中铁隧道局集团建设有限公司 广西南宁
摘要：承压水是充满两个隔水层之间的含水层中的地下水，当上覆不透水层的重度不足以抵抗承压水的水头压力，承压水顶裂不透水层的地基，形成渗流通道，造成承压水带着砂从坑底涌出，为基坑突涌。基坑突涌会对基坑自身稳定和周边环境造成严重的影响。本文在分析基坑突涌事故机理和危害的基础上，从基坑降水的设计计算、降水井施工及运营管理、止水帷幕渗漏的检测、基坑渗透破坏的应急处置等几个方面介绍了预防基坑突涌的关键技术。
关键词：沿海漫滩；承压水；基坑突涌；防治；关键技术
0 引言
海南西海岸沿海漫滩地区地层一般呈二相元结构，即上部淤泥质粉质黏土、下部粉细砂层，地下水与沿海水力联系，互为补给。粉细砂层深厚，厚度达40~70m，地层渗透系数大，基坑工程止降水难度大，风险高。如降水不力，由于坑内外水头差导致的突涌会导致砂土颗粒在动水作用下涌向基坑内开挖面，造成坑内被动区和坑外土体损失，引起周围地面沉降、塌陷甚至是基坑坍塌，引起建构筑物开裂、倾斜甚至倒塌。这些事故不仅处置难度大，而且造成了工程造价和工期的大幅增加。
本文在分析基坑突涌事故机理和危害的基础上，从基坑降水的设计计算、降水井施工及运营管理、止水帷幕渗漏的检测、基坑渗透破坏的应急处置等几个方面介绍了预防基坑突涌的关键技术。
1 基坑突涌的机理及危害
承压水是充满两个隔水层之间的含水层中的地下水，其水头高于其水面。当基坑开挖卸荷，不断减少承压水层上覆隔水层的厚度后，不透水层的重度不足以抵抗承压水的水头压力，承压水顶裂不透水层的地基，形成渗流通道，造成承压水带着砂从坑底涌出。《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-2012）在验算承压水抗突涌稳定时的公式如下
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式中D为承压含水层顶面至坑底的土层厚度（m），γ为承压含水层顶面至坑底土层的平均天然重度（kN/m3），h为承压水含水层顶面的压力水头高度（m），γw为水的重度（kN/m3）。
但是上述公式是基于土层是均一的没有竖向裂隙的，但实际工程中，经常沿没有回填密实的勘察孔或桩土界面渗流管涌，因此即使理论验算满足抗突涌安全系数的要求，也建议布置少量降压井，以备沿勘察孔或桩土界面渗流时应急处置。
基坑突涌会造成坑底被动区土体损失，影响被动区抗力，会导致坑外地面沉降、开裂甚至是坍塌。图1为某基坑突涌坑底大量砂层涌入坑内，图2为某基坑突涌造成路面开裂。
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图1 某基坑突涌坑底大量砂层涌入坑内
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图2 某基坑突涌造成路面开裂
2 基坑突涌防治的关键技术
2.1基坑降水设计计算
为了能够给土方开挖和地下室主体结构施工提供干作业环境，对于富水地层的深基坑工程需要采取工程降水措施。基坑降水破坏原有的地下水水头平衡，会造成坑内外水头差，导致地下水在土体中渗流。基坑降水分析的手段主要有解析法和数值法。目前工程实践中主要采用解析法，即将基坑等效为一口大直径水井采用计算基坑工程总的涌水量，将总的涌水量除以单井出水量即得基坑降水所需降水井的数量。大井法将场地水文地质条件概化成均值、等厚的含水层，再利用裘布依井流推导出来的计算公式进行求解[1]。而实际基坑工程地层多数情况无论水平或垂直方向地层分布都是变化多端。特别是含水层中夹有弱透水层（常见砂土中夹粘性土层），抽水后由于受弱透水层的阻隔而形不成理想的漏斗，使实际与计算严重背离[2]。对于沿海漫滩区域的基坑降水，多数采用止降结合的方式进行地下水的控制，即沿基坑四周设置止水帷幕，坑内设置降水井，由于含水层深厚，多数止水帷幕为悬挂式，传统的解析法不适用。悬挂式止水帷幕对坑外地下水向坑内的补给路径具有绕流作用，悬挂式止水帷幕的插入深度对减小坑外地下水位的降幅、减小坑内涌水量有较大影响，悬挂式止水帷幕的插入深度应在保证周边环境安全的前提下，寻求造价上的经济性和施工上的可行性，如何合理确定悬挂式止水帷幕的插入深度一直是工程设计的重点，这往往需要采用数值法。数值法对复杂边界和随时间变化的复杂渗流场模拟有较大的适应性，但在基坑降水方面尚缺乏经验，工程实践中应用较少。应加快推进数值法在基坑降水设计计算中的应用。
2.2降水井施工工艺及运营管理
基坑降水对周围环境的影响包括坑外地下水位下降造成的土体的固结沉降和因突涌、管涌、流砂造成水土流失引起的地面塌陷。通过对基坑工程事故的统计归纳，发现九成以上的基坑事故是由于地下水控制失效引起的，而且基本都属于突涌、管涌、流砂导致的渗透破坏，而引起渗透破坏的主要原因是止水帷幕失效或降水不到位情况下带压开挖。降水不到位的主要原因是降水井的施工工艺不合理导致降水井出水量不足或降水井运行期间管理不到位造成降水暂停或死井。
降水井一般采用管井，管井成孔孔径一般700~800mm，内置滤水管管径300mm左右，滤水管外侧包裹滤网，滤网与井孔之间回填滤料。平面上，降水井间距一般15~25m，视抽水量的大小和性质适当调整。竖向上，降水井深度一般要深度坑底6~8m以满足过水断面的需求。当需要降低承压含水层中地下水时，井管应伸入承压含水层不少于6m。
对于承压水水头较高的基坑工程，建议直接采用桥式滤管。桥式滤管是采用钢板经冲压成孔后，卷焊并经防腐处理而成，其优点是无需在钢管上钻孔或切削，也无需垫筋缠丝，加工简单。由于是侧向进水，不易被含水层颗粒或滤料堵塞，因此过水能力大幅提高。
承压水减压降水运营管理过程中风险主要包括用电异常、设备异常和水位异常，应开发承压水减压降水信息化管理与风险控制系统，该系统应包括降水工程控制中心、智能化数据采集与远程实时监控系统和工程降水自动预警系统。
2.3止水帷幕渗漏的检测
为了保护周边环境，位于城区的基坑工程地下水控制多采用止降结合的方式，即沿基坑四周设置止水帷幕、坑内设置降水管井。理论上止水帷幕是一个完整的不透水的墙体，但由于地质条件的变化、施工管理的不到位、施工技术的限制等原因，实际工程中止水帷幕经常出现渗漏，从而造成沿基坑侧壁的渗透破坏。尤其是对于深基坑工程，坑内外水头差达到20m以上，止水帷幕一旦渗漏，会造成水、砂土颗粒沿基坑侧壁喷涌而下，对周边环境的破坏是极其严重的。因此，在止水帷幕施工完毕后、基坑开挖前，应对止水帷幕的封闭性进行检测。根据止水帷幕的材料，可将止水帷幕分为水泥土、混凝土两种类型，水泥土止水帷幕包括双轴水泥土搅拌桩、三轴水泥土搅拌桩、CSM工法、TRD工法和MJS工法等，混凝土止水帷幕包括地下连续墙、钻孔咬合桩。目前，对于水泥土止水帷幕主要是抽取约2%的水泥土桩采用钻孔取芯的方式进行完整性、均匀性检测，对于混凝土止水帷幕主要是抽取20%~30%的墙体采用声波透射法对墙体质量进行检测，其检测手段本质上属于抽样调查，难以对全部的帷幕进行有效的评估。
传统的渗漏检测方法主要为在基坑四周30~50m布置一口监测井，基坑开挖前通过坑内降水井抽取地下水将坑内地下水位控制在坑底以下1~2m，然后观察周边监测井内的水位。该种方法最为简单也应用最广，几乎每个需要降水的基坑工程都会设置水位监测井。但该种方法只能对渗漏较为严重的地方才会有较为敏感的反映，对于局部较小的渗漏观测不出。对于坑外地下水补给大于帷幕渗漏的降水井，也观测不出基坑渗漏。
现在有更为先进的检测手段声呐检测，声纳是水下唯一能够进行信息的探测、识别、导航、通讯的物理测量方法。声纳渗流检测技术正是利用这一特性，构建矢量声纳传感器阵列，能够精细地测量出声波在流体中能量传递的大小与分布，并自动感应、识别、采集流体空间中的渗流场和对应的声场的大数据，完成 水流速度场的测量和定位，自动生成地下隐蔽工程所需要的各种水文地质参数图表，以此建立三维可视化云图和原位水文地质解析模型[3]。声呐法能够精确判断渗漏的位置、渗漏流量的大小，为帷幕的加固补强提供可靠的数据支持。
赵培龙、侯海芳、程瀚翔等采用超高密度电阻率CT成像方法对上海国际航空服务中心（X-1）地块的地下连续墙进行了渗漏检测，通过探测地下连续墙两侧土体的电阻率的变化，对电阻率空间分布情况进行分析，从而判断出地下连续墙的渗漏位置，达到了提前对渗漏位置进行处理的目的[4]。该方法对地下连续墙“两墙合一”的止水帷幕检测也较为使用。
2.4基坑突涌的应急处置
基坑渗透破坏是由水头差造成的地下水在土体中的流动而造成的，土颗粒在动水压力作用下产生流动流入坑内开挖面，从而造成坑底或侧壁土体流失形成破坏。基坑渗透破坏事故占基坑工程事故的90%。尽管在设计、施工阶段可以针对基坑渗透破坏做很多针对性工作，但因地下工程的复杂性，基坑施工过程中还是可能会产生渗透破坏，因此，应做好基坑渗透破坏的应急处置措施。
基坑突涌处置的最有效措施是回填反压后再补打减压井，基坑突涌事故应在第一时间采用土袋装土或直接用土方在突涌点反压，以阻止砂土颗粒涌入坑内。然后再在突涌点四周回填作业平台，满足降水井成井设备站位的需求。回填土高度应不低于承压水水头，因为回填土高度如低于承压水水头，在成井过程中易造成井壁塌孔，影响成井质量。
对于承压水水头在坑底附近的，且承压水突涌点较少时，也可采用水泥水玻璃双液注浆加固封堵。但对于承压水头高于坑底2m以上的工程，往往会出现“安琪葫芦起了瓢”的现象，即堵住现有突涌点后会形成新的突涌点，这时需要反复注浆，哪里突涌哪里注浆封堵的措施。
3 结 论
承压水地区，基坑突涌的预防极为重要。其关键技术包括如下几点：
1) 对于悬挂式止水帷幕，应加快数值法计算的应用，以有效评估降水设计的可靠性。
2) 降水井的滤管应选择桥式滤管，降水井的运营管理应采取自动化控制。
3) 止水帷幕的渗漏检测应采用声呐法以有效评估止水帷幕的止水效果。
4) 基坑突涌处置的最有效措施是回填反压后再补打降水井。
参考文献(References)：
[1]李再兴,梁杏,郭付三,余珍友. 大井法在基坑涌水量计算中的应用[J]. 人民长江,2009,40(15):50-52+55..
[2]顾宝和. 基坑降水计算中应用裘布衣公式的问题[J]. 工程勘察,2011,39(10):84-87.
[3]杜国平，郭建强，黎咏泉，等. 南京城际轨道交通宁高线盾构井声呐渗流控制技术应用[J]. 铁道勘察，2017，43(6)：61-65.
[4]赵培龙,侯海芳,程瀚翔,罗忠芝,马春玥. 超高密度电阻率CT成像方法在地下连续墙渗漏检测中的应用[J]. 施工技术,2016,45(S1):208-210