处理强弱透水层交互地层大深宽比基坑突涌的装置及方法

本发明属于岩土工程基坑抗突涌，具体涉及一种处理强弱透水层交互地层大深宽比基坑突涌的装置及方法。

背景技术：

1、近年来，随着城市建设、水利、交通等行业的发展，出现了越来越多面临复杂水文地质条件的基坑工程，其中不乏大深宽比基坑，比如用于盾构施工的盾构工作井基坑，当前针对此类基坑的抗突涌计算分析普遍采用的规范法忽略了基坑的形状特点，特别是在多层强弱透水层交互地层，规范法计算因为未能充分考虑基坑底以下土层与基坑围护结构之间的侧摩阻力而比较保守，不能得到经济合理的计算分析结果，对于基坑底以下土层与基坑围护结构之间的侧摩阻力未能充分认识。

2、目前常规的减压抗突涌方法是在基坑底部承压含水层以上覆土不足以抵抗承压水头时，采用基坑围护结构将承压水隔断或设置井点等设施抽取承压水，降低承压水水头压力从而减小承压水对基坑底板的破坏作用。当基坑下覆多层深厚承压含水层时，若采用围护结构将其完全隔断，施工难度大且成本高；设置井点抽取承压水时，可能会引起基坑周边地面沉降、建筑物开裂、地下管线破坏等不利后果，对环境造成危害。

3、而常规的基坑抗突涌验算方法也是将承压含水层上覆土层作为一个完全不透水的整体，利用其重力来平衡承压水压力，这种方法考虑承压含水层上覆土层的压重为主要抗力，未考虑两侧墙-土之间的摩擦力，因此该种方法适用于基坑宽度比坑底隔水层厚度大得多的常规基坑，这类基坑通过底板中部隆起开裂起控制作用，两侧墙-土之间的摩擦力作用不大。但是对于大深宽比基坑，比如盾构井，基坑宽度与基坑底板下的隔水层厚度接近甚至更小，在承受承压含水层的水压力时，基坑底板下的隔水层呈现刚体整体变形状态，此时两侧墙-土之间的摩擦力对抗突涌的贡献不可忽略。

4、但如果基坑底以下隔水层孔隙水压力很大，其竖向有效应力很小，就会导致墙-土之间的摩擦力将很小。

5、童立元等在中国发明公开专利cn106337426a中提供的“一种增加承压水地层基坑抗突涌稳定性的降水方法”，提出了通过将减压井加深延长至承压含水层上覆半透水层之中，对其水压进行释放，在减压后作为隔水层考虑，进而增加了承压含水层上覆隔水层的压重以此来增加基坑抗突涌稳定性。但该技术并未对减压井进行详细设计，无法解决减压井在使用过程中可能出现的井壁塌孔、井管变形等问题，无法保证减压井作用的长期稳定性。且该技术仅考虑承压含水层上覆隔水层的压重作为基坑抗突涌的抗力，未考虑承压含水层上覆土层与基坑围护结构之间的侧摩阻力作为基坑抗突涌的抗力，使得该技术在理论上比较保守，不符合经济效益。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用侧摩阻力的大深宽比基坑抗突涌处理系统及方法，特别适合多层强弱透水层交互的地层。

2、为了实现以上目的，本发明提供的一种处理强弱透水层交互地层大深宽比基坑突涌的装置，包括常规减压井、应急减压井，两种减压井构造相同，作用位置不同；

3、常规减压井作用于基坑围护结构范围内的承压水土层中，应急减压井作用于基坑围护结构范围以外的承压水土层中；

4、所述系统包括设置在基坑围护结构内部的常规减压井和应急减压井，常规减压井用于对基坑围护结构范围内的承压水土层进行减压，应急减压井用于基坑围护结构范围外的承压水土层进行减压；

5、所述常规减压井和应急减压井均包括减压井井孔、位于减压井井孔内的外井管和位于外井管内的內井管，井孔与外井管之间填充有混凝土并在混凝土上方设置有支撑层；

6、內井管包括內井管滤管段和位于內井管滤管段上方的內井管盲管段，其中，常规减压井的內井管滤管段位于基坑围护结构以内的强透水层及位于强透水层之间的弱透水层区域，应急减压井的內井管滤管段位于基坑围护结构以外的强透水层内，常规减压井和应急减压井的內井管滤管段均设置有反滤层，內井管盲管段内设置有防渗层。

7、本发明提供的一种处理强弱透水层交互地层大深宽比基坑突涌的装置，通过常规减压井进行内部减压，有效控制隔水层的孔隙水压力，提高其有效的竖向应力，充分提高土层与基坑围护结构之间的摩擦力，提高基坑的抗突涌能力，这种方法利用大深宽比基坑受到承压水压力时基坑底板下的隔水层呈现刚体整体变形的特点，充分利用土层与基坑围护结构之间的摩擦力，提高基坑的抗突涌能力；为了防止常规减压井出现减压失效的情况，设置应急减压井当常规减压井减压失效时，开启应急减压井，降低承压水土层的水压力，防止基坑发生突涌破坏。

8、对本发明的进一步改进，所述外井管管径不宜小于200mm。

9、对本发明的进一步改进，所述井孔孔径应大于外井管管径300mm以上。

10、对本发明的进一步改进，所述内井管滤管段采用壁厚大于等于4mm的钢管，钢管的长度不小于4.5m。

11、对本发明的进一步改进，所述内井管滤管段孔隙率大于等于15％。

12、对本发明的进一步改进，所述内井井管底部采用开孔钢板焊接密封。

13、对本发明的进一步改进，所述反滤层的滤料应该选择磨圆度较好、粒径均匀的硬质砾砂或砾石。

14、对本发明的进一步改进，內井管滤管段外侧设置有滤网，且管壁开有孔。

15、对本发明的进一步改进，所述防渗层为，在內井管盲管段至少5m高度内采用优质粘土球封堵而成，粘土球规格为φ50。

16、对本发明的进一步改进，在外井管外侧浇筑素混凝土，所述支撑层为待素混凝土硬化之后回填上部空槽的碎石层。

17、如果基坑底以下隔水层孔隙水压力很大，针对此类基坑，可以通过减压来有效控制隔水层的孔隙水压力，提高其有效的竖向应力，充分利用其墙-土之间的摩擦力，就可以在不经过大范围减压的同时满足基坑抗突涌的要求，更加经济合理。

18、一种处理强弱透水层交互地层大深宽比基坑突涌的方法，采用前述系统，所述方法包括以下步骤：

19、在地面造井孔，往井孔内吊入外井管；

20、将外井管底部插入土中，在外井管外侧浇筑混凝土至指定高程，待混凝土硬化之后回填设置支撑层；

21、在外井管内部造孔，吊入內井管；

22、內井管分为盲管段和滤管段，在內井管滤管段的管壁开孔并设置反滤层，在內井管盲管段设置防渗层。

23、与现有技术相比，本发明能够实现的有益效果至少如下：

24、1、本发明能够有效减少基坑围护结构(止水帷幕)的施工深度，大大降低施工难度，减少成本。

25、2、本发明通过减压井进行排水减压时，不需要进行完全降水，只需要对围护结构(止水帷幕)截水范围内的土层进行降水即可，对周边环境的影响大幅减小。

26、3、本发明提供的基坑抗突涌处理方法特别适用于大深宽比基坑以及多层强弱透水层交互的地层环境。

27、4、本发明提供的应急减压井，可以作为常规减压井的补充，当常规减压井出现减压失效的情况时，启动应急减压井仍旧能够保证基坑抗突涌安全。

28、5、本发明在考虑坑底土体自重的基础上，充分利用基坑下卧土层与围护结构之间的摩擦力提高基坑的抗突涌能力，改善了常规基坑抗突涌计算中过于保守与不足，与常规的计算方法相比，本发明的理论模型贴合实际，与实际工程项目现场结果相符，不仅在理论上进行了合理的补充，也显著降低了基坑抗突涌措施的费用，提高了工程的实施进度。

29、6、本发明对减压井进行了详细设计，对减压井进行内外分层，外井管与井孔之间灌注混凝土、回填碎石形成支撑力，解决了减压井在使用过程中可能出现的井壁塌孔、井管变形问题，内井管与外井管之间填充粘土球及砾砂砾石，砾砂砾石作为反滤层可以避免水流带出细砂，防止管壁淤堵，粘土球可以有效阻止地表水或上层土壤中的水沿着井壁或填充材料渗透到井内，同时可以保持井内的干燥状态，避免水分对井内结构造成损害。