地鐵超深基坑水下混凝土封底施工技術

劉建偉盧致強付 波許 洋廖靜宇

地鐵超深基坑水下混凝土封底施工技術

劉建偉1盧致強1付 波1許 洋1廖靜宇2

（1.中鐵隆工程集團有限公司，610046，成都；2.西南石油大學，610500，成都∥第一作者，高級工程師）

地鐵基坑采用水下開挖及水下混凝土封底施工是一項技術難題。結合北京地鐵8號線永定門外站工程實例,對水下封底混凝土分別采用加固土和混凝土換撐來模擬圍護結構計算,驗算施工期間封底結構抗浮穩(wěn)定性和承載力，并針對施工重難點提出針對性措施，確保施工質量和安全持續(xù)可控。該研究對于以后類似工程的設計施工有較好的參考價值和借鑒意義。

地鐵；基坑；水下混凝土；水下開挖；承壓水

地鐵基坑施工采用水下開挖和水下混凝土封底施工是一項技術難題。該技術在北京永定門外站中首次采用。結合永定門外站工程實例，研究卵石地層地鐵超深基坑水下混凝土封底的設計及施工關鍵技術，對于今后類似工程的設計有較好的參考價值和借鑒意義。

1 工程概況

永定門外站為北京地鐵8號線與14號線換乘車站，車站主體為地下4層框架結構，頂板覆土約3.9 m，底板埋深約31.4～33.5 m，采用明挖法施工。車站底板以下均為強透水卵石層，地下水位埋深23.2～23.7 m。車站周邊建筑物密集，主要為時代窗簾廣場、居民小區(qū)、在建14號線永定門外站工地以及京津城際鐵路橋，車站總平面布置如圖1所示。

車站所處地層主要以黏性土、粉土及砂卵石層為主，主要賦存1層層間潛水（三），埋深23.2～23.7 m，含水層巖性以砂卵石為主。車站底板主要位于卵石7層（亞圓形，級配連續(xù)，磨圓度中等，一般粒徑2～8 cm，最大粒徑大于11 cm，中粗砂充填約35%～40%，滲透系數220 m/d），基坑涌水量約20.1萬m3/ d。地質縱剖面見圖2。巖土參數見表1。

圖1 車站總平面圖

圖2 地質縱剖面圖

表1 巖土參數表

2 工程重點及難點

2.1 基坑風險高

車站標準段基坑深36.1 m，盾構井段深38.5 m，為目前北京最深地鐵基坑，周邊建筑物眾多，管線密集，道路交通流量大。

2.2 地下水極為豐富

地下水水位埋深23.2～23.7 m，水位以下基本全為透水性非常強的卵石層，基坑涌水量約20.1萬m3/d，如采用降水，費用高、施工難度大，市政管道無法滿足排水需求，資源浪費嚴重。

2.3 施工難度大

車站地層主要為卵石地層，注漿深度大，常規(guī)基坑封底注漿方式（如旋噴樁、攪拌樁、袖閥管注漿）都無法保證注漿效果，施工難度也極大。此外，由于基坑較深，地下連續(xù)墻墻底埋深最大有47 m，對于施工機械和施工工藝要求較高。

3 基坑支護設計

3.1 圍護結構方案

標準段基坑深約36.1 m（坑底按封底混凝土底考慮），基坑寬度24.9 m。地連墻厚度為1.2 m，墻底埋深43.6 m，嵌固深度為7.5 m。豎向設三道800 mm×1 200 mm混凝土支撐（支撐水平間距第一道為9 m，第二、三道為4.5 m）。

基底水下封底混凝土厚度為4 m，中間設置1 000 mm厚分倉墻，嵌固深度7.5 m，總長12 m。為防止封底混凝土與地連墻的界面滲水以及地連墻的幅間滲水，在封底混凝土頂部與墊層之間預留500 mm厚碎石層鋪設盲管及集水坑，以保證車站底板防水層的無水作業(yè)。標準段圍護結構支護見圖3。

為保證水下封底混凝土和地連墻共同抗浮，需保證二者之間有可靠的連接，為此在封底混凝土與圍護墻結合處設置抗剪槽。抗剪槽為預埋在地連墻內的凹形鋼板槽，通過焊接在主筋上進行固定，抗剪槽內填充泡沫板。當水下開挖完成后，采用刷壁器配合高壓水槍清除凹槽中的泡沫板和泥漿，并由潛水員進行輔助清理和檢查，以確保水下封底混凝土與地連墻的有效承載搭接。抗剪槽大樣圖見圖4。

考慮到坑內降水后坑內外水頭差較高，水下混凝土澆筑難以保證新舊混凝土結合均能滿足設計要求，封底混凝土與地連墻界面不可避免會出現滲漏，在界面處設置Φ42 mm@1 500 mm注漿鋼花管，以便在界面出現滲漏后補充注漿封堵處理。

施工步序見圖5，從第二步結束，即架設第三道支撐后進行水下開挖。具體施工程序描述如下：

第一步，施工圍擋，對場地進行整平，施工導墻、地下連續(xù)墻及墻頂冠梁，施工分倉墻并回填分倉墻上部空槽部分。

圖3 標準段圍護結構剖面圖

圖4 封底混凝土與地連墻節(jié)點大樣圖

第二步，基坑分別干開挖至第一到三道支撐，如施工過程中地下水位上升至第三道腰梁底部以上，應采取坑內降水措施以保證在無水的情況下施做腰梁及第三道支撐。

圖5 施工步序圖

第三步，采用水下開挖方式開挖至基坑底部，開挖過程中，當基坑分別開挖至每道抗剪槽底部500 mm時，應清理抗剪槽中的泡沫板及殘留泥渣，在開挖完成后應對地連墻及分倉墻的內壁進行清理，并采取有效的措施對清理效果進行檢測，以確保抗剪槽及墻壁的清理效果。

第四步，水下開挖完成后應對基坑底部的平整度進行檢測，達到設計要求后進行水下混凝土澆筑封底。全車站范圍的封底混凝土澆筑完畢并達到強度后，方可進行坑內抽排水，抽排水時應加強對圍護墻的監(jiān)測，當圍護墻的變形或內力達到橙色報警時，應立即停止抽水并向坑內回灌水體，及時通知各方到現場進行確認是否水上架設標準段第四道，盾構段第四/五道鋼支撐。坑內水體抽排完成后，清理坑底淤泥及浮渣，然后鋪設500 mm級配碎石層以及根據基坑滲漏水情況設置盲管及集水坑，以確保底板及防水層的無水作業(yè)環(huán)境。

第五步，施作墊層、防水層、底板、中板和側墻至第三道支撐底，待負三層中板達到強度后，拆除第三道支撐。

第六步，繼續(xù)施作防水層、各層中板和側墻至第二道支撐底，待負二層中板達到強度后，拆除第二道支撐。

第七步，繼續(xù)向上施工防水層，澆筑側墻、頂板，待頂板達到強度后，將第一道支撐拆除，施作壓頂梁膨脹混凝土。

第八步，鑿除地面下導塘，分層回填頂板覆土，回填碾壓密實度值為95%（重錘擊實標準），并埋設市政管線及恢復路面。

3.2 圍護結構計算

3.2.1 加固土等效模型

采用同濟啟明星深基坑支護結構分析計算軟件FRWS 4.0進行計算，用加固土模擬水下混凝土，由于工況和軟件功能的原因，需分別按開挖工況和回筑工況進行計算。兩種工況計算稿圖及計算機結果見圖6～圖9。

3.2.2 換撐等效模型

采用換撐等效模型模擬水下混凝土，具體方法同3.2.1。計算稿圖和計算結果見圖10和圖11。

根據兩個模型的計算結果，取內、外側最大內力結果進行配筋計算,地下連續(xù)墻厚度1 200 mm，內、外側縱筋均取為Φ32并筋，間距135 mm。

3.3 施工階段抗浮驗算

為避免大體積水下混凝土澆筑產生大量水化熱，導致水下混凝土出現裂縫或者空洞，基坑共分16倉進行封底混凝土澆筑施工，分倉內凈空尺寸為16.5 m×11.9 m。封底混凝土與地下連續(xù)墻設置兩道抗剪槽，每道抗剪槽高500 mm，深200 mm，中心間距1 500mm。

圖6 開挖工況計算簡圖

圖7 回筑工況計算簡圖

圖8 開挖工況計算結果

圖9 回筑工況計算結果

圖10 換撐模型計算簡圖

圖11 換撐模型計算結果

分倉墻頂至導墻底的空槽部分采用自凝灰漿墻回填，自凝灰漿墻的無側限抗壓強度不小于0.8 MPa，滲透系數不小于1×10-5cm/s。

水下開挖至分倉墻頂時應合理安排開挖順序，采用跳倉開挖及澆筑水下混凝土，待一倉水下封底混凝土的強度達到設計強度的85%時再開挖相鄰倉室。主體施工與常規(guī)明挖地鐵車站無異，待水下混凝土封底完成，具備無水作業(yè)條件，即可進行車站主體澆筑，無需進行分倉。

考慮到基底分成若干個獨立倉室，施工期間只需每個獨立倉室抗浮滿足要求，則水下封底混凝土整體抗浮均能滿足要求，施工階段抗浮按單個倉室進行驗算。施工階段抗浮穩(wěn)定性安全系數（Fd+Fq+Fw）/Ff=1.255 ＞ 1.05，滿足規(guī)范要求。其中：Ff為倉庫水浮力，Fd為水下封底混凝土自重，Fq為分倉墻自重，Fw為圍護墻自重。3.4 封底混凝土強度計算

采用Midas Gen軟件建立三維模型進行封底混凝土的內力計算，考慮到分倉墻為相鄰兩倉共用，單倉建模計算時分倉墻厚度取總厚度的一半，標準段水下封底混凝土板的支座反力見圖12，彎矩見圖13。

從內力圖可以看出，抗剪槽需提供的最大每延米剪力為486 kN/m，封底混凝土的每延米最大彎矩為1 260.3 kN·m/m。

根據《混凝土結構設計規(guī)范》6.3.3，不配置箍筋和彎起鋼筋的一般板類受彎構件，其斜截面受剪承載力應符合下列規(guī)定：

式中：

圖12 支座反力圖

圖13 封底混凝土每延米彎矩圖

V——每米寬度最大剪力的設計值，kN；

h0——截面有效高度，取1 000 mm；

βh——截面高度影響系數，當h0＜800 mm時，取800 mm；當h0＞2 000 mm時，取2 000 mm；

b——計算寬度，取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉強度設計值，N/mm2。

V=1.25×486=607.5 kN/m

0.7 βh·ft·b·h0=0.7 ×（800/1 000）×

0.25 ×1.57×1 000×1 000/1 000=1 039.37 kN/m。

V=607.5 kN/m＜1 039.37 kN/m，斜截面受剪承載力滿足規(guī)范要求。

根據《混凝土結構設計規(guī)范》附錄D.3.1，素混凝土受彎構件的受彎承載力應符合下列規(guī)定：

M=1 260.3× 1.25=1 575.4 kN·m

M=1 575.4 kN·m ＜ 3 876.03 kN·m，受彎承載力滿足規(guī)范要求。式中：

γ——截面抵抗矩塑性影響系數，取為1.201；

M——每米寬度最大彎矩的設計值，N·mm；

b——計算寬度，取1 000 mm；

fct——素混凝土軸心抗拉強度設計，N/mm2，按混凝土軸心抗拉強度設計值ft乘以系數0.55取用；

h——截面高度，mm。

根據CECS 137—2002《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規(guī)程》6.1.13條，水下封底混凝土的厚度按下式計算：

式中：

ht——水下封底混凝土厚度，mm；

M——每米寬度最大彎矩的設計值，N·mm；b——計算寬度，取1 000 mm；

ft——混凝土抗拉強度設計值，N/mm2；

hu——附加厚度，可取300mm。

封底混凝土所選取的厚度為4 000 mm＞3 341 mm，滿足規(guī)范要求。

4 施工難點及對策

水下開挖和水下混凝土封底技術常應用在平面尺寸較小的沉井工程中，在規(guī)模較大的地鐵工程中應用在國內還是首例，特別是施工方面尚無成熟經驗可循。通過分析，對施工難點及對策歸納如下：

（1）方案難點是地下連續(xù)墻施工質量、封水措施、混凝土封底質量及圍護結構變形控制。

（2）地鐵領域基坑水下開挖施工工藝不成熟，需通過現場試驗優(yōu)化施工工藝，提前做好水下開挖方法的試驗工作以確定設備選型及配置。水下開挖時，基坑內水位需高出坑外地下水位標高，并做好地下連續(xù)墻變形及內力監(jiān)測工作。

（3） 抗剪槽的施工效果對本方案的坑底抗浮影響較大，因此施工中，需重視對抗剪槽的清理效果，清理時應采用水下攝像或物探的方式對清理效果進行檢查。需組織具備水下剪力槽施工能力及經驗的隊伍施工，做好詳細的施工組織安排以及應急預案。

（4）由于多道分倉墻的實施，圍護墻與封底混凝土的界面較長，后期存在界面出現滲水的風險。應加強水下封底前地下連續(xù)墻界面清洗檢查工作，高度重視對圍護墻與封底混凝土間的截面刷壁清理效果，封底混凝土與連續(xù)墻界面如出現較嚴重的滲漏水，需及時對預埋的注漿管進行補充注漿。

（5）封底混凝土分倉澆筑為水下大體積混凝土澆筑，需施工單位做好現場的場地布置以及混凝土泵車的運輸組織，以保證每倉混凝土的一次性澆筑，另大體積混凝土澆筑后將產生較高的水化熱溫升，形成不均勻非穩(wěn)定溫度場，產生非均勻的溫度變形，溫度變形在下部結構和自身的約束之下將產生較大的溫度應力，溫度應力往往超過混凝土的抗拉強度，導致混凝土開裂。施工過程中需嚴格控制混凝土中膠凝材料水化熱總量以及混凝土拌合及澆筑溫度，以控制混凝土內外溫差產生的裂縫。

5 結語

通過對地鐵超深基坑水下混凝土封底設計及施工技術的分析研究，理論上該技術在地鐵超深基坑工程上應用基本可行，但在施工過程中還應高度重視試驗、科研和監(jiān)測工作的指導反饋作用，嚴格按應急預案要求做好應急準備，以保證施工質量和安全持續(xù)可控。

（1）為確保施工安全，除了需要監(jiān)控量測信息的及時反饋外，更應加強試驗及科研工作的投入。如：針對施工中存在較高風險或對工程質量有重大影響的施工工序技術攻關，通過試驗和虛擬建造等技術手段對關鍵施工工序進行預演，對施工效果進行預測，保證設計方案的成功實施。

（2）施工過程中應重點關注地鐵施工對周邊建筑物的影響，應充分利用信息化監(jiān)測成果指導施工，編制周全實用的應急預案并做好充分準備，保證施工過程中的事中可控和事后可調。

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On Underwater Concrete Bottom Sealing Technology in Subway Deep Foundation Pit Construction

LIU Jianwei，LU Zhiqiang，FU Bo，XU Yang，LIAO Jingyu

Underwater excavation and concrete bottom sealing technology in subway foundation pit construction is a key technical challenge.Taking the Yongding Gate Station project on Beijing subway Line 8 as an example，the reinforced soil and concrete support replacement are used to simulate underwater concrete bottom sealing for the retaining structure calculation，the anti-floating stability and bearing capacity checking for the sealing structure during construction period.According to the construction difficulties，specific measures are put forward to ensure the sustainable control of construction quality and safety.This research has good reference value and significance for future design and construction of similar projects.

subway；foundation pit；underwater concrete；underwater excavation；confined water

TU94+2：TU473.2

10.16037/j.1007-869x.2017.11.019

First-author′s address Ranken Railway Construction Group Co.,Ltd.，610046，Chengdu，China

2016-02-25）