对深基础施工中出现流沙管涌现象的防治方法

对深基础施工中出现流沙、管涌现象的防治方法

南通市建工集团股份有限公司朱万连

内容提要：本文通过对深基础施工中出现流沙、管涌的成因分析，提出了较有实用性的预防流沙、管涌的方法和应急措施。

关键词：流沙、管涌、深基础、承压含水土层、不透水土层

1、前言

在深基础施工中，对基坑的降水要求通常是基础施工方案中的一个重要部分，对一般工程而言，采取必要的人工降水（如轻型井点降水、深井降水）或抗渗围护等措施均能满足施工要求。但是当遇到地下水文、地质情况较为复杂时（如各土层之间的渗透系数差值过大、土层夹有渗透系数很大的粉砂层、地下存在不透水土层和承压含水土层以及基坑附近有人工水管漏水等）会给施工带来很大的不利。笔者在进行通医附院门急诊大楼的基础施工时，就因地下承压水造成管涌而拖延工期一个多月。因此在深基础施工时，对基坑降水和预防流沙、管涌的措施应特别重视。本文根据多个工程的施工经验与教训，收集了一些有关资料，就深基础施工时出现流沙、管涌现象的防治方法作一粗浅的总结。

2、出现流沙、管涌现象的工程实例

2.1工程实例一：常州勤德家园高层住宅工程地下室基坑开挖深度5.5 m，局部电梯井的部位基坑开挖7.5m，正常地下水位深1.5m。方案采用一级轻型井点做人工降水，放坡大开挖，电梯井部位的深坑周围采用二级井点降水。在大面积开挖时，坑中土体干燥。当电梯井部位深坑挖到7.5m时，土中未见渗水现象。由于设计变更，电梯井坑加工深至8.1m，在补下深坑周围二级井点时，突然出现地下压力水经二级井点立管的砂井上泛，很快即形成管涌。在64m2的深坑中，共有6个管涌点，总流量可达到20m3/h。承压水头的标高超过了地下室底板的底标高，造成地下室按常规情况无法施工。

2.2工程实例二：上海某住宅楼工程，地下室基坑开挖深度 4.5m，局部电梯井基坑开挖深 7.5m，基坑采用二级井点降水，在电梯井深坑开挖时，坑底土基本干燥，但在边坡上的粉土夹层中出现土层流沙造成塌方。

2.3工程实例三：南通某住宅楼，地下室基坑采用深层搅拌桩作抗渗围护，坑内采用轻型井点降水。局部柱基承台开挖深坑，最大深度9m。在其中最深一个柱基承台开挖时，沿工程桩的周围出现多个管涌点，管涌最大流量达到15m3/h，致使坑中积水造成深坑淹没塌方。

3、流沙、管涌成因的分析

3.1流沙的成因

土体在受水浸泡饱和时，土粒中亲水胶体颗粒吸水膨胀使土粒的密度减小，当在动水压力的作用下，动水压力超过土粒的重力时，土粒产生悬浮流动，即形成流沙。动水压力是产生流沙的一个重要因素。产生流沙的临界条件为：

I=（ρ-1）（1-n）

I—临界水力坡度

ρ—土粒密度

n—土的孔隙率

在基础施工中易形成流沙的情况一般有如下几种：

（1）坑内采用明排水，坑外地下水位高于坑内抽水水位，地边坡上的地下水渗出点部位易出现流沙。

（2）基坑开挖深度超过降水设施的有效降水深度，坑底易出现流沙。

（3）基坑降水效果不佳，在土中含水率大于30%或孔隙率大于43%时，在有效降水浸润线以下易出现流沙。

（4）土层中有厚度大于250mm的粉砂夹层，粉砂层的渗透系数远大于其它土层，地下水从粉砂夹层中横向流出。

（5）深坑附近的人工地下水管渗漏，影响基坑降水的预期效果。

3.2管涌的成因

当深基坑距离河塘较近或基坑底下土层中存在承压含水层时，在水位差的作用下，基坑土体中存在渗透水流，由于土体的不均匀性，土体中某一部位的土颗粒在渗透水流的作用下发生运动，使填充在土体骨架空隙中的细颗粒被渗水带走而形成涌水通道，即形成管涌（又称翻沙鼓水、泡泉）。当主渗漏涌水通道上的细颗粒被基本带走后，在较强的水流冲刷下主通道两侧的细颗粒进入涌水主通道，使涌水主通道逐渐变宽，管涌持续时间越长，通道的宽度越宽，继而发生大量涌水和塌方事故。

管涌的发生是一个水与土体相互作用的复杂的力学过程，管涌的发生与地层中地的组成成分、结构、土的级配、水力梯度、管涌发生口表面覆盖粘土层的强度、厚度、饱和度、固结度、浸泡时间等因素有关。

地下承压水一般处于不透水层以下，而有的地区不透水层很薄，如南通市的城中地区不透水层的厚度约为0.6~1m左右，而且在地质勘探报告中很容易被忽视，在基础施工

中由于承压水而形成管涌的形式有：（1）局部挖深穿过不透水层或基坑底不透水层的自重压力小于承压水头压力形成管涌；（2）井点立管的砂井穿过不透水层形成管涌；（3）桩基穿过不透水层且周围的土体松动形成管涌。（4）基坑与河塘距离太近，渗流水力梯度大于土体渗流稳定的临界水力梯度而形成管涌。

一旦形成管涌之后，管涌的泛水点迅速由小变大而使基础积水、泛砂而无法施工。当遇到这种情况时应立即采取有效措施，确保基础的顺利施工。

4、对流沙、管涌的预防措施

4.1施工方案的设计与论证

（1）为保证深基础施工时基坑不积水，在深基础施工之前，首先应根据地质钻探资料和工程实际情况，设计深基础施工的降水方案。通常采用的基坑降水方法有人工降水、抗渗围护等，无论采用什么方案，方案中应对坑中待挖土中的地下水位变化情况进行必要的验算，使降水措施满足地下水位浸润线低于开挖底标高以下500mm的施工条件。

（2）凡在深基坑开挖施工中，如发现有地下承压水，应事先探明承压水头、不透水层的标高和厚度，并对坑底土体进行抗浮托能力验算。

（3）对工程所在地的类似深基础施工情况进行必要的调研，吸取其它工程在深基础施工中的经验与教训。

4.2深基础施工实施过程的措施

4.2.1预防和处理流沙、管涌的原则是“减少或平衡动水压力”。如根据监测和验算，基坑降水或坑底土抗浮达不到施工要求，应采取相应的措施使其达到施工要求。

4.2.2预防流沙、管涌的基本方法

（1）一般预防措施：a）井点施工时，井点立管的砂井成孔应完整，砂石填充高度应高于正常地下水位并要填充密实。b）采用基坑人工降水时，在开挖之前，应在基坑范围内设置地下水位观测井，监测人工降水的效果；c）当发现有承压水和不透水层以后，在采用轻型井点降水时，井点立管不应穿过不透水层；d）对于穿过不透水层的桩基，如果土方开挖标高低于承压水头标高，则有必要对桩周围进行注浆加固，以避免承压水沿桩周边上泛形成管涌。

（2）井点降水法：a）当出现流沙时，应立即停止开挖，并回填深坑将流沙埋没，或在深坑中注水，以平衡渗流的动水压力。然后在深坑周围立即补下二级（或三级）井点，待二级（三级）井点降水使地下水浸润线低于开挖范围以下500mm后，再继续开挖