對(duì)深基礎(chǔ)施工中出現(xiàn)流沙管涌現(xiàn)象的防治方法

1、對(duì)深基礎(chǔ)施工中出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象的防治方法南通市建工集團(tuán)股份有限公司 朱萬連內(nèi)容提要：本文通過對(duì)深基礎(chǔ)施工中出現(xiàn)流沙、管涌的成因分析，提出了較有實(shí)用性的預(yù)防流沙、管涌的方法和應(yīng)急措施。關(guān)鍵詞：流沙、管涌、深基礎(chǔ)、承壓含水土層、不透水土層1、前言 在深基礎(chǔ)施工中，對(duì)基坑的降水要求通常是基礎(chǔ)施工方案中的一個(gè)重要部分，對(duì)一般工程而言，采取必要的人工降水（如輕型井點(diǎn)降水、深井降水）或抗?jié)B圍護(hù)等措施均能滿足施工要求。但是當(dāng)遇到地下水文、地質(zhì)情況較為復(fù)雜時(shí)（如各土層之間的滲透系數(shù)差值過大、土層夾有滲透系數(shù)很大的粉砂層、地下存在不透水土層和承壓含水土層以及基坑附近有人工水管漏水等）會(huì)給施工帶來很大的不利。筆

2、者在進(jìn)行通醫(yī)附院門急診大樓的基礎(chǔ)施工時(shí)，就因地下承壓水造成管涌而拖延工期一個(gè)多月。因此在深基礎(chǔ)施工時(shí)，對(duì)基坑降水和預(yù)防流沙、管涌的措施應(yīng)特別重視。本文根據(jù)多個(gè)工程的施工經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，收集了一些有關(guān)資料，就深基礎(chǔ)施工時(shí)出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象的防治方法作一粗淺的總結(jié)。2、出現(xiàn)流沙、管涌現(xiàn)象的工程實(shí)例2.1工程實(shí)例一：常州勤德家園高層住宅工程地下室基坑開挖深度5.5 m，局部電梯井的部位基坑開挖7.5m，正常地下水位深1.5m。方案采用一級(jí)輕型井點(diǎn)做人工降水，放坡大開挖，電梯井部位的深坑周圍采用二級(jí)井點(diǎn)降水。在大面積開挖時(shí)，坑中土體干燥。當(dāng)電梯井部位深坑挖到7.5m時(shí)，土中未見滲水現(xiàn)象。由于設(shè)計(jì)變更，電梯

3、井坑加工深至8.1m，在補(bǔ)下深坑周圍二級(jí)井點(diǎn)時(shí)，突然出現(xiàn)地下壓力水經(jīng)二級(jí)井點(diǎn)立管的砂井上泛，很快即形成管涌。在64m2的深坑中，共有6個(gè)管涌點(diǎn)，總流量可達(dá)到20m3/h。承壓水頭的標(biāo)高超過了地下室底板的底標(biāo)高，造成地下室按常規(guī)情況無法施工。2.2工程實(shí)例二：上海某住宅樓工程，地下室基坑開挖深度4.5m，局部電梯井基坑開挖深 7.5m，基坑采用二級(jí)井點(diǎn)降水，在電梯井深坑開挖時(shí)，坑底土基本干燥，但在邊坡上的粉土夾層中出現(xiàn)土層流沙造成塌方。2.3工程實(shí)例三：南通某住宅樓，地下室基坑采用深層攪拌樁作抗?jié)B圍護(hù)，坑內(nèi)采用輕型井點(diǎn)降水。局部柱基承臺(tái)開挖深坑，最大深度9m。在其中最深一個(gè)柱基承臺(tái)開挖時(shí)，沿工程

4、樁的周圍出現(xiàn)多個(gè)管涌點(diǎn)，管涌最大流量達(dá)到15m3/h，致使坑中積水造成深坑淹沒塌方。3、流沙、管涌成因的分析3.1流沙的成因 土體在受水浸泡飽和時(shí)，土粒中親水膠體顆粒吸水膨脹使土粒的密度減小，當(dāng)在動(dòng)水壓力的作用下，動(dòng)水壓力超過土粒的重力時(shí)，土粒產(chǎn)生懸浮流動(dòng)，即形成流沙。動(dòng)水壓力是產(chǎn)生流沙的一個(gè)重要因素。產(chǎn)生流沙的臨界條件為：I=（-1）（1-n）I臨界水力坡度 土粒密度 n土的孔隙率 在基礎(chǔ)施工中易形成流沙的情況一般有如下幾種：（1） 坑內(nèi)采用明排水，坑外地下水位高于坑內(nèi)抽水水位，地邊坡上的地下水滲出點(diǎn)部位易出現(xiàn)流沙。（2） 基坑開挖深度超過降水設(shè)施的有效降水深度，坑底易出現(xiàn)流沙。（3） 基坑

5、降水效果不佳，在土中含水率大于30%或孔隙率大于43%時(shí)，在有效降水浸潤線以下易出現(xiàn)流沙。（4） 土層中有厚度大于250mm的粉砂夾層，粉砂層的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于其它土層，地下水從粉砂夾層中橫向流出。（5） 深坑附近的人工地下水管滲漏，影響基坑降水的預(yù)期效果。3.2管涌的成因當(dāng)深基坑距離河塘較近或基坑底下土層中存在承壓含水層時(shí)，在水位差的作用下，基坑土體中存在滲透水流，由于土體的不均勻性，土體中某一部位的土顆粒在滲透水流的作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)，使填充在土體骨架空隙中的細(xì)顆粒被滲水帶走而形成涌水通道，即形成管涌（又稱翻沙鼓水、泡泉）。當(dāng)主滲漏涌水通道上的細(xì)顆粒被基本帶走后，在較強(qiáng)的水流沖刷下主通道兩側(cè)的細(xì)

6、顆粒進(jìn)入涌水主通道，使涌水主通道逐漸變寬，管涌持續(xù)時(shí)間越長，通道的寬度越寬，繼而發(fā)生大量涌水和塌方事故。管涌的發(fā)生是一個(gè)水與土體相互作用的復(fù)雜的力學(xué)過程，管涌的發(fā)生與地層中地的組成成分、結(jié)構(gòu)、土的級(jí)配、水力梯度、管涌發(fā)生口表面覆蓋粘土層的強(qiáng)度、厚度、飽和度、固結(jié)度、浸泡時(shí)間等因素有關(guān)。地下承壓水一般處于不透水層以下，而有的地區(qū)不透水層很薄，如南通市的城中地區(qū)不透水層的厚度約為0.61m左右，而且在地質(zhì)勘探報(bào)告中很容易被忽視，在基礎(chǔ)施工中由于承壓水而形成管涌的形式有：（1）局部挖深穿過不透水層或基坑底不透水層的自重壓力小于承壓水頭壓力形成管涌；（2）井點(diǎn)立管的砂井穿過不透水層形成管涌；（3）樁基

7、穿過不透水層且周圍的土體松動(dòng)形成管涌。（4）基坑與河塘距離太近，滲流水力梯度大于土體滲流穩(wěn)定的臨界水力梯度而形成管涌。一旦形成管涌之后，管涌的泛水點(diǎn)迅速由小變大而使基礎(chǔ)積水、泛砂而無法施工。當(dāng)遇到這種情況時(shí)應(yīng)立即采取有效措施，確?；A(chǔ)的順利施工。4、對(duì)流沙、管涌的預(yù)防措施4.1施工方案的設(shè)計(jì)與論證 （1）為保證深基礎(chǔ)施工時(shí)基坑不積水，在深基礎(chǔ)施工之前，首先應(yīng)根據(jù)地質(zhì)鉆探資料和工程實(shí)際情況，設(shè)計(jì)深基礎(chǔ)施工的降水方案。通常采用的基坑降水方法有人工降水、抗?jié)B圍護(hù)等，無論采用什么方案，方案中應(yīng)對(duì)坑中待挖土中的地下水位變化情況進(jìn)行必要的驗(yàn)算，使降水措施滿足地下水位浸潤線低于開挖底標(biāo)高以下500mm的施工

8、條件。（2）凡在深基坑開挖施工中，如發(fā)現(xiàn)有地下承壓水，應(yīng)事先探明承壓水頭、不透水層的標(biāo)高和厚度，并對(duì)坑底土體進(jìn)行抗浮托能力驗(yàn)算。（3）對(duì)工程所在地的類似深基礎(chǔ)施工情況進(jìn)行必要的調(diào)研，吸取其它工程在深基礎(chǔ)施工中的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)。4.2深基礎(chǔ)施工實(shí)施過程的措施4.2.1預(yù)防和處理流沙、管涌的原則是“減少或平衡動(dòng)水壓力”。如根據(jù)監(jiān)測(cè)和驗(yàn)算，基坑降水或坑底土抗浮達(dá)不到施工要求，應(yīng)采取相應(yīng)的措施使其達(dá)到施工要求。4.2.2預(yù)防流沙、管涌的基本方法（1）一般預(yù)防措施：a）井點(diǎn)施工時(shí)，井點(diǎn)立管的砂井成孔應(yīng)完整，砂石填充高度應(yīng)高于正常地下水位并要填充密實(shí)。b）采用基坑人工降水時(shí)，在開挖之前，應(yīng)在基坑范圍內(nèi)設(shè)置地下

9、水位觀測(cè)井，監(jiān)測(cè)人工降水的效果；c）當(dāng)發(fā)現(xiàn)有承壓水和不透水層以后，在采用輕型井點(diǎn)降水時(shí)，井點(diǎn)立管不應(yīng)穿過不透水層；d）對(duì)于穿過不透水層的樁基，如果土方開挖標(biāo)高低于承壓水頭標(biāo)高，則有必要對(duì)樁周圍進(jìn)行注漿加固，以避免承壓水沿樁周邊上泛形成管涌。（2）井點(diǎn)降水法：a）當(dāng)出現(xiàn)流沙時(shí)，應(yīng)立即停止開挖，并回填深坑將流沙埋沒，或在深坑中注水，以平衡滲流的動(dòng)水壓力。然后在深坑周圍立即補(bǔ)下二級(jí)（或三級(jí)）井點(diǎn)，待二級(jí)（三級(jí)）井點(diǎn)降水使地下水浸潤線低于開挖范圍以下500mm后，再繼續(xù)開挖施工。b）當(dāng)深坑接近承壓水層時(shí)或經(jīng)計(jì)算坑底土體的抗浮不能滿足穩(wěn)定要求時(shí)可采用點(diǎn)井管穿過不透水層直接抽取不透水層下的承壓水，以降低承

10、壓水頭，從而避免因承壓水頭過大而形成管涌。由于地下承壓水流量大，不宜采用輕型井點(diǎn)，應(yīng)采用出水量較大的噴射井點(diǎn)或管井降水。c）井點(diǎn)降水法的原理如圖1所示。深井的布置量、布置深度應(yīng)根據(jù)承壓含水層的承壓水頭H、承壓水土層滲透系數(shù)K，單井出水能力q和要求降低水頭量S經(jīng)計(jì)算確定。圖1：承壓含水層深井降水的原理（3）土體抗?jié)B加固截水法：當(dāng)?shù)叵潞畬訚B透性較強(qiáng)，厚度較大時(shí)，可采用懸掛式豎向截水與坑底井點(diǎn)降水相結(jié)合（如圖2）或采用懸掛式豎向截水與水平封底相結(jié)合的方案（如圖3）。在土體開挖之前，對(duì)深基坑四周抗?jié)B薄弱的土體進(jìn)行抗?jié)B加固。土體抗?jié)B加固的方法有深層攪拌樁加固、粉噴樁加固、壓密注漿加固及劈力注漿加固等方

11、法。土體抗?jié)B加固的水泥摻量可根據(jù)試驗(yàn)確定，一般漿噴深層攪拌的水泥摻量宜為被加固土重量的15%18%；粉噴深層攪拌的水泥摻量宜為被加固土重量的13%16%；注漿加固的漿液注入率一般為被加固土體重量的15%20%，漿液配合比：水泥：粉煤灰：水玻璃=1：1：0.04。加固的范圍（深度和厚度）可經(jīng)過計(jì)算確定，被加固的土體具有一定強(qiáng)度和較高抗?jié)B能力，形成一截水帷幕，截水帷幕的滲透系數(shù)不宜小于1.010-6cm/s，可保證深坑開挖時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)流沙或管涌現(xiàn)象。當(dāng)采用懸掛式豎向截水與水平封底相結(jié)合的方案時(shí)（如圖3），應(yīng)對(duì)坑底加固土體的抗浮穩(wěn)定進(jìn)行驗(yàn)算。圖2：豎向截水與坑內(nèi)井點(diǎn)降水結(jié)合方案圖3：豎向截水與水平封

12、底相結(jié)合方案5、出現(xiàn)流沙、管涌時(shí)的應(yīng)急措施5.1基礎(chǔ)出現(xiàn)管涌時(shí)的應(yīng)急措施5.1.1集水井強(qiáng)排法 集水井強(qiáng)排法前提是基坑底標(biāo)高在不透水層以上，且待挖土體中的地下水浸潤線標(biāo)高低于坑底標(biāo)高。如果由于地下承壓水的作用基坑出現(xiàn)管涌，應(yīng)立即采用細(xì)石或綠豆砂將管涌口覆蓋以減少涌水口的砂土流失，同時(shí)在坑底挖臨時(shí)集水坑用水泵進(jìn)行明排水，對(duì)坑中土進(jìn)行搶挖。當(dāng)挖土至坑底標(biāo)高后，將圖（4）中所示的集水井埋入坑底土中，采用潛水泵排水，并在管涌點(diǎn)到集水井之間做排水盲溝使管涌的流水沿盲溝流入集水井。如果管涌點(diǎn)過多，則應(yīng)在坑底做細(xì)石或綠豆砂墊層。集水井可采用直徑在600800mm左右的鐵皮桶（如柴油桶）做成，桶壁打有集水小孔

13、，外側(cè)為綠豆砂反濾層。當(dāng)集水井排水使坑中水位低于基坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，立即進(jìn)行砼墊層的澆筑。為了保證墊層砼下盲溝或細(xì)石墊層排水暢通，在砼墊層及砂墊層之間應(yīng)隔有一層鐵皮或3050mm厚的預(yù)制砼板。墊層澆完以后，對(duì)集水井口采用鋼板封沒，并將水泵的出水管采用硬質(zhì)管引出基坑，并保持水泵抽水連續(xù)不斷，墊層砼具有一定強(qiáng)度以后立即進(jìn)行深坑中鋼筋砼施工。必要時(shí)可以采用深坑砼單獨(dú)先澆的方法，以確保深坑施工的安全性。 集水井排法的注意點(diǎn)：（1） 管涌出水口應(yīng)時(shí)刻覆蓋有細(xì)石或綠豆砂濾層，保證流水暢通但不流失砂土。（2） 開挖速度要快，采用搶挖措施，先挖臨時(shí)集水坑，后挖涌水點(diǎn)到集水坑的排水明溝，最后開挖基坑土體。（3）

14、鐵皮桶的集水井外側(cè)反濾層要有足夠的厚度，以確保集水井中抽取的是清水。 圖4：強(qiáng)排法集水井構(gòu)造圖 A大樣5.1.2深井降水法 當(dāng)基坑出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，立即停止開挖，并將深坑回填到地下承壓水頭以上，采用鉆孔下套的方法進(jìn)行打深井，深井的深度一般在不透水層以下23m即可，采用深井抽水，以降低深坑部位的地下承壓水頭，使其降到坑底標(biāo)高以下0.5m。深井的數(shù)量應(yīng)根據(jù)深坑大小，承壓水頭的高度、承壓水土層的滲透系數(shù)等參數(shù)經(jīng)計(jì)算確定。其降水原理及施工要點(diǎn)同4.2.2中的井點(diǎn)降水法。5.1.3注將法 在開挖基坑中局部深坑時(shí)，如深坑底出現(xiàn)管涌，但承壓水頭較低時(shí)（低于深坑頂面標(biāo)高）可采用注漿法。首先應(yīng)立即停止對(duì)局部深坑的開

15、挖，并對(duì)深坑進(jìn)行部分土方回填，將流沙、管涌點(diǎn)埋沒，回填高度應(yīng)高于承壓水頭的高度。然后采用注漿法將坑中的土方進(jìn)行注漿加固，其方法同4.2.2節(jié)中的土體抗?jié)B加固截水法（如圖3）所述。但由于是應(yīng)急措施，不宜采用需大型設(shè)備進(jìn)場的深層漿噴攪拌或粉噴攪拌等方法。為加快注漿的凝固和提高早期強(qiáng)度，應(yīng)在注漿液中摻入一定比例的水玻璃或早強(qiáng)劑。注漿加固土體具有一定的強(qiáng)度后即可進(jìn)行深坑開挖，當(dāng)深坑底接近于或穿過不透水層時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)坑底土體進(jìn)行搞浮穩(wěn)定驗(yàn)算，以確定注漿加固土層的厚度。5.2基坑出現(xiàn)流沙時(shí)的應(yīng)急措施 當(dāng)采用基坑放坡開挖、井點(diǎn)降水，特別是采用輕型井點(diǎn)降水時(shí)，對(duì)局部深坑（如集水坑、電梯基坑等）開挖，很容易形成流

16、沙現(xiàn)象。一般情況下，深坑內(nèi)積水不排除，當(dāng)坑內(nèi)積水位達(dá)到一定高度時(shí)，與深坑外的地下水位形成平衡，流沙即可停止。如果坑內(nèi)連續(xù)排水，則坑邊流沙連續(xù)不斷，就會(huì)造成大量流沙而塌方，致使深坑的開挖無法完成。下面介紹幾種對(duì)流沙的應(yīng)急措施5.2.1補(bǔ)下二級(jí)或三級(jí)井點(diǎn)降水 當(dāng)出現(xiàn)深坑流沙時(shí)，應(yīng)立即停止開挖，用土回填或注水至地下水浸潤線以上。在深坑周邊補(bǔ)下閉合的二級(jí)或三級(jí)井點(diǎn)。當(dāng)二級(jí)或三級(jí)井點(diǎn)開始運(yùn)行一段時(shí)間后，深坑周邊的地下水浸潤線會(huì)逐步下降，從而防止流沙現(xiàn)象的出現(xiàn)。5.2.2快硬型砼逐步護(hù)坡 （1）施工方法：對(duì)深坑深度不大，一般坑底在地下降水浸潤線下1.0m以內(nèi)時(shí)，可采用此方法。當(dāng)深坑在開挖過程中出現(xiàn)流沙時(shí)，

17、立即停止大面積開挖。而是沿著深坑邊坡分批逐段開挖深槽，槽深在200 mm 250mm左右、寬300 mm左右，一邊開挖一邊回填快硬型砼，待沿深坑一周挖完并填好砼以后，再挖出坑中的第一批土，并用快硬型砼修正第一段邊坡；在第一段邊坡修正完以后，并在護(hù)坡砼達(dá)到一定強(qiáng)度以后，即可開始進(jìn)行第二批邊坡深槽的開挖和修坡工作。依次類推逐批開挖至坑底。在開挖過程中坑底應(yīng)先采用集水井明排水。當(dāng)坑底開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后可在坑底內(nèi)填一層100mm左右的細(xì)石墊層，然后停止集水井明排水，使坑中積水與地下降水浸潤線平衡，然后采用水下澆筑砼的方法澆筑坑底砼墊層，坑底墊層砼中應(yīng)摻入必要的外加劑。也可以采用如圖4所示的方法設(shè)置集水井

18、持續(xù)排水至深基礎(chǔ)砼具有一定的強(qiáng)度。 （2） 快硬型砼逐步護(hù)坡的施工要點(diǎn)：a） 對(duì)坑中積土的開挖要快，挖土?xí)r集水坑排水不能停止。b） 可用水下砼澆筑法澆坑底墊層的砼，要保持坑中水位與地下浸潤線平衡。c） 當(dāng)采用帶反濾的集水井排水時(shí)，應(yīng)將集水井排水泵管用硬管接到基坑外，持續(xù)排水至坑內(nèi)基礎(chǔ)砼強(qiáng)度超過設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%以上。5.2.3深坑砼與大底板砼分開澆筑 對(duì)于采用突擊開挖的深坑，一般不宜曝露時(shí)間過長，為了盡快地澆筑深坑部位的砼，可以將深坑部位的砼與大底板砼分開澆筑，施工縫的部位一般設(shè)在大基坑降水浸潤線以上，并設(shè)有必要的防滲止水帶。6、結(jié)語6.1在深基坑施工中，特別是在采用放坡大開挖方式施工時(shí)，流沙、管涌現(xiàn)象極易出現(xiàn)。所以在擬定施工方案時(shí)，要充分周密地設(shè)計(jì)好基坑降水和排水方案。有些地方土層比較復(fù)雜，在地質(zhì)報(bào)告中不一定能反映出整個(gè)降水影響區(qū)域的土體滲透系數(shù)，導(dǎo)致基坑涌水量計(jì)算與實(shí)