西宁地区深基坑降排水工程降水及锚杆支护措施

西宁地区深基坑降排水工程降水及锚杆支护措施

西宁位于甘肃省东部。古城位于芦水河谷平原。河谷岸坡的底部和第四系谷距老泥岩、石膏、芒硝等盐岩的底部。强风化层中的盐岩不仅广泛，而且芒硝在水中溶解后容易溶解。湟水低阶地多为内迭式阶地,其内卵石层潜水与河水水力联系密切。近年来河边低阶地高层建(构)筑物不断增多,其深基坑开挖及降排水工程引发河水向基坑渗流,致基坑坍塌,地基土力学性质下降,基坑涌水等工程现象也逐渐增多。1工棚墙表土地层西宁市在湟水沿岸的工程建设中发生如上工程危害因素较普遍,笔者所经历的工程项目:如沿岸海晏路国贸大厦、省康乐医院、祁连路的汇通锦绣江南小区、汇通商务酒店等在基坑开挖施工中不同程度均发生过类似的基坑破坏现象,这些建筑物的特点是离河边近,地下水埋藏浅而丰富,基坑开挖较深,建筑物持力层为古近系的泥岩风化层,绝大部分地层中分布有石膏、芒硝等盐岩地层,地层中普遍硫酸根离子含量和含盐量较高,经概略统计,风化泥岩层中SO42=4707～19769mg/kg,平均含盐量为0.76%～3.46%,均大于0.5%,一般为2.0%～4.0%,以中-强硫酸盐渍及亚硫酸盐渍岩土为主,盐胀性和腐蚀性为主要工程特性。就众多工程实例而言,笔者认为在2009年5月份开工建设的位于西宁市互助路的泰阳国际商贸中心小区基坑开挖范围大,深度深,最大深度为12.5m,占地面积为280×60m2,距离湟水河河水面只有25.0m,基坑在进行了一定的锚杆支护后进行基坑挖土,高层部分靠近河岸边,就在施工开挖到-9.0m时,基坑靠近湟水岸一侧发生了较大的基坑渗漏充水,河水沿河床卵石空隙下渗流入泥岩强风化层中的盐岩溶隙中,在淋滤冲蚀作用下,使得盐岩加剧溶解,形成了大小二处导水通道,不久在基坑顶地面和工人生活的工棚墙体均产生了裂缝,这种发生地表河水倒灌基坑的现象在西宁实属罕见,也是较典型的工程实例之一,该工程地基土主要由古近系湖相沉积的含盐硝、石膏盐岩地层组成,其上覆盖了具二元结构的第四纪冲洪积松散堆积地层,自上而下岩性特征为:(1)杂填土:杂色,稍湿-湿,以粉土为主,含大量建筑垃圾、卵石,土质不均,结构松散,层厚为0.40～2.80m。(2)层粉土(Q44ml):杂色,稍湿-湿,成份以粉粒为主,含云母片、氧化铁、小砾石,摇振反应中等,无光泽,干强度及韧性低,稍密-密实,厚度为0.20～2.10m。(3)卵石(Q42al+pl):杂色,稍湿-湿,岩石成份以砂板岩、片麻岩为主,磨圆度亚圆,颗粒大于20mm质量占总质量的51.3%～59.8%,分选性好,颗粒连续排列,回转钻进困难,层厚为2.10～4.80m,松散-中密。(4)-1层第三纪泥岩强风化(N):棕灰色-青灰色,稍湿-湿,坚硬-可塑,组织结构大部分被破坏,岩体破碎,风化裂隙发育,夹有石膏、芒硝夹层,和泥岩沉积韵律分布,岩芯分布有蜂窝状、鸡窝状、溶蚀现象和溶穴。厚度为4.40～7.70m,工程性质类似于一般粘性土。(4)第三纪泥岩中风化(N):棕红-青灰色,夹有棕灰色,干,质地坚硬,层间分布含白色透明芒硝晶体夹层和碎石膏层,厚度大小不定,组织结构部分破坏,岩体呈块状,短柱状结构,较完整,极软岩,岩体基本质量等级为Ⅴ级,岩面新鲜,岩芯钻进困难,累计揭露厚度为1.70～16.70m。(5)第三纪泥岩微风化(N):棕红色-棕色、灰色,干,坚硬,组织结构未变,岩芯完整,在节理和裂隙面具红色铁染或稍有变色,层间分布少量石膏透镜体,岩芯呈棱状、块状或厚层状,层理明显,干钻非常困难,冲水后钻进缓慢,本层厚度较大,未揭穿,揭露厚度为1.30～9.80m。工程项目主要由四幢28-31层高层住宅楼和相接于北侧五层商业用房组成,基础埋深为-9.5米,地貌位置处于一级阶地上,基坑开挖之前进行了管井降水,经观测水位下降到预定设计标高后进行基坑开挖,逆作法施工进行锚杆支护,直止基坑开挖到-7.5m时,基坑边坡泥岩强风化带具渗水现象,高层部分基坑开挖到9.5m,由于地层中分布有较厚的层状、透镜状芒硝、石膏岩盐体,经剥离后基坑不得不挖到-12.5m深度下的泥岩中风化,中风化泥岩层理清晰,层间裂隙呈闭合,层理间和部分裂隙中被石膏和芒硝等易溶硫酸盐岩脉体充填,有些裂隙中盐类被溶滤,形成蜂窝状、鸡窝状溶穴和溶隙,形成了地下水赋存和运移的空间,就在施工西侧1#住宅楼基础时,发现在距东侧基坑壁往西25.0m处的南侧坑壁上,基坑开挖深度为-10.7m,由于芒硝盐岩脉体溶解,使层间裂隙贯通,随着河水向基坑中的涌水量增大而河水动能增加,易溶盐溶解加快,溶蚀加剧,使得形成了河水补给基坑的倒灌型过水通道的主要因素。经验槽和专家论证处理方案认为应在河的内侧抛土袋进行封堵,经封堵后河水向基坑补给有所减少,但在过水通道上面地面和施工方办公工棚房墙体处产生塌陷和裂隙,裂缝未延伸到基坑边上,情况十分危急,经和施工方协商,对基坑南侧河边继续进行封堵,并形成了一道环形的挡水墙,同时对基坑边进行灌浆处理,限制边坡顶上禁止行车,运载重物和堆放弃土,经观测裂缝无发展扩大的迹象而趋于稳定。所幸的是此过水通道在以后观测中没有发展。1.2集水坑偏渗流致基坑区域改造,为控制风由于基坑中经明排降水,基坑中地下水溶滤作用加剧,石膏、芒硝、氯盐岩体被溶解流失,经集水坑抽水排入南侧河中,显然对一些含水岩体和强风化裂隙起疏通作用,使呈管道状、裂隙状、树枝状、网格状、不规则蜂窝状水体在开放环境和吸抽作用后形成集中迳流的特点,使补给通道流畅化、开放发育化,河水沿裂隙补给更有利,基坑环境恶化。1.4地下水溢出点的确定由于泥岩强风化层中蒙脱石、高岭石和伊利石等粘土矿物含量较高,又有风化裂隙发育和地下水活动,基坑开挖和施工时地基极易浸水,使地基软化而承载力显著下降,解决办法采用轻便触探和刻块法取Ⅰ级岩样进行现场检验,只要对力学性差的极软层和锤击数较低部分软化层清除后,基础选择力学性好而承载力较高的坚硬持力层,则可达到预想的设计要求。由于含石膏、芒硝结晶体地层层理、节理,风化裂隙密集分布,太阳商贸城工程场地基坑底面局部在揭露到设计标高时,由于基坑局部分布芒硝盐岩体,经长期地下水溶滤、溶解和沟边及底部发育裂隙和节理,几天后在基坑以东4#基坑中出现了2～3处地下水溢出点,被施工方怀疑产生了管涌,随后淹没了部分基坑底面,地基部分被浸泡在水中,经对基坑中排水明沟观察,明沟沿线裂隙发育带中石膏、芒硝被水溶解,地基土中白色盐霜析出聚集的地方渗水较多,湿而泥泞,由此而分析认为:基坑中的出水点是由明沟中的水渗入地基而产生,另外由于石膏、芒硝、氯盐分布密集,裂隙发育带渗水所致,必须对明沟进行水泥砂浆砌筑和喷浆面层处理,对地下水溢出部位直接用聚乙稀管导排于抽水坑中,不让沿线沟中水下渗,并对基坑中浸泡软化部分和易溶的芒硝夹层应彻底清除,保持基坑底面干燥,此次处理后,基坑中地下水溢出部位停止了向外渗水。此后经进行载荷试验验证,载荷试验结果满足设计要求(见表1)。2基于河岸保护方法的选择和基本处理措施2.1灌注桩加固挡土截水墙(1)鉴于以上问题,对河边深基坑开挖工程,为防止易溶盐岩溶解和裂隙发育引起河流倒灌致基坑破坏,在基坑开挖之前应首先考虑降低地下水和选择支护方案,在实施降水过程中,当降水降到基底设计标高下一定深度后,根据观测资料基坑中和周边经干扰井抽水后总降落漏斗边界已不在影响施工场地,并在一定的观测延续时间内基坑内水位始终保持于基底下一定的设计深度不变,说明降水目的已达到,可进行支护方案选择,由于场地南侧为湟水河,卵石和古近系强风化岩属于透水层,锚杆支护只能挡土而不能挡水,反之锚杆钻孔起到一种疏通溶隙使孔隙更加增大通畅而加剧透水,因此,为了阻隔河水补给基坑和基坑侧壁的稳定性而选择一种即能挡土又能隔水的支护体系是必要的。显然截水帷幕支护体系是最好的一种支护结构,所谓截水帷幕就是用于阻截或减少基坑周围及底部地下水渗入基坑而采用的连续止水体,截水帷幕的施工可采用机械成孔灌注桩一字或间断式搭接交叉成孔,灌注桩相互搭接组成既能挡土又能截水的墙,为节省工程造价,也可采用深层搅拌或旋喷及其他方法加固土体成一地下重力式挡土截水墙,用此方法可加固土体或风化裂隙发育的粘土岩,施工时应使连续墙插入坑底一定深度,截水帷幕施工结束后应继续观测基坑内止水效果,如基坑基底的设计水位保持稳定,或抽降水时易疏干,则加固效果已达到设计效果,即达到阻断河水补给的效果,同样也达到了对基坑支护、防渗、抗滑、护岸要求,开挖施工时可进行逆作法施工。可见单方面的锚杆(索)支护对河流补给基坑地下水不能完全起挡(止)水作用。(2)对于含盐泥岩风化层持力层选择尽可能采用岩土工程勘察报告中所建议持力层,认真分析风化层的风化强弱和裂隙发育程度,了解裂隙的闭合性和张开度,延展情况,可溶盐的充填情况,分布厚度溶蚀孔穴的充水性、岩石的破碎程度和岩石质量标准,准确划分风化层的分带边界和过渡带的厚度,这样基坑开挖时可预见清除可溶盐发育部位和裂隙发育带被地下水浸泡的极软层范围,从而可优化的选择较可靠和坚硬岩层作为建筑物和支挡结构嵌固的持力层。(1)含石膏、芒硝易溶岩盐体的强腐蚀介质环境对结构混凝土的基本要求为在含有石膏、芒硝这种易溶盐体的场地中,绝大部分介质环境处于对混凝土结构具强腐蚀等级环境,根据《工业建筑防腐蚀设计规范GB50046-2008》,基础材料应选择的混凝土强度等级不应低于C4O,最小水泥用量340kg/m3,水灰比不能超过0.40,氯离子含量最大不超过0.08。混凝土最小保护层厚度为50mm,地下室外墙及底板混凝土最小保护层厚度为50mm。(2)对于荷载大的高层建筑,硫酸盐强腐蚀环境下的含易溶盐泥岩岩应采用防腐蚀材料垫层回填处理,一般选用二氧化硅含量高的毛石加抗硫酸盐水泥进行砌筑处理,花岗岩、闪长岩、石英岩等岩石属较好耐腐蚀材料,经处理后箱形或筏式基础可坐落于砌筑的垫层上。对于多层和单层建筑可采用天然级配砂石进行压实回填一定的厚度处理作为变形缓冲层,也可选用二氧化硅含量高建筑材料的岩石进行基础衬砌,这样不但能起到防止腐蚀作用,而且对岩层的盐胀性具有消除作用。还可有效改善地基的承载力。(3)对于硫酸盐渍土很厚,多层建筑基础施工时也无需全部挖除,只要对有效盐胀深度内的盐渍土挖除即可,采用相对含盐量低的素土进行换土处理,一般当盐渍土地基中的硫酸钠含量不超过1%,均可作为换填的土料,其盐胀性可以不考虑,根据研究资料,一般盐胀有效深度不大于1.5m,盐胀力一般小于100KPa。(4)在地下水位较深情况下,当替换土层较厚时,则可采用挖孔桩或砂石墩进行处理,此施工方法简单,不怕盐的腐蚀。3商贸中心工程概况西宁市湟水河谷内迭式低阶地卵石层潜水与河水水力联系密切,互相转换频繁。阶地下伏古近系石膏、芒硝等盐岩与泥岩呈互(夹)层状或作裂隙脉状分布于泥岩之中,顶部强风化泥岩层中的盐岩溶隙比较发育,并夹有易溶的芒硝层。近河段泰阳国际商贸中心建(构)筑物深基坑工程虽对下部第四系松散层进行了喷锚支护,但其管井降水、基坑排水工程则引发了迎河面卵石层潜水—河水通过强风化泥岩层中的盐溶溶隙和对芒硝的溶解,向坑内渗流、潜蚀,形成迳流通道,致使地基浸水承载力降低和基坑壁外侧地面产生塌陷、裂缝。在采取对基坑侧河水封堵和基坑边灌浆处理等措施后,河水向基坑的渗流消失,保证了基坑的安全施工。该商贸中心工程位于互助路西宁小商品批发市场对面,北临互助路东侧二-三层民宅,西侧为五-六层居民楼,南临湟水河,相距河边只有25.0m左右,场地地下水位埋深于地面下3.10～5.40m,地下水位标高为2204.55～2205.92m,当时河水水位标高为2203.59～2204.28m,含水层厚度为1.10～2.40m,在基坑开挖时因降水降水到13.0m左右时,河水和基坑中地下水形成巨大的水头差,引起泥岩中芒硝、石膏、盐岩地层溶解后而发生了河水倒灌于基坑,使基坑边坡失稳产生裂缝等事故。理由为由于形成了巨大的水头差,坑底和基坑边坡古近系地层强风化带中的裂缝溶隙、节理发育,且这些部位土体重度远远小于基坑内外水头差,引起水的渗透力增大,促进河水渗流破坏基坑侧壁使建筑地基浸水的主要原因。1.1地下水渗流推动下泥岩强风化地层本身的特征和风化强烈程度使得加速易溶盐岩脉体溶蚀和溶滤是形成河水倒灌的原因,经过对基坑中坑壁、基坑底面和锚杆支护结构观测,其一,卵石中基本无地下水渗出,坑壁土质较干燥,喷锚支护后面层上无地下水渗出,在水平和深度方向上坑壁和基底面干燥或稍具潮湿。其二,锚杆支护只对卵石和卵石以上黄土状土进行了重点支护,对其下泥岩强风化着重进行了混凝土喷浆面层处理,锚杆分布稀疏而间隔大,甚至未支护,经分析河水经过河床面卵石渗透,由于卵石经过锚杆支护和喷锚注浆后已基本形成了一道隔水墙,起到了有效的隔水效果,其下泥岩强风化层,在风化裂隙和层间裂隙极发育部位分布有石膏、芒硝和氯盐等易溶盐岩脉体,特别在强风化层和中风化地层界面上裂隙发育强烈,易溶盐在