城市地鐵深基坑施工滲漏水原因分析與預防

趙云非，王曉琳

(1.中鐵隧道集團有限公司技術中心，河南洛陽 471009;2.洛陽理工學院，河南洛陽 471023)

0 引言

隨著城市地鐵基坑施工深度的增加，深基坑施工中坑內降水深度也隨之加深，這樣就形成了基坑內外較大的水頭差，給基坑施工帶來巨大風險。2009年天津地鐵某基坑發生透水事故，僅幾分鐘基坑就被淹沒一半，附近一棟建筑物十幾分鐘內開裂、變形、倒塌，整個透水事故損失近億元。圖1為天津地區近些年統計的地鐵施工中事故比例圖。地鐵施工中圍護結構漏水占44%，基底涌水占12%，僅這2項就占整個地鐵施工事故的56%，滲漏水已經成為地鐵深基坑施工中發生最大的施工風險源。文獻［1－3］主要介紹通過提高圍護結構質量來減少滲漏水的發生;文獻［4］主要就降水過程中如何防止滲漏提出了一些意見;文獻［5－8］主要介紹了物探法和溫度示蹤法在及時發現滲漏水方面的優勢，但以上文獻未從根本上找到滲漏水事故高發的根源。本文從水文地質因素、施工因素、水位監測等方面綜合分析了滲漏水高發的原因，并提出預防基坑滲漏水的措施。

圖1 地鐵施工事故發生比例圖Fig.1 Proportions of accidents in construction of Metro works

1 基坑滲漏的原因

1.1 水文地質因素

在沿海和東南地區，地下水豐富，水位高，基坑降水后，基坑內外形成較大的水頭差。以天津地區為例，圖2為天津西站地區水文地質剖面圖，初見水位0.5～1.0 m，圖2中深色陰影部分為微承壓水層，水頭高度5～8 m，這樣基坑開挖到底板標高時，就有約20 m的水頭作用在圍護結構上。根據以往監測數據，圍護結構在開挖面上下5～8 m變形最大，圍護結構一旦在大變形的情況下產生裂縫，基坑就會出現滲漏水。

圖2 水文地質剖面圖(單位:m)Fig.2 Profile of hydrogeology conditions(m)

1.2 施工因素

本文涉及的施工因素主要是圍護結構施工和基坑土方開挖施工。

1.2.1 圍護結構施工

當前城市地鐵深基坑施工中主要采用地連墻作為圍護結構，圍護結構施工水平參差不齊，如果管理人員在現場管理不力，容易造成地連墻施工出現質量瑕疵，從而誘發地連墻出現滲漏水的風險。地連墻施工中經常出現的主要問題及形成原因如下:

1)混凝土本身質量不好，造成地下連續墻墻體混凝土開裂漏水;

2)地連墻接頭管繞灰致使接頭處漏水;

3)地下連續墻施作深度不夠，不足以隔斷透水層;

4)護壁泥漿欠佳，土體塌落于混凝土內，使地下連續墻形成孔洞引起漏水;

5)地下連續墻鋼筋籠內設置的接駁器數量過多，間距較小，并且集中在一個層面上，容易形成一個隔斷面，使混凝土的骨料難以充填至2層接駁器間，導致混凝土不密實而產生滲漏水;

6)地下連續墻豎直度超標、接縫加固不到位、墻體不均勻沉降，造成接頭縫位置開裂。

1.2.2 基坑開挖

關于地鐵基坑開挖和結構施作，現在還沒有適用于全國的規范性文件，但在地鐵施工較早的城市主要就開挖方法、開挖深度、架設鋼支撐等內容出臺了相關地鐵基坑土方開挖規程。

1.2.2.1 基坑施工

地鐵施工主要步序如下:1)施作地連墻—樁基礎—格構柱—坑內降水;2)開挖土體至第1道支撐，施作該支撐;3)開挖土體至第2道支撐下0.5 m，施作第2道支撐;4)依次開挖至坑底，施作墊層、結構底板;5)待底板達到設計強度，拆除支撐。從施工步序可以很明顯地看到基坑開挖的基本要求就是先撐后挖，施工到支撐下0.5 m后就要架設支撐，然后才能繼續開挖。但現實中由于鋼支撐的架設干擾挖機挖土，影響施工效率，很多施工單位為搶工期不顧安全，最終導致事故發生。

1.2.2.2 現場施工存在的隱患

圖3為某基坑土方施工現場，在基坑端頭，土方已經開挖至第2道支撐下5 m多，但第2道鋼支撐卻一直未架設。根據以往監測數據，圍護結構在開挖12 h內變形最大，變形最大位置集中在基坑底板標高上下5 m范圍內。如果在基坑開挖到規定深度不及時架設支撐，圍護結構很可能會出現大變形，致使圍護結構變形過大而開裂，給主體結構施工和基坑開挖帶來安全隱患。

圖3 基坑施工圖Fig.3 Construction of foundation pit

地鐵深基坑土方開挖過程中，另一個常見安全隱患是在圍護結構外側大量堆載。常常堆放大量鋼支撐、開挖的土方、機具設備等，大大增加了圍護結構的附加荷載，使得圍護結構變形過大，導致與其相接的墻體錯動開裂，造成圍護結構漏水。

1.3 水位監測中存在的問題

施工監測作為深基坑施工的一部分，是確保工程安全的重要環節。監測的主要作用就是及時發現施工中的風險，提醒施工單位采取措施將事故消滅在萌芽之中。然而在深基坑施工過程中，地下水監測卻存在諸多問題。

1.3.1 埋設時間不及時

用于指導基坑監測工作的GB 50497—2009《建筑基坑工程監測技術規范》對水位監測有如下規定:潛水水位管應在基坑施工前埋設，濾管長度應滿足測量要求。

什么是“基坑施工前”?一般理解基坑施工前就是基坑開挖之前，許多施工單位都是這時候才開始埋設水位管。水位管的埋設流程如下:1)用地質鉆機鉆孔，鉆孔深度根據所測區域水位決定。2)將裝好濾管的水位管下到孔內。由于鉆孔時孔內有大量泥漿用于護壁，所以材質較輕的PVC管下不去，只能在管內大量注水，才能將管埋設到設計位置。3)回填土體。因為泥漿密度較大，水位管在浮力作用下會上浮錯位，致使慮管不能安設在含水層內，所以需要回填土體固定管體。從水位管的埋設過程可以看到，由于下管過程中管內注有大量清水，水位管埋設后并不能立即開始測量，需要2～3周時間，待到管內水位與地層水位恢復一致時才能開始測量，而且前3天要測量3次值，取平均值作為初始值，之后才能開始水位的正式測量。由此可見，從埋設水位管到真正開始水位測量，周期為17～24 d，如果在土方開挖時才開始埋設水位管，可能會出現水位監測不及時，影響基坑安全。

如果是基坑開挖后才開始埋設水位管，往往還會錯過基坑開挖前的降水階段監測。基坑降水也是水位監測的重點，因為根據開挖前基坑降水過程中基坑外水位變化的情況，就可以初步分析基坑的滲漏水情況。

綜上所述，水位管埋設的最佳時間應該是圍護結構完成后基坑降水施工前，將水位管埋設好，并測量初始值。

1.3.2 各隔水層隔水措施不力

承壓水由于其水量一般較大，而且有一定的壓力，一旦滲漏往往會造成嚴重的工程事故，所以承壓水是水位監測中的重點。規范中要求承壓水位監測時，被測含水層與其他含水層之間應采取有效的隔水措施。規范的隔水層是采用高質量的黏土球回填到孔內，回填高度要大于原地層隔水層高度。但現場施工時，很多單位為圖方便，在承壓水埋管回填土時都是直接就地取土，使各含水層聯通，致使水位監測的數據失去指導意義。

1.3.3 監測預警較難

規范中水位監測報警值規定地下水位變化絕對值為1 000 mm，速率為500 mm/d。

地層中由于地下水聯通性強，當局部發生滲漏，其他區域水很快補給過來，監測顯示水位變化不明顯，難以評估水位下降帶來的施工風險。由于水位監測的非連續性，一旦水位監測出現明顯下降，可能已經發生大的滲漏水事故。目前的水位監測方法在實際施工中很難達到預警要求，基坑水位監測仍有大量基礎工作需要各方人員不斷總結與完善，并最終形成規范性文件，指導水位監測工作，保障基坑施工安全。

2 滲漏水的預防處理

預防基坑滲漏水事故的發生，不僅需要加強施工管理提高圍護結構的施工質量，截斷封堵滲漏水發生的通道，更應該加強基坑土方開挖過程的管理，嚴格按規范施工。但即使施工中嚴格按規范操作，在圍護結構和土方施工中也難免會出現問題，當這種不利情況出現時，及時發現滲漏水并采取措施顯得尤為重要，這樣就可以用較少的成本，將風險消滅在萌芽之中。

2.1 及早發現滲漏

根據上文的介紹，現有的水位監測手段無法滿足，只能完善和提高基坑施工中的水位監測手段。常用的有如下幾種:

1)近似計算方法及室內的模型或模擬試驗分析方法。該方法主要是通過現場采集數據，并根據流體力學解析解法、水力學法、圖解法等進行分析判斷。該方法對監測人員要求較高，而且理論計算與選取的計算方法、計算參數關系很大，預測結果只能定性反映水位變化情況。

2)同位素示蹤法。該方法是通過在地層中放入同位素示蹤劑，利用示蹤儀進行跟蹤測量，找到滲漏通道和滲漏點。可以在滲漏水發生時，對水源進行確定，預測目的不易達到。

3)高密度電法［5－6］。它是以巖土體的電性差異為基礎的一種探測方法，根據在施加電場作用下的地層的傳導電流分布規律，推斷地下具有不同電阻率的地質體賦存狀態。該方法對山區和采空區等不良地質探測較為準確，但易受電力設施和地下管線干擾，在探測滲漏水方面不具優勢，而且也只能是定性的，無法定量監測。

4)溫度示蹤法。隨著國內外對于溫度示蹤法和反分析研究的發展，滲流監測領域出現了新的研究理論和方法，并發展成為一種新的理論，即滲流熱監測理論，在此理論基礎上發展了滲流熱監測技術，它不僅能更準確、有效地反映土體內部的滲流狀態，而且能加深對滲流狀態發展變化過程的認識，能夠準確發現早期滲漏情況和滲漏點。

溫度示蹤法在基坑滲漏監測中主要有以下優點:①監測儀器價格低廉，現場操作簡單;②可以實現長時間連續監測;③現場一般技術工人就能進行監測。

溫度示蹤法檢測原理:地層表面的溫度與環境溫度有關，隨季節發生周期變化。這主要是因為地層表面的溫度不僅受地表附近的大氣溫度影響，還受到太陽照射的影響，因此地表的溫度是有季節性的。由于地表水的溫度是隨著地表大氣環境溫度變化的，地表水補給到地下后，將影響地層中的溫度，影響的程度與補給量和距離等因素有關。在季節溫度影響點(如鉆孔溫度曲線上的拐點)以下深部地層的溫度將隨著深度的增加而上升。所以根據地層中溫度的變化就可以準確地判定地層滲流的分布情況，從而確定地層的滲透性以及集中滲漏等［7－8］。

當鉆孔穿過裂隙或滲漏帶時，由于受地下水水平流動的影響，溫度分布曲線會出現“尖峰狀”異常，如圖4所示。圖4(a)為地層中無強滲漏帶時，鉆孔中溫度分布的正常曲線，此時溫度曲線分布只與深度有關，隨深度增加而線性增加，反映正常的地層溫度分布。圖4(b)為鉆孔穿過地層中的強滲漏帶，且滲漏水的溫度較高時，導致溫度分布曲線出現異常，根據曲線發生異常的變化進行分析。

溫度示蹤法現場操作也較為簡單，使用測溫儀器測量水位管內不同深度水的溫度，繪制曲線，根據曲線的變換規律分析滲漏水情況。這一方法與傳統的方法相結合，在成本投入不大的情況下，可以較準確地預報滲漏水地點，預防涌水事故的發生。

2.2 滲漏封堵措施

對于地下連續墻的接頭輕微滲漏，可采用先引后堵方式進行封堵。首先，沿地下連續墻豎向接頭的混凝土表面開鑿出一條約3 cm×3 cm的凹槽，放入半圓形的PVC管，此時滲水沿半圓槽向下流動，表面用速效水泥進行封堵，形成滲水暗道。其次，進行混凝土襯砌施工，當襯砌混凝土達到設計強度后，再對滲水暗道自下而上反向注雙液漿，快速填充滲水通道。

當滲漏水較大時，就需要對地連墻外側土體進行處理，常用的處理措施為高壓旋噴法和袖閥管注漿法。

1)高壓旋噴。高壓旋噴灌漿是利用鉆機把帶有噴嘴的注漿管鉆進土層后，從噴嘴噴射固化劑，沖擊破壞土體，同時提升鉆桿，強制攪拌，使固化劑與土體充分混合形成一體，經固化后形成一定強度、互相咬合的地下防滲漏帷幕，從而封堵地連墻裂縫，達到阻止泥砂從裂縫處流失的目的。該方法既經濟、快速、安全可靠，又不影響后續施工。

2)袖閥管注漿。用鉆機進行套管鉆孔，鉆到規定的深度，安設袖閥管。通過袖閥管可實現定點、定位注漿，封堵地下水并對周邊土體進行加固。袖閥管注漿工藝具有以下優點:①可實現定點、定位注漿;②可進行多次重復注漿;③注漿時范圍較容易控制;④鉆孔和注漿作業可平行作業;⑤可根據地層特點選擇不同的注漿段長和注漿壓力。一般滲漏水，通過上述措施基本可以實現封堵。袖閥管結構如圖5所示。

3 結論與建議

基坑滲漏水防治是一項系統工程，對于施工的各個環節都十分重要。在當前的施工現狀下，及時發現早期滲漏并采取有效措施是最為重要的。針對滲漏水事故的預防，有如下建議:

1)對圍護結構施工過程中出現的問題進行詳細記錄，結合工況科學分析水位監測數據，準確分析判斷滲漏水原因。

2)選擇科學、有效的水位監測方法，提高水位監測的靈敏性，積極預測基坑滲漏水狀況。

3)根據水位、圍護結構、周邊環境對滲漏水發生的風險及危害進行準確評估。

4)一旦局部發生滲漏水，應該采取積極有效、快速高效的封堵措施，預防滲漏水事故發生。

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