基坑突涌判别与防治

【摘要】 承压水具承压水头，会产生浮托力，易引发基坑突涌，突涌模式主要有弯矩破坏、剪力破坏、接触破坏。通过“压力平衡法”、“单向板法”推导出基坑抗承压水稳定性判别公式。结合工程案例，采用“合理选择基础埋深”、 “合理选择计算模式”等优化设计方案，使承压水顶板保持足够的隔水层厚度，若顶板隔水层厚度不足时，采用“隔离、降低承压水”、“水平隔渗封底”等工程技术措施，降低承压水浮托力，增加隔水顶板强度、刚度，达到防治基坑突涌的目的。

【关键词】 基坑突涌；临界厚度；压力平衡法；单向板法；降低承压水；水平隔渗封底

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：

1 引言

承压水对基坑工程的影响是一个综合性的岩土工程难题，既涉及土力学中的强度与稳定问题，又包含了变形和渗流问题，同时还涉及到土与支护结构的共同作用[3]。基坑设计过程中，运用“压力平衡法”、“单向板法”对基坑抗突涌临界厚度进行了分析计算，并结合工程实践，提出了 “合理选择基础埋深”、 “合理选择计算模式”预防基坑突涌。

基坑施工过程中处理地下水的基本原则是疏堵结合。而对承压水的处理，通常采用“隔水”、“降压”、“封底”三种技术手段[8]。结合工程案例运用“隔离、降低承压水”、“水平隔渗封底”等工程措施，以降低承压水浮托力，增加隔水顶板强度、刚度，防止基坑突涌。

2 基坑突涌判别与临界厚度计算

2.1 压力平衡法

2.1.1 突涌机理

在承压水分布地区，建筑基坑的开挖会使承压水不透水层顶板厚度减小，当不透水层顶板薄到与承压水头的压力平衡破坏时，承压水就会顶裂或冲破坑底隔水层而形成冒喷地下水及砂性土的现象，造成突涌[2](图1抗承压水压力平衡简图)。

图1抗承压水压力平衡简图

2.1.2 临界厚度计算

[4]（1）

以上公式中的变量意义：

—— 底板隔水层临界厚度（m）；

—— 土的重度（KN/m3）；

—— 水的重度（KN/m3）；

—— 承压水头高度（m）。

2.1.3 压力平衡法优缺点

压力平衡法概念明确，使用方便，结果安全。但存有局限性，对于隔水层，若其上部为较厚砂性土，下部为厚度较小的不透水层的情况，根据(1)式计算得结果还是比较准确[2]；若隔水层全部为粘性土层或大部分为粘性土层，根据(1)式计算得结果偏于安全[6]。压力平衡验算方法，没有考虑基坑底粘性土的抗剪强度，而只考虑土层的自重力引起的抗力。

2.2 单向板法[1]

2.2.1 突涌机理

在自下向上的均布净压力的作用下，隔水层便可能会产生挠曲拱起、剪切破坏、摩擦力破坏的一种，即这均布的净压力需要由隔水层自身的强度、刚度承担以及隔水层与围护之间的摩擦阻力来承担。土体的强度、刚度及土体与围护的摩擦力三者决定了坑底的稳定性，当某一项不能平衡或变形过大，就会发生突涌（图2受力分析简图）。

（a）受力简图

（b）剪力图

（c）弯矩图

图2 受力分析简图

2.2.2 临界厚度计算

（1）基本假设

隔水层是均质、连续的、可变形的弹性隔水层；

隔水层在均布净压力的作用下产生挠曲拱起[3]、剪切、接触破坏；

隔水层与围护结构连接处转动和移动均受到限制，近似地简化为两端固定的受力梁；

按照单向板简化分析方法，沿长度方向取的单位板宽计算；

隔水土层饱和，且为粘性土，计算中所使用的土的抗剪强度指标为三轴不固结不排水抗剪强度指标，取0，为加权粘聚力。

（2）临界厚度

将基坑底板按照单向板分别进行弯曲破坏、剪切破坏、接触破坏计算隔水土层的临界厚度[1]。从工程偏安全角度考虑，取三者中的较大值作为突涌破坏临界厚度。

（2）

弯曲破坏

弯曲破坏往往是平面尺寸较大，相对厚度较小的情况下而发生的。土梁中任意一点的应力等于弯矩产生的应力与被动土压力之和，危险点在跨中截面的顶端，此处的应力为： （3）

（4）

剪切破坏

剪切破坏往往是由于土体强度不够而引起的。基坑底板的最大剪力发生在底板的边缘，此时剪力和抗剪力的极限平衡方程为：（5）

（6）

接触破坏

边缘处的最大剪力可导致土体的摩擦接触破坏。当基坑为有支护开挖时，土体与支护结构间为摩擦接触，其极限平衡方程为：

（7）

（8）

以上公式中的变量意义：

—— 弯矩折减系数，当为单向板时为1；

—— 隔水层三轴（UU）内摩擦角，均取0；

—— 基坑的宽度（m）；

—— 平均被动土压力（kPa）；

—— 土体与围护之间的摩擦系数；

—— 弯矩破坏临界厚度；

—— 剪切破坏临界厚度；

—— 接触破坏临界厚度。

2.2.3 单向板法优缺点

单向板法既考虑基坑平面尺寸对基坑抗突涌的影响，也考虑了承压水的压力需要由隔水层自身的强度、刚度以及隔水层与围护之间的摩擦阻力来承担。结果与实际较吻合。但计算较繁琐，需结合工程实际情况作诸多简化处理。

3 基坑抗突涌措施

根据以上分析计算的结果判断，基坑若不能稳定，则必须采取有效控制措施才可防止坑底的突涌，实际工程设计中，必须满足下列平衡式：

（9）

以上公式中的变量意义：

—— 安全系数；

—— 底板隔水层设计厚度（m）；

—— 底板隔水层临界厚度（m）。

由上式可清楚地看出：只要安全系数，就可防止坑底突涌产生，《建筑地基基础设计规范》GB 50007－2011 附录W ，取1.1[9]。

3.1 合理选择基础埋深

工程案例1：常州天龙大厦，地上28层，高98.0m，设计地下室二层，基底埋深大于9.0m。场地有浅层承压水分布，水头高达5.1m，地下室板底进入含水层3.2m，要保证两层地下室施工，必须进行深基坑支护和降水。但费用十分高昂，预算要822万，而且施工难度较大，并有很大的风险性。后经研究改为一层地下室，并经坑底隔水层厚度与承压水水头压力平衡计算，以及提高室内地坪等措施，保留隔水层厚度理论计算应为2.5m，但实际保留仅为1.44m。（这是凭当地经验：基坑开挖后的隔水层厚度达到平衡理论计算的50%，就不会产生突涌而定）。其原因是平衡理论只考虑了隔水层厚度本身的重量来平衡承压水头压力，而未考虑它的抗剪强度和抗弯刚度，实际这种强度也能平衡承压水头的破坏作用。另外，在桩基施工中，大量水泥砂浆灌入地下，从而会使基坑范围内的地基土性质发生改变，特别是含水层的渗透系数。据当地工程经验，在基坑内进行干扰抽水试验求得的渗透系数（18～19m/d）仅为桩基施工前勘察时求得的渗透系数的（48m/d）1/3[8]，可见桩基施工对地基土的影响。由于天龙大厦基础埋深选择合理，不仅满足了设计和使用要求，而且节省了大量基坑支护及降水费用，并做到施工安全和工期缩短，其经济和社会效益极为明显。

3.2 合理选择计算模式

工程案例 2：杭州市庆春路过江隧道江北工作井平面尺寸为长34.59～37．9m，宽22.4 m，1000 mm厚地下连续墙作为围护结构，基坑坑顶标高+6.991m，坑底标高 -19.899，开挖深度达22.89 m。

承压水主要赋存在⑦-2粉细砂、⑧－1圆砾、⑧－2卵石层，承压水层系钱塘江古河道，受上游侧向径流补给，水量大，透水性好。坑底相对隔水层为⑤粉质粘土、⑥粉质粘土，坑底隔水层厚度15.0m。根据施工现场实测承压水头标高为-2.80m，承压含水层顶底板标高为-30.9m，承压水头高度28.1m。结合工程实际，各指标参数简化后，，,（UU）， (UU)，,。基坑底板抗承压水稳定性验算如下：

压力平衡法：

按公式（1）,从计算结果看，不满足《建筑地基基础设计规范》GB 50007－2011 附录W的要求。

单向板法：

临界厚度：按公式（2）按公式（9），满足《建筑地基基础设计规范》GB 50007－2011 附录W 的要求，所以不需降低承压水头及采取其他措施，也是可以安全稳定地进行施工。在实施中在没有进行降低承压水头的情况下，顺利完成施工。

其中：

3.3 隔离、降低承压水

对于承压含水层埋藏深度相对较浅的深基坑工程，可设置较深的地下连续墙等隔水帷幕，穿越承压含水层，进入不透水层一定深度，以隔绝基坑内外承压水的水利联系，然后采取常规的基坑疏干降水即可解决承压水问题。对于基坑底部承压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，可采取降压降水的方法。在承压水地区降水，由于含水层特性和渗透系数的不同，多采用管井（深井）抽降并辅以自渗砂井的降水方案[5]。

工程案例 3：武汉天一大厦由地上两幢塔楼，高42层和两幢8层裙楼构成，设两层地下室，基坑开挖深度6.3～10.3m，占地面积约9000m2。场地地层由填土和56.0～59.0m厚的冲积粘性土、砂土和砂卵石层组成。场区地下水有两类，一是上层滞水，分布在填土和粘土层的粉土透镜体中，水量较小；二是承压水，承压含水层具有由上至下颗粒逐渐变粗，渗透性逐渐增强的特性。根据其富水性和透水性，可将承压含水分成弱透水层和强透水层，前者为粉质粘土与粉土、粉砂薄层或透镜体，厚约17m，水平渗透系数为0.63m/d，贮水量有限，且不易疏排。强透水层为粉细砂至砂卵石层，厚约31.0m，水平渗透系数为21m/d，渗透性强，贮水量丰富。

根据场地含水层特性，采用深井降低深部强透水层的承压水头，利用渗水砂井疏排弱透水层中的地下水，并使水头也降至设计标高。

降水效果：在基坑开挖过程中，共启动11眼抽水井（2眼备用）开泵抽水，实行水量与水位动态控制管理。降水时，强透水层地下水位下降很快，并降至设计标高以下。弱透水层地下水位在降水初期下降较快，后来下降变得缓慢，直到降水一个月时才达到水位相对稳定并低于设计标高。在基坑开挖过程中，没有出现坑底冒水、流砂现象，满足了挖土和地下室的施工要求。

3.4 水平隔渗封底

封底加固措施一般适用于开挖至基底标高时，基坑底板抗突涌安全系数略小于要求的安全系数，不能够满足抗承压水稳定性的局部电梯井等落深区[7]，以及有明显空间效应的小型或窄长形基坑等情况。封底加固一般可采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等加固体，利用加固后土体重度、抗剪强度的提高，来达到抵抗承压水头的目的。

工程案例4：汉口某工程，场地存在承压水，含水层为粉细砂和卵石，混合渗透系数为18m/d，静止水位2.31m。根据地区经验，经水文地质条件类比，采用高压旋喷注浆进行水平封底隔渗处理比深井降水更合适可靠，不致对环境造成危害。经过强度与水平隔渗帷幕稳定性验算，确定水平封底隔渗层厚度为2.5m，为使坑壁与底板胶结牢固，在桩周内侧3.0m的宽度内将封底隔渗层加厚到3.0m，这样不仅加强了水平封底底板与支护桩的连接，而且增加了内支撑作用和水平封底底板的稳定性和安全性。为充分利用封隔层上部粘性土（即坑底下面尚保留的隔水层，保证底板的稳定，采用了降低始喷高度的办法，对一般喷注区，始喷高度从地表以-10.7m开始，终喷高度为地表下-8.2m。加厚封隔层始喷高度为地表以下-11.2m，终喷高度不变。承压水的这种处理方法，在类似地区的基坑支护和止水设计中值得参考和借鉴。

4 结语

（1）通过对基坑底隔水层抗承压水破坏机理和模式的分析，对压力平衡法、单向板法判断基坑抗承压水稳定性判别公式进行了对比，实践表明：单向板法提高了定量评价精度和预测准确性；

（2）基坑底板抗承压水稳定性必须考虑土体强度和刚度的影响，同时基坑的平面尺寸和隔水层厚度也是影响基坑突涌安全的重要影响因素；

（3）鉴于承压水对基坑底板的不良影响，必须对水文地质、工程地质条件进行整体和动态研究，选择合理的基础，选择合理的计算模式，往往是避免基坑突涌最简单、经济、有效的方法；

（4）在承压水地区降水，由于含水层特性和渗透系数的不同，多采用管井（深井）降低下部含水层的承压水头，辅以自渗砂井疏排上部的上层滞水或潜水；

（5）基坑底板抗突涌安全系数略小于要求的安全系数，一般可采用水泥土搅拌桩或高压旋喷桩等加固，利用加固后土体重度、抗剪强度、刚度、摩擦系数的提高，来达到抵抗承压水头的目的。

参考文献

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【2】吕培林，雷震宇，董月英．承压水作用下条形基坑坑底整体加固厚度研究．地下空间与工程学报，2005，(3)．

【3】叶国强，陈杰生．深基坑施工中承压水的危害、预防及紧急应对措施．建筑施工，2005，(7)．

【4】王树旺．地下水对基坑稳定性的影响分析[J]．地基基础工程，2006，9(4)．

【5】戴斌，王卫东．受承压水影响深基坑工程的若干技术措施探讨．岩土工程学报，2006，(增刊)．

【6】李琳，杨敏，张慧．承压水作用下圆形基坑底板突涌的临界厚度计算公式．勘察科学技术，2006，(5)．

【7】梁云生．城市地铁旋喷桩施工技术[J]．隧道建设，2007，27(3)．

【8】贺明侠，王连俊．地下水及地质作用对建筑工程的影响[J]．土工基础，2007，19(3)．

【9】GB 50007—2011，建筑地基基础设计规范 ，中国计划出版社【S】．