强风化红砂岩特殊地层深基坑工程地下水综合处理

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强风化红砂岩特殊地层深基坑工程地下水综合处理

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（轨道交通工程信息化国家重点实验室，中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043）

以兰州市城市轨道交通1号线一期工程第三系红砂岩特殊地层中深基坑工程地下水处理为例，针对兰州地区红砂岩遇水易软化、崩解、流塑性强、暴露地表易风化等特性，首次提出了“上降下截”的地下水处理设计方案，总结深基坑开挖不同阶段遇到的水文地质问题，形成了在强风化红砂岩特殊地层中“拦、截、堵、排、降”的综合处理措施，以期指引类似地层的设计和施工。

强风化红砂岩；软化崩解；上降下截；砂岩裂隙；深基坑；地下水综合处理

城市轨道交通深基坑工程中地下水处理是一个非常复杂的课题，学术领域涵盖水力学，技术上指导围护体系选择，工程方面涉及施工风险安全，经济上影响工程投资控制。因此城市轨道交通深基坑地下水采用何种处理措施，对城市轨道交通的设计、施工、安全、质量、进度和投资都至关重要。特别是对第一次修建城市轨道交通的兰州市，1号线一期工程基坑深度为17～30 m，尚属首例，加之地勘揭示的兰州老城区段（西关什字—五里铺区段）位于成岩作用极差的强风化红砂岩特殊地层，对施工安全和工程质量具有极大的挑战。

笔者以兰州市城市轨道交通1号线一期工程第三系红砂岩特殊地层中深基坑工程地下水处理为例，针对兰州地区红砂岩风化强烈，铁泥质胶结，遇水易软化、崩解，流塑性强，暴露地表易风化等特性，开展了“兰州城市轨道交通车站深基坑工程地下水处理措施研究”攻关工作，首次提出了“上降下截”的地下水工程设计方案，总结深基坑开挖不同阶段遇到的水文地质问题，采取了在强风化红砂岩特殊地层中“拦、截、堵、排、降”的综合处理措施。形成适合兰州地区强风化砂岩层地下水处理的设计和施工综合技术，不仅为工程建设提供重要技术支持，保证工程的顺利建设，而且对促进兰州地区深基坑设计、施工及地下工程学科的发展，具有积极的推动作用[1-3]。

1 工程概况

1.1 兰州城市轨道交通概述

根据2015年兰州市政府批复的城市轨道交通线网规划修编方案，兰州市城市轨道交通共由5条线路组成，其中1、2、3号线为市区线网，4、5号线为市域快轨线，线网总长约228 km。

兰州市城市轨道交通1号线西起西固区石岗北侧环行西路，东至东岗，途经原石化厂区、陈官营、崔家大滩、迎门滩、马滩、西客站、西关什字、东方红广场、东岗镇，线路全长约34 km，共设24座车站。

根据国务院批复的2011—2020年建设规划，1号线分两期建设。一期工程为陈官营¾东岗段，线路全长25.972 km；二期工程为石岗¾陈官营段，线路全长约8.0 km，1号线线路走向详见图1。

图1 兰州轨道交通1号线走向

1号线一期工程（陈官营—东岗段）全长约26.0 km，均布设于主城区内，全线均为地下线，共设置20座车站，换乘站5座。20个车站均采用明挖法施工，车站主体围护结构多采用混凝土灌注排桩或地下连续墙+内支撑支护形式[4-7]。

1.2 工程及水文地质

依据1号线一期工程沿线地貌特征、地层结构、地质构造和地下水的埋藏情况和赋存状态等工程地质条件，兰州轨道交通1号线一期工程沿线共分为以下五大工程地质分区，详见图2。

图2 兰州轨道交通1号线一期工程沿线地质分区

其中强风化砂岩地层主要集中在第四区段，主要涵盖5座车站，分别为西关什字站、省政府站、东方红广场站、盘旋路站和五里铺站。5座车站概况汇总详见表1。

表1 砂岩地层车站概况汇总

根据地质详勘资料揭示，本区段车站所处位置地形地貌、地层岩性以及水文地质各具特点。

1.2.1 地形地貌

本区段地貌单元属黄河一级阶地，地理位置主要位于兰州城关老城区，站位周边主要为密集的商业、办公和居住区，多高层或多层建筑，且管线分布较多。地势低缓平坦，西高东低，南北高中间低，局部地形有起伏，地面高程平均1 514～1 518 m。

1.2.2 地层岩性

工程场区揭露的地层主要为第四系全新统人工填土（Q4ml）、冲积（Q4al）黄土状土、卵石及第三系古始新统（E1-2）砂岩组成。本区段车站基坑穿越的主要地层为2-10卵石层及4-2强风化砂岩层。

强风化砂岩层厚度大，对工程有较大影响，多为细粒结构，层状构造，岩芯破碎，多呈3～8 cm短柱状，铁质、泥质胶结。成岩作用差，手可捏碎，遇水变成砂，暴露地表极易风化，经扰动后强度极低。

1.2.3 水文地质

根据本区段详堪勘察结果，该场地所揭露的地下水为第四系松散层孔隙潜水，含水层主要为第四系冲积卵石。地下水潜水位埋深3.5～6.0 m，潜水含水层（卵石层）厚度为5～10 m，卵石下的砂岩为相对隔水层，砂岩顶部可能存在局部裂隙水。卵石层渗透系数为25～50 m/d，强风化砂岩层渗透系数为5～10 m/d。选取本区段代表性车站西关什字站地质详堪纵剖面图如图3所示。

图3 西关什字站地质纵剖面

2 红砂岩层地下水处理难点分析

轨道交通深基坑工程中地下水的处理有多种可行的方法，从处理方式来说可总分为止水法和降水法两大类。止水法，即通过有效手段在基坑周围形成止水帷幕，将地下水止于基坑之外，如咬合桩法、灌浆法、地下连续墙等；排水法是将基坑范围内地表水与地下水排除，如明沟排水、井点降水等。止水法相对来说成本较高，施工难度较大；井点降水施工简便、操作技术易于掌握，是一种行之有效的地下水方法，已广泛得到应用。

红砂岩层作为相对隔水层，强风化砂岩层细颗粒主要位于0.075～0.250 mm，多为细砂岩，砂岩层顶部的卵石层作为主要含水层，对砂岩层地下水有较快的补给，而且砂岩顶部存在局部裂隙，卵石层地下水沿着裂隙进入砂岩层较深位置，若单一采用止水法或降水法对砂岩地层地下水处理，存在以下难点：

1）当采用基坑外降水时，首先施工降水必然引起地表和基坑周边建构筑物一定的沉降，降水引起的沉降包含排水引起的附加沉降和抽水出砂量超标造成地层细颗粒流失。特别是对红砂岩地层，因其颗粒较细，一旦在降水过程中细颗粒过多流失，势必出现地下空洞造成安全隐患；其次是在红砂岩层降水，因施工降水井过程中对地层进行了扰动，砂岩层经扰动后迅速成散沙状，加之地下水的作用，快速形成泥糊状，在降水井滤网外侧形成包裹层，阻塞滤网网眼，影响降水井出水量，达不到降水井预期效果，这也是在红砂岩地层中普遍存在的难点问题。

2）当采用基坑围护止水时，首先是在强风化砂岩层施工相应的围护结构极易形成塌孔或沉渣厚度大，常出现桩、墙间渗漏水现象，因此在砂岩层选用合适的泥浆防止塌孔或结合地层特性进行工艺性试桩尤为重要，特别是泥浆的比重、黏度、含砂率、胶体率和pH值等参数与一般地层有较大差异，需要进行试验多次确定；其次是在基坑开挖过程中，强风化砂岩一旦暴露，会快速风化，失去自稳能力，地下水带着砂岩层细颗粒流入基坑内，桩间出现涌水、涌砂、漏砂现象，导致围护结构背后土体被掏空，从而形成重大安全隐患，在轨道交通设计之初，对沿线红砂岩地层中的民建基坑进行了多次调研，围护结构涌水、涌砂治理为红砂岩地层深基坑的一个难点。红砂岩地层深基坑涌砂详见图4[8-10]。

图4 红砂岩地层深基坑侧壁涌砂

3 强风化砂岩特性影响分析

强风化砂岩出现的主要工程地质问题是受水、力作用岩体内部微观结构改变而导致的变形。红砂岩地层含水率对其物理特性影响较大，通过对岩样分段含水率下平均天然密度和单轴抗压强度试验结果分析显示，随着含水率的增大，天然密度呈下降趋势，相应的单轴抗压强度也呈降低趋势。当含水率大于10%以后，单轴抗压强度基本保持在0～1 MPa，详见图5。

当红砂岩层含水率较低时，砂岩颗粒间的黏土矿物包裹体存在黏聚力，使砂岩结构较稳定，抗压强度较大。当含水率增大时，颗粒间的黏土矿物包裹体发生溶蚀，颗粒间的黏聚力逐渐消失，导致砂岩承载能力迅速降低，以致发生塑变并最终发生流变。兰州地区砂岩和泥岩呈互层分布，泥岩黏粒含量较高，在含水率较小情况下，泥岩单轴抗压强度较砂岩高2～5 MPa，当含水率大于10%时，两种岩石单轴抗压强度差别不大，都保持在0～1 MPa，详见图6。

图5 砂岩天然密度和抗压强度随含水率变化曲线

图6 砂岩、泥岩含水率与单轴抗压强度曲线对比

通过实验分析，主要原因是含水率逐渐增大以后，泥质胶结成分软化而导致砂岩和泥岩都基本丧失抗压强度。而且，泥岩中以高岭石、伊利石、蒙脱石等为主的黏土矿物具有很强的亲水性，在受水作用后，这些黏土矿物的吸附水膜会随着含水率的增大而不断增厚，使岩石颗粒出现膨胀，伴随着胶结物的不断稀释、溶解，最后导致岩石软化。因此黏粒含量的多少对于砂岩在低含水率下抗压特性具有关键影响作用，但在含水率不断增大的情况下黏粒含量高可能会进一步加剧砂岩软化流变。砂岩孔隙比能反映岩体密实程度，一般强风化带砂岩的孔隙比大于弱风化带砂岩，岩体孔隙比较大时，渗透系数增大，岩体受孔隙水压力作用下易出现力学性质弱化。图7反映了兰州地区砂岩在不同吸水率下的极限抗压强度变化。吸水率越大，极限抗压强度越低，同一吸水率下饱和岩样极限抗压强度低于干燥岩样。

综上所述，含水率的大小对砂岩物理、力学特性有较大影响，随着含水率的增大，砂岩天然密度呈下降趋势，相应的单轴抗压强度也逐渐降低。砂岩受水作用后，其内部颗粒间及颗粒表层黏土矿物出现溶蚀，使颗粒间的黏聚力逐渐消失，导致砂岩承载能力迅速降低，以致出现塑变并最终发生流变。

图7 砂岩吸水率与极限抗压强度关系曲线

4 强风化砂岩层地下水处理措施

鉴于强风化红砂岩特殊地层地下水采用单一处理方法存在较多问题和难度，结合砂岩受水作用后其内部颗粒间及颗粒表层黏土矿物出现溶蚀，使颗粒间的黏聚力逐渐消失，导致砂岩承载能力迅速降低，出现塑变并最终发生流变的特性，首次提出了对红砂岩上部富水砂卵石地层进行坑外井点降水，对红砂岩地层进行咬合桩或地下连续墙止水的“上降下截”的工程设计方案。

结合砂岩特性，在设计和施工过程中对红砂岩地层地下水处理原则如下：

1）减少地下水对砂岩的影响，对富水段采用超前降水措施将围岩含水率控制在5%左右，确保围岩具备相对较好稳定性；

2）加强红砂岩层止水帷幕效果，降低围护结构侧壁出现涌砂、涌水现象，避免因红砂岩流失导致围护结构背后形成空洞，降低基坑风险；

3）施工过程中，针对强风化红砂岩特殊地层的渗、漏水风险应采用“拦、截、堵、排、降”的综合处理措施，力求在实施过程中对周边综合影响降到最低。

4.1 红砂岩层上部富水卵石层降水影响分析

深基坑降水引起周围环境的地面沉降一直是工程界关心的问题。由于地铁基坑降水的复杂性远远大于一般的基坑降水工程，再加上城市轨道交通施工对地面沉降的控制标准更严。因此研究砂岩层上部富水卵石地层地铁基坑工程的降水问题，尤其是降水引起的沉降问题有很重要的现实意义。

基坑工程的降水过程，是地下水运动由非稳定状态发展到稳定状态的过程，其引起的降落曲线方程，可通过解析法或数值解法加以分析。解析法主要根据降水要求、场地水文地质条件、井类型等来选择适当的渗流解析公式，并据此进行降水工程的设计计算。解析解可以将描述地下水运动的各种物理量，例如水头（或降深）、水量及各种参数反映在一个表达式中，这样就可以利用数学分析的方法来研究各个量相互联系与相互制约的内在规律。因此，在可能的情况下，应尽量去求模型的解析解。显然，对于基坑降水引起地面沉降是三维流固耦合问题。

针对红砂岩地层上部富水卵石层降水，基于流固耦合理论，采用FLAC3D有限元建立整体模型，研究随着地下水位的降低地层应力场的变化，求解由于降水固结引起的砂卵石地层和砂岩地层的位移。在本构模型建立过程中考虑了地铁车站的围护结构、周边环境风险点等因素，降水井的模拟根据工程设计方案中的实际位置和情况进行模拟，降水均采用直径800 mm的无砂水泥管井进行降水，间距约为8～20 m左右。典型工点的整体计算模型和计算分析见图8、图9。

图8 砂岩地层典型工点的降水计算模型

图9 砂岩地层典型工点的降水分析

在整体计算过程中，首先对降水井的抽水效果进行了模拟，降水产生了比较满意的效果，在水井布置处产生了明显的降水漏斗。通过对最终计算结果的分析，发现伴随着抽降水的进行，产生的实际附加应力不仅会导致土体产生竖向沉降，还会引起土体的侧向变形。本次研究过程中的创新点是重点考虑了该附加应力在水平方向的分量。设计计算结论区别于规范算法，单独计算干土部分、疏干部分和饱和部分各自的沉降量，其中疏干部分和饱和土部分考虑土体的侧向变形分量，从而归纳出由降水引发的地面总沉降量为3块区域的土层产生的沉降量的总和。

在对降水引起的地标沉降进行设计计算和施工监测对比后发现，需要对兰州红砂岩地层条件下计算降水引起的地层沉降考虑经验折减，一般计算公式为：

其中： 为经验系数，通过大量数据研究，在兰州地区对于粉质黏土一般取0.1～0.2，砂层和卵石层一般取0.03～0.10。地铁车站降水引起的地表沉降在1～5 mm。同时，发现经验系数在数值模拟过程中难以体现，因此需要对程序分析的计算结果进行必要的调整[11-12]。

4.2 红砂岩层止水帷幕基坑内真空井点辅助降水

根据地勘报告，兰州红砂岩层理论为隔水层，但在土方开挖时，由于地铁车站基坑深度较深，达到17～30 m左右，且基坑较宽、跨度较大，施工过程中难免出现砂岩层裂隙水降深不彻底而造成开挖面软化、泥泞等现象，存在一定的安全和质量隐患。

通过施工中一系列试验发现，采用真空吸水型井点系统对处理红砂岩层止水帷幕基坑内地下水取得了较为理想的效果，一般在土方开挖至距基底2 m后第一次布置真空井点，第一次布置真空井点位置应尽可能在涌水量大的地方，平均每组积水管间距2～4 m，每组布置6个真空井点，每个井间距1～2 m，在涌水量大的地方加密布置，每组集水管按照“平行于围护结构”的原则布置（见图10）。

真空井点井深4.5 m，由于红砂岩有遇水软化的特性，采用高压水冲洗成井，用3 kW泥浆泵提供高压水，成井机具采用 300 mm钢管，一端加工成锥形，保证足够水压力能把软化红纱岩冲出井外。成井时应不断活动钢管保证井径尽量大于300 mm并提高成井速度。待井深达到要求深度后关掉泥浆泵并快速拔出钢管，及时将预制好的井管插入井内，整个过程要求速度比较快，防止流塑状红砂岩流进井内造成堵井。每成井6个及时安装集水管，每安装2组集水管后及时用真空泵抽水。

图10 砂岩地层基坑内真空井点布置

根据现场经验，待整个基坑全部布满真空井点后，根据现场抽水效果，决定最后一层土方开挖时间，抽水2～3 d后用挖机小面积试挖，保证基坑水面标高在基底以下后，方可进行最后一层土方开挖作业，最后一层土方开挖至关重要，直接影响地基承载力。由于基坑涌水量大，根据试验红砂岩层水位上涨时间在1～1.5 h，所以在开挖前应对基坑进行分区域，开挖时分区域开挖，分块原则“保证水位未上涨至基底时，区域内土方开挖完成”。一般在土方开挖机械准备就绪后，取掉第一次施工的井点积水管并及时进行土方开挖，开挖时应实时测量开挖标高防止超挖或欠挖，待开挖至基底标高后进行第二次真空井点施工，施工方法与第一次真空井点施工完全相同，待本区域内井点施工完成后方可进行下个区域土方开挖，直至整个基坑最后一层土方开挖完成。

4.3 红砂岩层止水桩间漏水处理

砂岩层中桩间漏水易引起流砂，进而引起周边地表及建筑物、管线沉降，围护结构变形失稳等问题，施工风险较大，通过施工总结，一般需要及时采取如下措施：

1）红砂岩层中出现轻微渗水时，及时挂网喷混，防止砂岩冲裂。

2）红砂岩层中出现小流量漏水时，若周边咬合桩咬合质量较好，先使用5 cm铁丝管设置引流，周围使用土工布及水不漏封堵，隔约6 h后将铁丝管直接封堵。

3）红砂岩层中出现较大流量漏水时，先使用2～3条5 cm铁丝管设置引流，漏水部位使用方木、钢筋及土工布结合填塞，钢筋桩外凿除钢筋或在素桩上植筋后焊接钢筋网，并结合水不漏将桩面封堵，直至水流量减小后再将铁丝管封堵。

4）砂岩层中出现大流量漏水时，若无砂岩流出，使用上述方法3处理；若伴随砂岩流出，直接使用反压土回填，待流砂稳定后使用上述措施3从上往下边挖土边人工封堵。

4.4 红砂岩层止水帷幕背后空洞处理

在围护结构施工完毕之后，砂岩层桩后由于漏水、涌砂形成的空洞无法通过人为观测直接发现，属于隐蔽体。空洞若得不到妥善处置将会对周围建筑物构成极大的威胁，严重者则会发生地基失稳、坍塌等现象。针对此情况，在主体工程施工之前对漏水涌砂部位进行地质雷达扫描，确定空腔位置及大小再打设注浆管，注单液浆封堵。

为更准确、直观地显示雷达测试结果，需对现场实测剖面进行一系列的室内计算机处理，首先对实测图像进行预处理，然后再进行一系列的数字化信号处理，经过数字信号处理后，可以有效地压制干扰信号的能量，提高雷达信号的信噪比，使雷达图像更易于识别地质信息，清晰地反映地质现象，从而提供更准确的解释结果。地质雷达现场勘测及桩后空洞典型反射剖面图见图11（a），（b）为现场操作图。

图11 雷达勘测及空洞典型反射剖面图和现场操作图

砂岩地层止水帷幕背后空洞一般注浆采用WSS方式进行，注浆的目的包括堵水和加固两方面，通过试验利用二重管钻机钻孔至预定深度后，采用一台同步注浆机注浆。浆液有两种，即A液和B液（或C液），两种浆液通过二重管端头的浆液混合器充分混合，注浆时采用电子监控手段实施定向、定量、定压注浆，使岩土层的空隙或孔隙间充满浆液并固化，以达到改变岩土层性状的目的。

5 结论

1）针对兰州地区红砂岩遇水易软化崩解、流塑性强、暴露地表易风化等特性，本文首次提出了“上降下截”的三位一体的地下水处理设计方案：第一位是止水帷幕结合坑外降水井将卵石层中含水降至砂岩面；第二位是在砂卵石胶结面垂直基坑线路方向设碎石截水沟，防止卵石层与砂岩层胶结面处明水流入砂岩层而造成砂岩软化、流塌；第三位是通过真空井点辅助坑内降水，针对性地采用“拦、截、堵、排、降”的综合处理措施，在降低水位利于土方开挖的同时，保证了砂岩层的地基承载力。

2）分析表明，红砂岩地层上部富水卵石层基坑降水是引发地表变形的主要因素之一，同时需要对兰州红砂岩地层条件下计算降水引起的地层沉降考虑经验折减，通过大量数据研究，在兰州地区对于粉质黏土一般取0.1～0.2，砂层和卵石层一般取0.03～0.10。地铁车站降水引起的地表沉降约在1～5 mm。

3）本文对红砂岩影响特性进行了分析，发现含水率的大小对砂岩物理、力学特性有较大影响，特别是砂岩受水作用后，其内部颗粒间及颗粒表层黏土矿物出现溶蚀，使颗粒间的黏聚力逐渐消失，导致砂岩承载能力迅速降低，以致出现塑变并最终发生流变。

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（编辑：郝京红）

Comprehensive Treatment of Groundwater in Deep Foundation Pit Engineering for Strongly Weathered Red Sandstone Strata

GAO Sheng

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization, China Railway First Survey & Design Institute Group Co., Ltd., Xi’an 710043)

This study considers the third red sandstone special strata of a deep foundation pit groundwater treatment project in the Lanzhou City Metro Line 1 project as an example. The red sandstone in Lanzhou area contains water and exhibits easy softening, disintegration, and plasticity, and its exposed surface presents strong weathering characteristics. First, the groundwater treatment design for the target section for excavation is proposed to study the hydrogeological problems encountered in different stages of the deep foundation pit. Further, comprehensive treatment measures were developed for the weathered red sandstone in the special stratum section, including blocking, intercepting, stopping, discharging and lowering; these measures will guide the groundwater treatment projects in similar strata.

strongly weathered red sandstone; softening and disintegration; up and down cutting; sandstone fracture; deep foundation pit; comprehensive treatment of groundwater

U231

A

1672-6073(2018)02-0091-07

10.3969/j.issn.1672-6073.2018.02.015

2017-06-14

2017-06-30

高升，男，学士，高级工程师，研究方向为地下结构工程，240638997@qq.com

轨道交通工程信息化国家重点实验室项目（11-49）