http://www.paper.edu.cn - 1 -基坑工程中的地下水问题 王翔 河海大学岩土工程科学研究所, 南京( 210098) E-mail: erjiawangxiang@126.com 摘 要: 目 前, 随着基坑工程大量出现, 再加上基坑规模和难度不断增大, 事故频发。 本文主要对基坑工程中由地下水造成破坏的原因进行了 分析, 并分别进行了 例证。 同时, 针对地下水问题提出了 一些防治措施, 以供基坑工程设计和施工时参考。 关键词: 基坑工程, 地下水, 事故 1. 引言 在我国, 随着城市化进程的加快, 大量的外来人口涌入城市, 导致城市人口密度急剧增加, 使得城市越来越拥挤, 为了解决人们的居住问题很多大城市建设了大量的高层建筑, 以上海为例, 高层建筑早已超过 4200 栋, 数量在世界大城市中屈指可数。 同时随着我国国民经济的快速发展和科技水平的提高, 大量标志性的市政工程正在以前所未有的规模和速度发展, 如大桥、 地铁、 隧道、 高架道路等。 这些大规模的工程建设都需要进行基坑开挖, 而且规模和难度越来越大, 出现的问题也越来越多, 比如基坑出现塌方, 坑内积水, 基坑周围地面出现不均匀沉降造成道路开裂, 房屋开裂甚至倾斜倒塌等等。 据统计, 在出问题的基坑工程中, 很大比例的一部分是由于地下水所造成的, 这些事故不仅对基坑本身影响重大, 而且对周围的环境造成的破坏也不可小视。 因此, 对基坑工程中的地下水问题进行分析研究是很有必要的。 2. 案例分析 基坑工程中, 地下水造成破坏是由很多原因引起的。 2.1 止水帷幕不封闭 止水帷幕是基坑的挡水结构, 如果不封闭, 地下水就有可能从未封闭的位置渗入基坑内部, 造成严重的事故。 例如: 广州某 16 层住宅楼【1】, 基坑设支护桩一排, 为直径 Ф800mm 的钻孔灌注混凝土桩, 外围设防渗帷幕。 采用两排直径 Ф550mm 的水泥搅拌桩, 互相咬合, 桩深至全风化土层 0.5m 左右。 根据地质资料(参见表 1) , 基坑西面没有出现中砂层, 因此在帷幕墙的平面设计上, 西面没有设置防渗帷幕(如图 1 所示) 。 表 1 某住宅楼工程土层分布 序号 土层名称 埋深(m) 层厚(m) 1 杂填土 0—0.6 0—0.6 2 素填土 0.4—1.2 0—1.0 3 淤泥 2.5—6.6 1.9—5.5 4 粉质粘土\中砂 6.3—8.9 0—2.7\0—3.8 5 全风化土 7.2—11.0 0.8—1.2 http://www.paper.edu.cn - 2 -南基坑防渗墙支护桩 图 1 某住宅楼工程基坑平面示意图 施工时实际情况是: 基坑全面挖深至4.30m时, 需要抽水。 抽水时出现流沙现象, 随着开挖深度增加, 水量增大, 黄砂也越多。 数日后, 基坑周边民居水泥地面出现裂缝, 墙角出现45度斜裂缝, 引起居民投诉。 分析: 上述现象是典型的“流砂”现象。 流沙的继续发展, 导致周围地面不均匀沉降, 从而周围的建筑物出现裂缝。 止水帷幕不封闭是导致流砂发生的主要原因。 2.2 止水帷幕的入土深度不够 地下水在较大水头差的作用下绕过止水桩进入基坑内部, 造成破坏。 例如: 广东某工程为两座高层商住楼【1】, 基坑平面成矩形, 采用放坡开挖 (如图2所示) 。其防渗体系设计如下: 深层搅拌桩, 直径500mm, 第一排中心距为400mm, 桩长12m; 第二排中心距为500mm, 桩长8m, 要求垂直度99.5%, 保证桩的搭接量。 表 2 某商住楼工程土层分布 土层名称 序号 层厚(m) 土性 1 素填土 0—0.6 2 耕植土 1.0 3 淤泥 1.9—5.5 软塑 4 粗砂 5.5—13.8 饱和松散 5 粉质粘土 0.5—2.2 软—可塑 6 粗砂 2.2—4.9 饱和稍密 7 强风化岩层 搅拌桩⑥⑤④③②①⑦ 图 2 某商住楼剖面图 http://www.paper.edu.cn - 3 -存在的问题: 本工程设计的意图是将搅拌桩插入粉质粘土层(土层分布详见表 2) , 从而截断地下水渗入基坑的通道。 但忽略了有地质孔的粉质粘土层层厚仅 0.5m, 距离基坑底部平面还不到 0.7m, 而基坑内外的地下水水头差 7.0~8.0m。 结果基坑未挖至设计标高即大面积涌水。 虽然水量不大, 但喷水泉眼多, 证明基坑底的粉质粘土层已为地下水压力破坏。 分析: 上述现象的出现是典型的脱离地质资料进行设计施工, 地质资料上清楚地表明作为覆盖层的粉质粘土局部只有 0.5m 左右, 在那么大的水头差作用下, 地下水肯定会从基坑底部冲破粉质粘土层而进入基坑内部。 2.3 止水帷幕局部失效 地下水通过失效部位进入基坑, 造成事故。 造成止水帷幕局部失效的原因主要有两个:一是由于止水帷幕施工质量差, 局部位置出现裂缝, 曾经就在某工程(出事故) 止水桩上发现废弃物; 二是由于围护结构设计或施工不当, 造成较大的水平位移使得止水帷幕被破坏,从而形成渗流通道。 例如: 广州某工程基坑【2】开挖深度 18.5 m 左右, 采用 800mm 地下连续墙加四道内支撑支护结构。 在施工中, 当开挖至约 8m 深时, 北端地下连续墙(中部) 接缝出现水土流失。当开挖至约 12 m 深时, 北端墙(中部) 接缝再次出现更严重的水土流失, 从而导致北侧地面严重下沉, 邻近的建(构) 筑物倾斜, 开裂而并入抢险状态, 造成工程事故。 表 3 某工程土层分布 序号 土层名称 层厚(m) 土性 1 杂填土 2.8 松散 2 粉质粘土 7.2 软~可塑 3 砂质粘土 4.5 可塑 4 砂质粘土 13.1 硬塑 图 3 某工程基坑支护示意图 http://www.paper.edu.cn - 4 -分析: 出现这样的工程事故的原因主要有两个, 一是地下连续墙施工质量较差, 没有做好接缝处的密封措施; 二是由于设计时安全系数不够, 地下连续墙在较大土压力作用下, 比较薄弱的接缝部位产生错缝。 以上可能是这一基坑产生水土流失的主要原因。 2.4 施工不当 基坑施工时, 由于降水施工操作不当, 导致“管涌”, “流土”等现象发生。 在基坑工程中,降水施工是关键的过程, 降水措施应该根据地质状况, 以及基坑自身特点来决定。 同时, 在施工时应该严格按照规范进行, 很多事故都是由于操作不规范造成的。 【3】(地质资料暂缺) , 开挖深度8.0m。 基坑采用深层搅例如: 南京某地下停车场基坑拌桩与旋喷桩两种止水帷幕形式, 坑南侧主要采用钻孔灌注桩, 部分采用人工挖孔桩, 其余段采用人工挖孔桩支护, 设1道支撑。 基坑采用管井降水, 一期工程共布设管井70余口。 开挖时, 由于降水不当, 导致水在砂性土中渗流, 土中的细小颗粒在动水压力作用下, 通过粗颗粒的孔隙被水流带走, 为管涌的发生创造了条件。 在人工挖孔桩挖到4m左右时, 造成30多根人工挖孔桩全部连通, 后采用钢模板封堵, 才控制了险情, 但已经引起了 周边道路的下沉, 相邻房屋墙体拉裂。 分析其产生的主要原因如下: ①内因是基坑内本身的土质情况, 坑内东北角部分的粉砂土层是易产生流砂现象的土体; ②外因是挖土前管井降水时水流速度时快时慢, 未均匀降水,动水压力为流砂的产生创造了条件。 所以, 根据地质资料在砂性土中施工要特别注意流砂的防治, 一旦发生, 由此产生的基坑周围地面沉降可能远大于由支护结构变形过大或者由于正常排水造成土体固结而形成的沉降, 这对周围建筑和交通设施危害极大。 2.5 地质勘探资料有问题 地质钻孔有一定的间距, 其间的地层是依照相邻两钻孔连一条直线而得的, 不完全符合实际。 加之勘探取样工作马虎, 一些较薄的土层可能被忽略, 甚至还出现造假的现象, 用别处的地质资料来冒充。 还有一种情况是: 地质勘探报告都是早期勘探的, 当时的勘探报告是根据当时的工程范围来做的, 现在的工程可能数易其主, 工程也可能作了较大修改, 但业主为了省钱用早期的地质勘探报告进行设计施工。 例如: 在上面所说的广州某16层住宅楼工程中【1】, 止水帷幕设计是根据地质资料(参见表1) 来进行的。 根据地质资料基坑西面土层都是不透水层, 在这里不设置止水帷幕是可以的, 但是正如上面所说的, 地质资料也不是完全符合实际的, 后来在这一位置出现流沙现象更说明了这一点。 当然, 以上只是造成深基坑事故的一些主要原因, 每个深基坑事故可能都是有许多不利因素组合在一起而共同引发的, 它与深基坑工程自身、 勘察、 设计、 施工、 工程监测及工程管理、 自然条件等因素都有密切关系, 是个综合而且复杂的问题。 所以我们分析具体工程事故时除了分析主要原因外, 对次要原因分析是很有必要的。 对事故原因有个全面的认识, 这有助于事故的预防和处理。 3. 防治措施 1. 做好地质勘探工作, 尤其是深基坑工程等地下工程。 因为这项工作是后面设计施工的依据, 如果勘探不够仔细全面或者出问题的话, 后续工作肯定也会出现问题, 事故发生的概率就会很高。 前面所列举的工程事故, 有些就是由于地质资料有偏差所造成的。 所以一定要重视地质勘探工作, 为设计施工人员提供一份详细可靠的勘探资料。 http://www.paper.edu.cn - 5 -2. 基坑设计一定要严格规范。 基坑工程的设计主要由围护结构, 内支撑体系, 降排水系统, 止水体系等设计组成的, 这些体系都是环环相扣的, 任何一个方面出了问题都会导致基坑因为地下水而出问题。 例如上面有一工程事故就是由于维护结构设计(也有可能是内支撑体系出现问题, 导致止水帷幕被破坏而出现险情。 因此, 任何一个环节的设计都很重要,没有主次之分, 都应该严格按照规范进行设计。 同时, 考虑到勘探资料不一定可靠, 设计人员应该同施工方加强联系, 在基坑进行施工时注意现场与资料不一致的情况, 根据现场具体情况需要即时合理的修改设计, 降低事故发生的机率。 3. 基坑工程施工时间长, 在这么长的时间内, 天气一般会发生很大的变化, 可能会遇上暴雨等恶劣气候。 遇到这种情况基坑降排水一定要组织好, 要不然就会影响基坑的正常施工, 甚至造成严重事故。 4. 基坑工程往往存在很大的风险, 不可预测性的因素很多, 因此事故发生不一定就是由于疏忽大意造成的。 尽管如此, 我们为了减少事故发生, 或者尽量减少事故损失, 我们应该加强施工组织与管理, 提高施工人员的素质; 同时, 一定要做好重视施工监理与验收工作,严把质量关, 认真做好施工监测工作, 一有险情马上处理, 将问题消灭于萌芽状态。 5. 当险情出现以后, 一定要根据实际情况想办法排除险情。 当然, 在采取措施之前,一定要弄清事故原因, 对症下药。 比如, 止水帷幕不封闭, 可以用水泥土深层搅拌桩将不封闭的部位封闭; 如果是哪个位置的止水帷幕失效可以用水泥土深层搅拌桩加固这一薄弱位置; 如果是止水桩的入土深度不够则必须采取补救措施以加大入土深度。 6. 学习其他基坑事故的经验教训, 尤其注意一些用于抢险方面的处理技术。 因为基坑工程中的事故一般都有突发性, 发展迅速, 破坏严重等特点, 因此关键在于发现及时、 抢险措施有力, 而在这些方面别人可能已经摸索到一些行之有效的办法, 所以当遇到相似情况时借鉴他人的经验方法是很有必要的。 例如: 双管注浆法, 它具有止水迅速、 持效时间长、 施工简便的优点, 其成功关键在于截断漏水通路; 渗透性灌浆【4】, 它具有成本低、 见效快、功能多、 施工占地小和固结质量好等特点。 4. 结论 基坑开挖与支护工程是高层建筑和大型市政工程基础工程施工中的难点与重点,它的成败对工程的造价、 质量和工期有着重大的影响,而且更对周围环境有着不可忽视的影响。 而地下水问题是基坑设计和施工时需要重点考虑的因素, 根据上面的一些工程事故分析可知,很多基坑工程事故就是由于不重视地下水问题而酿成的, 造成很大经济及人员损失。 为了提高基坑工程的可靠性, 一定要对地下水问题提高警惕。 http://www.paper.edu.cn - 6 -参考文献 [1] 罗永锵. 防止基坑工程渗透破坏之浅见[J] . 广东建材, 2005 年, 第7期: 80-81. 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Keywords: foundation pit project; underground water; accident 作者简介: 王翔, 男, 1981 年生, 硕士研究生, 主要研究方向是基坑工程中渗流应力耦合问题。