CN110939150A - 一种应对承压水突涌事故状态下的大水力坡降比薄壁结构快速构建的抢险方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下工程施工中，围护结构部分失效或坑底发生承压水突涌时，借助土体、砂石、混凝土等材料，通过在透水点位置先安装带阀门的硬质引流管，并在上方堆压少量土体，最后在土面浇筑薄层早强混凝土等，待混凝土初凝后，关闭引流管阀门，快速形成一大水力坡降比的薄壁结构，完成抢险。过程中，加强积水抽排，保证透水事故区域堆高面不被水淹。该方法具有速度快，2～3小时即可完成抢险，对环境影响小、所需人员少、材料易得、操作简便、成本低、后期清障简单等，适用于各种基坑开挖围护结构部分失效、坑底发生承压水突涌、隧道联络通道透水等事故的应急抢险。

Description

一种应对承压水突涌事故状态下的大水力坡降比薄壁结构快 速构建的抢险方法

【技术领域】

本发明涉及一种大水力坡降比薄壁结构快速构建的抢险方法，尤其针对承压水突涌事故状态下应急抢险控制方法。

【背景技术】

各类地下工程中，承压水已成为工程事故的主要因素之一，其危害最为直接、最为广泛。工程中因承压水突涌形成的事故比比皆是，给国家和人民的生命、财产造成了触目惊心的损失。

2012年2月7日，日本冈山县仓敷市海底隧道发生塌方进水事故，塌方现场位于海底30米深处，海底隧道被海水完全淹没，造成5人遇难。

2003年7月1日凌晨，上海轨道交通4号线越江隧道区间用于连接上、下行线的安全联络通道-旁通道工程施工作业面内，因大量的水和流沙涌入，引起约270m隧道部分结构损坏及周边地区地面沉降，最大沉降量达到7m，导致3栋建筑物严重倾斜，黄浦江防汛墙局部塌陷并引发管涌。

2007年3月10日深圳地铁一号线大新站基坑发生重大险情地质，地层内存在3～6米厚的砂层，排桩围护结构渗漏水情况较为严重，对基坑外土层及砂层有扰动，造成基坑外土层自稳能力下降，土体对围护结构桩体的主动压力增大，导致围护结构变形过大、个别钢支撑滑移、掉落、地面沉降达到40cm以上，基坑接近失稳坍塌。

2007年2月5日早晨6：00左右，南京汉中路牌楼巷与汉中路交叉路口北侧，正在施工的南京地铁二号线出现渗水塌陷，造成天然气管道断裂爆炸。事故导致附近500多户居民停水、停电、停气，附近的金鹏大厦被爆燃的火苗“袭击”。路面被炸出一个深五六米、宽十米左右的大坑。

2019年8月28日上午10点左右，杭州地铁5号线宝善桥站至建国北路站联络通道施工发生渗漏水，导致建国北路(体育场路-凤起路段)发生路面坍塌，伴随有部分燃气泄漏。

承压水通常具有突发性、高压性、易发性。潜水水压随深度逐渐增加，而承压水水压稳定，因其埋深较深而导致高承压性。在高水头压力下，只要基坑或其他地下结构存在细小通道或者结构缺陷，在受到扰动或其他不利情况下，细颗粒的砂、土随水流进入，并在较短时间内扩大通道，形成突涌、流砂或管涌。发生承压水突涌时，初期通道狭小，涌水量小，此时快速处置最有利。等到涌水变大、产生结构变形灾害时，控制起来非常困难。

透水事故常常引起周边地面沉降、管线断裂、房屋倾斜与开裂等，严重威胁工程自身与人民生命财产的安全，目前国际上透水事故的控制主要通过如下几方面技术途径实现：

(1)内部工作面压载平衡法

透水事故发生后，一种是通过在透水区域堆载土方、水泥包、袋装黄砂、混凝土等物资，甚至向坑内或整个工作面压水回灌等压重，直至内外水压平衡，完成抢险。直接压载存在如下几方面的不利，一是土方、砂石、混凝土等材料的准备与运输的时间较长，同时，真正运输至透水面亦需要较长时间；二是需要压载的材料需求量较大，为达到水土压力平衡，需要对透水点位置大量压载，通过压载自重平衡渗漏水压力；三是平衡周期长，压载过程中，状态到压水回填阶段动水直接冲刷土方及混凝土的胶凝材料，所压载土体、混凝土不能形成有效强度。对于透水较为严重的工程，往往最后直接压水回填。比如上海大都会抢险工程，因围护结构渗漏，最后压水回填，方完成抢险，造成地铁6号线及周边环境较大的沉降与位移。

(2)结构外侧注双液浆或聚氨酯等封堵渗透路径抢险方法

在围护结构外侧或联络通道外侧等，通过引孔注浆的方式，封堵透水路径，从而达到抢险目的。主要难点体现如下几方面，一是渗漏点准确位置判断困难，特别是对于围护结构部分失效的工程，对于失效点的具体深度、大小及破坏的具体情况往往不是特别清晰，有时需要多次试验才能找到相应位置，加大险情排除时间；二是专业设备与人员组织难，险情发生后，相应的抢险专业设备、人员等寻找困难，组织到位更为困难；三是同步进行的合约与商务谈判往往影响应急抢险进程；最后，在大流量透水状态下，聚氨酯、双液浆往往不能凝固，从而无法实现有效封堵。比如上海轨道交通一超深基坑工程开挖至33m深，发生透水，尽管外侧大量压注聚氨酯，仍未能有效封堵。

(3)工作面压载与外围注浆综合实施

这是目前深基坑工程及隧道渗漏采取的综合措施之一。该方法实施要求更高，常常因为工作面各类设备吊运及工作的需要，设备的相互影响大。且该类措施实施周期长，因而带来较长的抢险时间，对周围环境影响大。特别是当透水区域已引起大面积地面沉降时，在地面进行相应的作业，往往直接影响设备与作业人员的生命安全。

实际上，到目前为止，透水事故的应急处置是国际性难题，如何快速实现透水区域的封闭，减少对基坑、隧道、周边管线及建构筑的影响，难度极高，并常常危及现场作业人员及周边居民的生命财产的安全，因而，加强对透水状态下的应急处置具有极其重要的经济、安全及社会效益，意义极为重大。

【发明内容】

本发明拟通过在透水土面，借助少量的土体、砂石、混凝土等材料，快速构建表面有一定强度的大坡降比许可透水密闭层，实现透水点封堵。其先在透水区域铺设带阀门的硬质引流管，然后在上方堆压少量土体，最后在土面浇筑薄层早强混凝土等，初凝形成强度后，关闭引流管阀门，快速形成一大水力坡降比的薄壁结构，完成抢险。

发明的技术原理

本发明方法主要利用土体与混凝土结构的强度特性、隔水性能等，极大减少了堆压材料用量，从而缩短了抢险时间，现场组织更为有序可靠，从原理上，主要体现在如下几方面：

(1)可发挥堆压土体的强度特性。传统抢险过程中，内部压载时，直接将土方、砂石、混凝土等堆压在透水区域，一方面，在透水水流冲刷作用下，堆压材料被浸泡，无法形成内聚力、抗剪强度等；另一方面，在水流作用下，上方堆压材料会被冲刷流走。通过引流管引流，对出水进行集中管理，其上方堆土尽管相对松散，随着不停的堆高压实，其强度会逐步形成。

(2)第二个原理是延长渗流路径。沿水平方向，引流管铺设的长度，即是后期关闭阀门后，透水渗流路径延伸的长度；对于垂直方向，堆压的高度即是延伸长度。

(3)利用表面有一定强度的薄壁隔水层，提升水力梯度的许可范围。传统压载是在透水面不停堆压材料，并依靠压载材料重量，平衡水土压力，本发明则提出利用混凝土等材料的强度与隔水特性，因而极大减少了材料用量，缩短了抢险时间，从而极大降低了事故的危害。

根据上述原理，为实现简易装备条件下的快速抢险，本发明的技术方案为：

一种应对承压水突涌事故状态下的大坡降比薄壁结构快速构建的抢险方法，其主要施工步骤包括如下：

(1)尽快供应混凝土或其它胶凝材料。险情发生后，通知泵站立即供应低塌落度早强混凝土或其它胶凝材料。

(2)进行引流排水管安装。选用一定长度的硬质排水管，一端铺设于透水点位置，并在其上方堆压少量袋装砂或土工布包扎，防止堵管，减少突涌过程中的土体流失；另一端延伸至集水坑，并设置阀门。若出水量较大，可采用多根并排的方式。

(3)堆土压载。借助坑内挖机或吊机等，对透水区域进行堆土压载。一方面要加强堆载坡度控制，不宜过大，以小于30°为宜，同时，取土点位置应与透水点保持一定距离，并不得影响基坑安全，过程可借助袋装水泥辅助护坡。

(4)薄层早强混凝土浇筑。堆载土方有一定高度后，迅速在其上方浇筑低塌落度的早强混凝土，浇筑可集中于堆土面的最高点，也是出水点位置，自然向四周塌落扩散，以在堆载土面形成薄壁保护层。混凝土初凝后关闭引流排水管阀门，大坡降比薄壁结构形成，并完成抢险。

抢险过程中，同步应做好突水情况、监测及积水抽排等工作：

(1)查明突水情况。通过简易桶、瓶等，收集引流管的出水，实时估算突水量大小、颜色等，分析突水的水源，为进一步地分析破坏点的位置、所需采取的措施等提供依据；

(2)加强监测。突水发生后，通知监测单位，加强对基坑的水平位移、支撑轴力、沉降(地表、管线及周边建构筑物)、隧道收敛、结构开裂等参数的变化，以便实时采取应急措施；

(3)加强排水。为保证堆载土体、混凝土等尽快形成相应强度，应加强对突涌水的管理，强化积水抽排，保证透水事故区域堆高面不被水淹。

(4)做好组织筹划。险情发生后，应根据抢险应急预案，由专人对材料供应、挖机与吊运作业、管路铺设、混凝土浇筑等作业人员进行协调与指挥，保证各工序平稳有序开展。

本发明针对承压水地层的突涌透水事故中，采用预设引流管，再堆土压载，浇筑薄层混凝土结构，在透水面形成一定体积的大水力坡降比的薄层结构，其应急抢险控制方法具有以下优点：

(1)速度快。险情发生后，迅速组织挖机、吊机、引流管铺设、水泥包吊运、护坡等作业人员，按本发明的要求，组织各工序作业，一般2小时左右险情将得到控制，3小时左右即可实现承压水突涌事故的处理，速度非常快。

(2)应急材料来源方便、短期内可大量提供。现场只需配备少量袋装黄砂、排水管、阀门。对于基坑工程，可直接于基坑内距离透水点一定距离的相对安全区域取土；对于联络通道工程，砂包、水泥包等应常备于开挖面临近区域；

(3)所需材料少。本发明充分发挥透水状态下的土体相对隔离堆压材料与突涌的透水，对土体的结构影响小，有助于堆压土体的强度养成，使得上覆混凝土的胶凝水泥不被冲刷，有利其凝固形成强度。相对于以往靠堆载反压进行透水堵漏，本发明充分利用路上覆土体及混凝土胶凝材料的强度特性来进行止水，大大节省了堵漏材料用量，使得险情更加高效快速得到控制。

(4)施工工艺简单、人工工作量小、施工成本低。回土混凝土浇筑等主要依靠设备完成，人工主要进行护坡、辅助材料运输等，且原材料组织相对容易、快速。

(5)透水事故的次生灾害小。由于抢险及时，2～3小时即完成抢险，土体的流失量较小，因而对周边建筑、管线、人员及工程本体的影响小，因而具有极其重要的经济、安全与社会效益。

【附图说明】

图1为本发明的示意图：1、涌水点；2、开挖面；3、围护结构；4、钢支撑；5、袋装黄砂；6、带阀门引流排水管；7、素土或粘土；8、薄层混凝土硬壳层；9、承压水水头；10、集水坑；11、流线。

【具体实施方式】

下面以上海市某地铁深基坑工程应急抢险为例介绍具体实施方式。

该工程为地下五层结构，基坑长142米，标准段宽23.3米，端头井宽27.7m，开挖深度35.5m(位于7①层)。围护结构采用地下连续墙形式，墙厚1.2m，深度66.5m，均采用套铣接头。水平支护采用钢筋混凝土支撑及钢支撑交替形式布置，共计九道支撑(端头井10道支撑)。该工程因地墙施工质量问题，先后在不同区域发生7起渗漏，渗漏点深度约31～35m。某日下午北坑西侧某幅地墙出现漏水现象，涌水点(1)位于北坑西侧，深度位于垫层以下，位于⑦1-1土层。险情发生后首先进行坑外井群降水，80分钟后坑外承压水降深至30m，后续承压水头缓慢下降，降深至31.8m后不再下降。

在坑外降水的同时，坑内同步进行堵漏应急抢险。

(1)险情发生后，通知泵站立即供应低塌落度早强混凝土。

(2)选用一根约8m长、直径10cm的硬质排水管(6)，一端铺设于涌水点(1)处，并在其上方堆压约30～40cm高袋装砂(5)或土工布包扎，防止堵管，减少突涌过程中的土体流失；另一端延伸至集水坑(10)，并设置阀门，渗水总流量约为6m³/h，排至集水坑后由水泵提升至坑外。若出水量较大，可采用多根并排的方式。

(3)借助坑内挖机或吊机等，对透水区域进行压载堆土(7)，堆土平面范围约6～7m见方。堆载坡度小于30°，同时取土点位置应与透水点保持一定距离，并不得影响基坑安全，过程可借助袋装水泥辅助护坡。随着土方堆载高度的增加，有效延长了流线(11)，并伴随着水力坡度的降低。

(4)堆载土方高度2～3m后，迅速在其上方浇筑低塌落度的早强混凝土(8)，浇筑可集中于堆土面的最高点，也是出水点位置，自然向四周塌落扩散，以在堆载土面形成薄壁保护层，涌水发生2小时后混凝土浇筑完毕。约3小时后混凝土初凝后关闭引流排水管阀门，大水力坡降比薄壁结构形成。混凝土层能及时保护堆载土方，可避免关闭排水管阀后形成新的渗流通道，也可防止降雨冲刷土方导致堆载失效基本无涌水，险情得到控制。险情控制好后，在坑外打设新降水井，通过将坑外水头降至坑底后重新清障开挖，完成结构回筑。

抢险过程中，同步应做好突水情况、监测及积水抽排等工作：

(1)通过简易桶、瓶等，收集引流管的出水，实时估算突水量大小、颜色等，分析突水的水源，为进一步地分析破坏点的位置、所需采取的措施等提供依据。

(2)突水发生后，通知监测单位，加强对基坑的水平位移、支撑轴力、沉降(地表、管线及周边建构筑物)、隧道收敛、结构开裂等参数的变化，以便实时采取应急措施。

(3)为保证堆载土体、混凝土等尽快形成相应强度，应加强对突涌水的管理，强化积水抽排，保证透水事故区域堆高面不被水淹。

(4)险情发生后，应根据抢险应急预案，由专人对材料供应、挖机与吊运作业、管路铺设、混凝土浇筑等作业人员进行协调与指挥，保证各工序平稳有序开展。

以上所述的应急抢险控制方法，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明专利创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，用于隧道或联络通道内承压水涌水应急抢险控制，这些都属于发明专利的保护范围。

Claims (4)

1.一种应对承压水突涌事故状态下的大水力坡降比薄壁结构快速构建的抢险方法，其主要利用易于获得的土体、砂石、混凝土等材料，通过在透水点位置先安装带阀门的硬质引流管，并在上方堆压少量土体，最后在土面浇筑薄层早强混凝土等，待混凝土初凝后，关闭引流管阀门，快速形成一层可适应大水力坡降比的薄壁结构，完成抢险。

2.根据权利要求1所述的应急抢险控制方法，其特征在于：

其引流管为硬质带过滤与阀门的装置，一是实现引流的过程中，为防止堵管，可选用钢管或PVC等硬质管材，使得堆载过程管道不变形，同时在透水点位置可借助袋装黄砂或土工布包扎等，进一步防止堵管，减少土体流失；另一特征是在引流管尾部设置有阀门，可在土体及上方混凝土薄层形成一定强度后关闭，实现水的封闭。

3.根据权利要求1所述的应急抢险控制方法，其特征在于：

在涌水点处堆载一定高度与面积易于获得的材料，如土体、砂石等。引流管铺设完成后，可借助挖机、吊机等设备，就近取土，并对透水点位置压载，过程中，可通过水泥包等人工护坡。

4.根据权利要求1所述的应急抢险控制方法，其特征在于：

待土方等材料堆载完毕后，迅速在土方上方浇筑一层薄层低塌落度早强混凝土或其它胶凝材料，其初凝后，关闭引流管阀门，即可完成透水事故的抢险。

在此基础上，可进一步对围护结构、坑底、隧道等采取针对性加强措施，并通过引流管阀门开启关闭，验证加强措施的有效性，恢复后继施工。

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