復雜工況下的深大基坑干槽水治理方案比選與實施

徐艷紅 XU Yan-hong

（中鐵二十一局集團有限公司，蘭州730070）

1 工程概況

北京地鐵新草區間1#風井，長38m，寬23.7m，深度29.427m，結構為地下四層（含地面夾層）。1#風井位于綠地內。1#風井圍護結構外部為鋼筋混凝土水下灌注樁圍護樁，基坑內側采用鋼圍檁和鋼支撐，基底入水約5.5m，含水層為卵石⑦層、卵石⑨層，設計采用基坑周邊施工降水井的降水方案。盾構區間施工在風井過站。

1#風井詳細勘察現場鉆探期間揭示，地下60.0m內共監測到一處地下水，地下水類型為層間潛水～承壓水（四）：層間潛水主要含水層為卵石圓礫⑦層及卵石圓礫⑨層、粉細砂⑨2層等地層。局部地段卵石圓礫⑨層和粉細砂⑨2層受隔水層粉質黏土⑧層的影響，水略具承壓性，承壓水頭最大2.50m。1#風井在圍護結構施工完成、降水工程施工完成，土方開挖接近水位的情況下，應北京市水資源保護政策要求，停止降水，放棄坑外降水的干槽水治理措施，全面研究注漿封閉止水、冷凍封閉止水法、帶水作業的水下開挖等不降水的干槽水的水治理方案。1#風井在基坑開挖接近水位時，將基底進行鋼筋混凝土臨時封閉，進行止水方案研究。

2 堵水方案比選

1#風井基坑土方開挖至水位標高，深度約23.93m，實測初始水位23.93m深，水位和目前基坑開挖面持平，基坑底入水5.497m，含水層為卵石⑦、卵石⑨，水具有承壓性，承壓水頭最大2.50m。

明挖基坑的干槽水治理的設計方案有很多，且比較成熟，如：地連墻+坑內降水，圍護樁+咬合樁+坑內降水，圍護樁+坑外降水等等，但很多都涉及降水且降水量很大，尋求一種降水量少或者沒有的干槽水治理方案較為困難且工藝不成熟。

1#風井設計方案為圍護樁+坑外降水，由于水資源保護政策影響，在1#風井在圍護結構施工完成、降水工程施工完成，土方開挖接近水位的情況下尋求堵水方案，屬于特例。綜合目前較為成熟的非降水類干槽水治理方案經驗先例，和經驗豐富的堵水單位共同研究，綜合注漿堵水、冷凍堵水、水下開挖封底等。尋求一種適合1#風井工況的堵水方案，保證施工安全、堵水質量、和達到節約成本的目的。經研究形成如下有效方案：

方案一：坑內全斷面注漿堵水法（見圖1）。

圖1 坑內全斷面注漿堵水法示意

①同方案一。②注漿止水封閉范圍及漿液：基坑周邊圍護樁外側延伸3m，深度為基坑底板底部往下3m范圍內。注漿止水漿液為水泥水玻璃漿液、磷酸化學漿液配合使用。基坑底部和基坑圍護樁樁間采用預埋疏排管的方式進行真空降水。③優缺點分析：造價方面：坑內四周注漿，注漿體積較小，總體費用低；實施安全風險方面：坑內四周注漿坑內疏干排水量較大，達到無水作業可能困難，實施成功性存在較大風險。

方案三：坑內盆式注漿堵水法（見圖2）

圖2 坑內盆式注漿堵水法示意

①同方案一、二。②注漿堵水范圍及漿液：側壁注漿范圍：基坑周邊圍護樁外側延伸3m內為注漿范圍，封閉基坑側壁周邊。基坑底部往下1m預留為隔水層（作為底部積水疏排使用），基坑底部以下1m到6m范圍注漿，注漿厚度合計為5m，用來封閉基坑底部。③優缺點分析：造價方面：坑內盆式土體注漿堵水，注漿體積較小，總體費用適中；實施安全風險方面：基坑注漿體封閉，形成有效干槽水空間，并預留坑內積水疏干條件，實施較為簡單，安全性高。

方案四：落地式冷凍帷幕堵水法

①同方案一、二、三；②凍結范圍及參數：在圍護樁的外側2m處，布置間距為1.2m（共計116顆），深度為50m（施工至巖層），凍結半徑為1m，下放凍結管進行帷幕凍結施工，全部結構（含壓頂梁）施工完成后解除冷凍。③優缺點分析：造價方面：落地式冷凍帷幕堵水法凍結土體大，冷凍時間長，費用高；實施安全風險方面：基坑凍結體封閉，形成有效帷幕堵水空間，一旦凍結完成，滲漏水風險很小，但冷凍孔的施工深度很大，約50m，地層為大直徑砂卵石地層，存在漂石，結合冷凍孔間距1.2m，有效冷凍半徑1m，對施工的垂直度要求很高，孔深較深，斷鉆桿導致廢孔的風險大，同時凍結過程也可能存在爆管的風險，存在停電的風險，凍結必須至全部結構施工結束完成，凍結周期相對較長，亂石地層中施工垂直度較難保證，一旦冷凍孔凍結影響范圍不存在交集，冷凍體存在漏洞，開挖過程中地下水涌入基坑，補救措施少，存在較大安全風險。

組織地鐵施工經驗豐富的專家對四種堵水方案的技術可行性、安全風險性、經濟型進行必選和論證，對堵水控制范圍及特點進行綜合分析，最終一致認為方案三（坑內盆式注漿堵水法）技術成熟、可行性高，補救措施多、安全風險低，注漿體積小、成本低，并最終確定此方案。

3 坑內盆式注漿堵水方案深化

為保證坑內盆式注漿堵水法最終的實施效果，從基底封閉、注漿體厚度、注漿孔布置、鉆孔設備選型、注漿工藝、漿液配置、效果檢驗等幾個方面進行優化。

3.1 1#風井基底封閉（見圖3）

圖3 1#風井基底封閉示意

對基底進行有效封閉，防止漿液在砂卵石地層中沿注漿孔向上竄出，影響效果。①基坑回填2m粘土并夯實作為注漿隔水層，保證注漿壓力和防止漿液滲流；②基坑封底采用鋼筋混凝土，厚度為300mm，混凝土強度為C20。用直徑12mm鋼筋，做成網格橫縱為150mm的鋼筋網片，抵抗注漿壓力，防止壓力過大，造成漏漿。

共線向量定理：共線的的向量可選擇其中一個非零向量為基向量，用它可以表示共線的任一向量,即若b∥a，且a≠0，則有且只有一個實數λ，使b=λ a.

3.2 注漿體厚度

合理的注漿厚度的設計是盆式注漿體起到安全穩定、達到無水作業的保障。

主要考慮風井底部土體的抗浮設計和土體的抗滲設計。①風井底部土體的抗浮設計。風井注漿體抗浮設計參考地下地鐵車站抗浮設計規范要求，保證注漿后開挖風井不會上浮。安全系數考慮不計側壁摩阻力，取1.05。

按照靜力公式γH=kγwh

式中：H——豎井開挖后注漿體底部厚度m；γ——注漿體重度，取23kN/m3；γw——水重度，取10kN/m3；k——安全系數，取1.05；h——水位高于注漿體底板高度。

按5.0m水位高度計算，考慮抗浮驗算如下：23H=1.05*10*（5.0+H）m則經過計算H=4.2m。即滿足抗浮要求的注漿體厚度H為4.2m。根據以往項目的經驗，綜合考慮注漿體厚度定為5.0m。

②抗滲設計。根據以往砂卵石經驗，注漿體2m厚度能抵抗1m水壓，每增加5m水壓，注漿體厚度增加0.5m，同時考慮水具有承壓性，承壓水頭最大2.5m。根據經驗最終確定側壁注漿體厚度為基坑外側樁皮以外3m。

3.3 注漿孔布置（見圖4）

圖4 注漿孔布置圖示意

綜合考慮保證注漿效果和砂卵石地層因素，注漿擴散半徑確定按600mm，并根據注漿試驗核實、調整。基坑內孔位布置：豎向布孔，孔間距沿縱向800mm，橫向間距800mm，各排縱向錯開400mm，梅花形布置，孔位距離圍護結構內邊為400m/800mm。基坑外側注漿布孔：每樁間設置1個注漿斷面，每注漿斷面布置6個斜孔（2°、7°、11°、20°、31°和46°），角部設置2個注漿斷面。

3.4 鉆孔設備選型

砂卵石含量在75%左右的地層，且有一定的概率存在漂石，鉆孔的成功率是實現注漿體的第一步。為保證鉆孔的成功率，采用潛孔錘的鉆孔工藝。配置一臺75m3的空壓機與先進的履帶式液壓沖擊型鉆機HDL—80A。

3.5 注漿工藝

注漿施工采用多個注漿管同時注漿的工藝進行施工，此工藝配置注入前端特殊裝置實現漿液在進入地層前不混合；采用先鉆后注、多管（3-5個管同時注漿）同步注漿保證注漿效果；采用精確的注漿壓力控制設備和注漿量跟蹤顯示設備，壓力和注漿量雙控保證注漿效果。同時采用了在混合器設備上安裝雙液混合器、止回器、改良的注入噴射器等，克服了漿液混合不均勻、容易堵管等缺點，保證注漿的流暢和注漿體的質量。

3.6 漿液配置

漿液配置具體如下：A液水泥漿：水泥采用普通硅酸鹽水泥，摻加無收縮灌漿劑和高效分散劑。B液水玻璃液：采用42波美度的水玻璃，摻加添加劑硫酸銅、明礬等。C液磷酸液：作為速凝劑使用。注漿施工時正常采用A液水泥漿和B液水玻璃液，如果漿液流出采用B液水玻璃液和C液磷酸液。B液水玻璃液和C液磷酸液的膠凝時間控制在2～10s，A液水泥漿液與B水玻璃液的30～90s。雙重管后退式注漿時，注漿壓力達到0.8～1.0MPa時，雙重管往上提0.1～0.2m后，繼續注漿。

3.7 注漿工法優勢綜述

多管同步注漿止水施工實現了以下優點：①工法采用鉆注分離、流水作業施工效率高。②工法采用新型注漿材料及工藝，解決了傳統注漿工藝難以解決的跑漿、冒漿和注漿范圍難以控制的問題。③結合該工法自主研發的多功能履帶式液壓鉆機具有體積小、扭矩大、定位方便、可行走等優點，尤其在砂卵石地層中可以很大的提高成孔效率。④采用精確控制壓力、流量的多管同步注漿設備和工藝，可實現一次同時注3～5個孔，可以精確控制凝結時間和漿液擴散的有效范圍。⑤可實現注漿漿液凝結時間從2-60s內的自由調整。

3.8 注漿效果驗證

為注漿效果采取的措施：①首次檢查。待注漿完成后，需在風井內部打設疏干井將井內部的水疏干，并觀察井內的水位上升速度判斷注漿效果。②開挖探溝檢查。注漿完成后，沿基坑周邊圍護樁內側距離圍護樁1.2m處開挖探溝，探溝寬度為1.2m、深度為1.2m，開挖后24內觀察坑底和坑壁滲漏水情況，根據滲漏水情況判斷注漿效果。判斷注漿效果是否滿足開挖條件，是否需要補充注漿。③注漿過程中保護原有降水井不被填充破壞，并作為應急使用。

4 注漿方案實施

多管同步注漿止水施工，需嚴格按照施工步序，保證每個步序的施工質量，最終保證注漿體效果。①鉆孔。采用HDL-80鉆機，配置直徑φ95mm的鉆頭、φ89mm的鉆桿，保證鉆孔角度后施工。②下雙重管。鉆孔完成后，安裝雙重管時需注意檢查密封圈、加蓋以防止堵管。在雙重管前端安裝特制裝置，保證雙液漿攪拌均勻。③安設拔管器。注漿采用后退式注漿工藝，多個拔管器同時安裝、同時注漿、同時提升，漿液形成整體擠密效果，提高注漿效果好和效率，保證施工質量，加快進度。④注漿。注漿時一定要配備流量計，在注漿過程中觀察壓力和流量變化，實時調整漿液凝固時間和漿液種類，達到最佳擴散半徑，防止漿液流失，達到有效控制漿液擴散范圍。

5 堵水效果分析

根據開挖過程效果看，基坑底部無滲漏水，只有少數部位側壁存在不同程度的滲、漏和涌水，漏水部位已通過二次注漿進行封堵，最終達到整個開挖面無水作業效果。

6 結束語

北京市水資源現狀：有計算表明，目前北京水資源儲量為18.27億立方米，外地入境水資源19.15億立方米，合計北京水資源總量為年37.42億立方米，人均擁有366.8立方米／年，僅占全國平均值的13.8%，在世界120個國家的首都中居百位之后。北京地表水出境水量經多年觀測約占年降水總量的14.28%，即為14.38億立方，各種損耗為3.32億立方米，因此北京水資源為實際可用水量僅為19.72億立方米。所以北京是一座水資源嚴重短缺的城市。

北京地鐵建設規模：到2020年，北京地鐵將形成線網由30條運營，總長1177公里的的軌道交通網絡。

北京地鐵多為地下工程，地下工程的建設勢必會對北京市水資源造成影響。目前北京地鐵施工比較成熟和適用的工藝多為降水和抽排，為最大程度的減少施工對地下水資源的影響，需要尋求更多的更加成熟工藝和方法，同時做到保證工程的安全作業，又要降低建設成本。