动。③基坑发生类似于“沸腾”的喷水现象,使基坑积水,地基土扰动,造成坑底被动区土体抗力下降。④地下墙急剧变形,并且使基坑的“踢脚”明显加剧,同时坑底的隆起和地下墙向坑内的移动使地下墙附近的房屋突然加速下沉。

1985年,中国上海浦东某过江管线基坑工程在开挖至25米时,坑底土层在第一承压水层的压力作用下发生突涌,大量地下水与粉细砂涌入坑内,导致地下连续墙下沉。2001年,上海某基坑工程在开挖至设计标高时,连续墙侧向变形突然增大,同时周围建筑物出现开裂,坑内立柱桩上浮达133毫米。2007年,台北市某基坑工程开挖至20.65米时,扰动深入承压水层的监测管,此管引导深层承压水穿越不透水层,导致基坑开挖面大量涌水。2015年前后,在福建省某医院诊疗中心大楼建设中,基坑开挖至第三道内支撑位置,即开挖深度11.5米时,先从围护桩间隙而后整个坑底有大量地下水涌出,导致第三道内支撑无法施工。现场为了加快第三道支撑施工,在基坑内外同时抽水。后续几周内出现地面沉降及周边建筑沉降超过预警值。2016年7月,杭州地铁4号线南段中医药大学站南基坑施工时,发生基坑土体突涌(图1),事故虽未对地铁基坑安全造成影响,但有4位工人在事故中丧生。

图1 浙江杭州地铁4号线中医药大学站基坑突涌图1 浙江杭州地铁4号线中医药大学站基坑突涌

基坑突涌产生的重要条件是承压含水层上部的不透水层厚度过小,其概念模式见图2,承压含水层上部的不透水层厚度界限值可以简单由公式计算:


式中为基坑开挖后不透水层厚度;为土的浮重度;为水的重度;为承压水高于含水层顶板的高度。当时,则可能发生突涌。

图2 基坑突涌产生条件示意图图2 基坑突涌产生条件示意图

基坑底部发生突涌可能性的验算可以按以下规则进行:先考虑上覆土层重量与承压水压力的平衡,此时的安全系数取1.1~1.3。当不满足此条件时,对有空间效应的小型基坑或较窄的条形基坑,可考虑上覆土层重量及其支护壁的摩擦力和水压力的平衡。土与支护壁间的摩擦系数根据具体工程的条件由实验慎定。土体作用于支护壁上正压力可采用主动土压力,这是偏于安全的,安全系数可取1.2。若还不能满足,则应采取一定的措施以防止基坑的失稳。

基坑抗突涌的具体措施应根据工程情况制定。对于承压含水层水埋藏深度较浅的工程,设置较深的地下连续墙等隔水帷幕,穿越承压含水层,进入不透水层一定的深度,隔断基坑内外承压水的水力联系。对于基坑底部承压含水层以上覆土不足以抵抗承压水头,而又不适合隔断承压水的工程,可采用降压降水的方法。对于开挖至基底标高时,上覆土重略小于承压水的浮托力,不能满足抗承压水稳定性的工程,可采用土体加固措施来达到抵抗承压水头的目的。

抗承压水突涌常用的具体处理方法包括:①明排水法,在基坑开挖过程中,沿坑底周围或者中央挖一定坡度的排水沟,并隔一定距离设置一个集水坑,地下水通过沟流入坑中,然后用水泵抽出。这种方法适用于面积较小、降水深度不大的基坑开挖工程,对软土或者土中有细砂、粉砂或淤泥层时,不宜采用这种方法。②注浆法,在探明突涌水渗流优势通道的基础上,采用封堵法,将胶结材料配制成浆液并注入松散含砂或含水地层、含裂隙的岩层、溶洞、破碎带并使其固化。浆液凝结硬化后,起到胶结、堵塞作用,使地层稳固并隔断水源,增加工程的强度及稳定性。③井点降水法,在巨大基坑开挖之前,在基坑周围埋设一定数量的滤水井,利用抽水设备抽水,使地下水降落至基坑以下,降水降低承压水的顶托压力。④冻结法,在基坑接近临界深度时,用人工制冷的方法将开挖工程周围的岩土层冻结成封闭的冻结圈(壁),以临时加固地层,抵抗地压,隔绝地下水与地下工程的联系。冻结法能够有效阻隔地下水向开挖土体中迁移,保证了施工的安全。⑤止水帷幕法,采用连续墙、高压旋喷桩等构成的止水帷幕,竖向隔断承压含水层,将承压水对基坑底部不透水层的垂直顶托力转为对止水帷幕的水平压力。

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