富水砂層地鐵車站深基坑降水設計與施工技術研究

姜 皓 （中交隧道工程局有限公司，北京 100102）

0 前言

隨著社會的快速發展，地下空間也被充分地利用起來，地下工程的開發與建設正如火如荼地進行，其中，地下交通也成了城市發展中的關鍵之處，但地鐵軌道建設中的地理條件對工程安全性的影響也隨之暴露出來[1-2]。本工程的哈爾濱地鐵三號線地處富水砂層[3-4]，地鐵車站基坑深，水位高，四周緊鄰老舊的歷史建筑、住宅樓及商場，車流和人流密集，因此，如何制定深基坑降水方案及施工措施是本工程面臨的重大難題之一。

近年來，許多學者已經對地處富水砂層地鐵車站的深基坑地下水處理方案進行了缺陷量分析。智慧淵[5]和周紅波[6]等人通過分析基坑圍護結構地下連續墻的滲漏和涌沙涌水等事故的原因和后果，提出了針對性的防治措施，為相似的工程施工提供了參考。張瑾[7]通過分析上海市地鐵發生基坑滲漏的監測數據、變形規律等，得出了其變形原理，提出了相應的治理措施和建議。熊仲明等人[8]針對富水砂層地區盾構井加固問題，采用MJS工法樁進行加固，并數值模擬分析，結果表明，MJS樁在該工況下的應用效果較好，可應用在其他相似地區。張子新[9]和梁利[10]等人研究了MJS工法的技術背景、原理和施工參數等，結果表明，相對于傳統工法，MJS工法有效地實現對基坑和支護結構的加固，并大幅度地減少對周邊土體的擾動，值得類似重要工程借鑒和應用。王中兵[11]針對厚砂層導孔而孔壁不穩及易出現埋鉆等現象，提出了對MJS工法半圓樁作為地下連續墻外側的止水帷幕施工工法的改進措施，推動了MJS工法在較厚砂層或超深區域止水帷幕施工中的發展。

綜上所述，對于富水砂層地區圍護結構地連墻深基坑降水問題，本工程進行了相應的降水方案設計，并應用MJS工法樁處理地連墻接縫處地下水的滲漏問題，為相似的富水砂層施工設計提供參考。

1 工程簡介

1.1 工程概況

本工程以哈爾濱軌道交通3號線二期工程為項目背景，全長138m。其中靖宇五道街站位于道外區，位于靖宇街上，東西方向沿街布置。該車站位于松花江階地與松花江漫灘地貌單元上，地基土呈不均勻性分布，土壤性質差異明顯，地層富水性好，透水性強，地下水位高；車站四周建筑物分布緊密，人流、車流較為密集，周邊環境極其復雜。

本項目的深基坑采用蓋挖順作法施工，其開挖深度達到25.9m，其圍護結構由67幅地下連續墻和5道豎向支撐組成，其中地連墻厚度為800～1000mm，43-44m深；第一、三道混凝土支撐，其余用Φ609鋼支撐。地連墻兩側采用高壓旋噴樁做隔離樁，在基坑范圍內平均分布兩排大口井點，從而實現坑內降水。車站結構范圍圖如圖1所示。

圖1 車站結構范圍圖

1.2 水文地質條件

本工程位于松花江漫灘，地下水埋藏淺，含水量豐富。其中，地下水主要為孔隙潛水及孔隙承壓水。孔隙潛水初見水位埋深較淺，主要賦存于第四系全新統沖積層中（2-4）層中砂、（2-4-1）層礫砂、（2-4-3）層粉砂中，該處的含水層厚度約為17m，隔水時的黏土為（7-1）層黏土；下部孔隙內承壓水埋深較深，主要賦存于第四系下更新統東深井組冰水堆積層中（7-1-2）層粉砂、（7-1-3）層中砂、（7-2）層中砂、（7-2-1）層礫砂、（7-2-3）層粉砂層中；另外，場地底部的基巖內還會儲備一些小塊的基巖裂隙水。場區各土層滲透系數見表1。

土層滲透系數 表1

2 地下水控制重難點分析

本工程位于松花江漫灘區，地層多為富水砂層，具有透水性好、地下水位高等特點，且基坑較深、水頭大，如何控制地下水是該工程面臨的主要問題。故對本工程降水難點進行分析總結，結果如下：

①基坑北側緊鄰松花江，松花江增強了基坑地下水的滲漏，加大了深基坑降水的難度，此外，基坑降水井較深、單井的出水量大，故如何設計降水井的井深、間距、井徑等參數保證基坑降水效果是本工程的難點；

②由于采取坑內降水，故基坑開挖后基坑內外水頭差大，而且地層多為富水砂層，地下水補給充分，水力聯系緊密，基坑降水相對困難，一旦地連墻接縫位置止水效果不佳，在外部水頭壓力作用下，地下水將攜砂土顆粒流入基坑，造成土體損失，導致基坑變形，甚至發生基坑滲流、突涌等災害；

③本工程周邊環境復雜，周邊建（構）筑物距離基坑最近約1.96m，基坑降水容易導致周邊建筑產生不均勻沉降[8]，降水過程中如何有效地控制降水對周邊環境的影響并應對基坑圍護結構滲漏也是本工程的重點和難點。

3 基坑降水設計

3.1 基坑涌水量估算

本工程基坑降水主要針對的是第四系孔隙潛水和底部承壓水，由于基底相對隔水層較薄弱，底部承壓水易引起基坑突涌，必須進行減壓降水。基坑涌水量的計算公式見式1和式2。

經計算可知，本工程潛水總涌水量為20592.4m3/d，承壓水總涌水量為10412.3m3/d，基坑涌水量大，地下水對施工有很大影響。

3.2 降水井深度及單井出水能力計算

通過基坑底部的深度、降水的深度、含水層的埋藏分布、地下水類型、降水井設備以及降水期間的地下水情況等，可計算降水井深度，計算公式見式3，單井涌水量計算公式見式4。

經計算可知，標準段降水井深度約34.9m，端頭段降水井深度約35.4m，單井用水量為1664.5m3/d。

由于地層差異性和成井質量均會影響基坑實際出水量，同時結合現場抽水試驗結果，考慮群井抽水的影響，本工程設計單井涌水量取為1400m3/d。

3.3 降水井數目計算

①單井出水數

經計算在基坑內部需要設置的降水井數為27口。

②坑內疏干降水深井數

其中，a為單井有效疏干面積，根據本工程的地質條件，取為200m2。經計算可得，坑內疏干降水深井數為18口。

結合3號線二期類似車站多次發生止水帷幕漏水的現狀，為確保本工程的降水順利，故降水井數目取19口。

4 MJS工法接縫止水方案

本工程的靖宇五道街站處于全線環境風險最高的區段，鄰近松花江富水砂層地質，圍護結構地連墻極易發生涌水涌砂質量事故，且大部分涌水涌砂發生于地連墻接縫位置。因此，提高接縫止水質量至關重要。根據以往施工經驗，本工程采用單根大直徑半圓形MJS樁替代三根“品”字型常規旋噴樁，力求增大加固體截面積的同時提高成樁質量。

4.1 MJS工法簡介

MJS（Metro Jet System）工法，是在高壓噴射注漿法的基礎上，通過特別的多孔管和前端強制吸漿設備，在孔內強制排漿，有效進行基坑底部排泥和控制基坑壓力[9]，避免在施工過程中產生地表變形，如圖2所示。與原有的高壓噴射工藝對比可知，MJS工法能有效控制地內應力，同時在較深地層下能保證旋噴樁樁徑，確保加固樁體質量[8]。此外，MJS工法能夠明顯減小對周邊環境的擾動，避免出現擠土效應，有效避免施工中的地面的變形、周邊建筑產生裂縫和發生微小位移等情況。

圖2 MJS工法與傳統旋噴工藝對比示意圖

4.2 MJS工法施工方案

4.2.1 MJS設計方案

本工程靖宇五道街站地連墻外側采用Φ800@550旋噴樁槽壁加固，旋噴樁外放量200～300mm，加固范圍的地連墻接縫處MJS樁的施工步驟：①地連墻的接縫位置均打入1根直徑為2000 mm的MJS樁，樁長37m，樁中心距地連墻的外邊線600mm，在旋噴樁位置引孔，通過180°噴射完成樁體切割，從而得到半圓形樁體；②為確保順利下鉆，先進行引孔并下放護筒，引孔深度為39m，樁體噴射范圍為地下2～39m。非加固處地連墻接縫MJS實施方案與加固處的區別之處：MJS樁中心偏移地連墻外線700mm。MJS樁布置圖如圖3所示。

圖3 MJS樁布置圖

4.2.2 MJS施工流程

MJS施工工藝如圖4所示。重點控制質量的措施有：①在下放和提升MJS樁時，使螺桿勻速轉動，下鉆和提升保持速度不變；②嚴格按照要求進行水泥漿配比，為防止漿液離析，水泥漿放置時間最長不多于2h；③使用定位卡，以確保樁位的準確性和垂直度，在進行引孔和鉆孔時，需時刻調整樁機水平，以免由于施工過程中的機械對土體產生振動或地面的濕陷而使鉆孔的垂直度產生過大誤差；④選用直徑Φ150mm引孔進行成孔，以便安放注漿管，巖芯管的長度至少為2.0m。通過砂層時，采用濃泥漿護壁成孔，必要時使用套管進行護壁，避免孔洞塌陷。

圖4 MJS施工工藝流程圖

4.2.3 MJS施工難點及處理措施

①本工程周圍環境較多樣，道路交通繁忙，基坑與周邊建筑物距離較近，基坑的開挖等級為一級，保護要求高。

處理措施：施工前，進行試樁；施工過程中嚴格控制地內壓力，以確保倒吸泥漿管道的通暢；局部采用跳孔施工，避免連續性施工時局部區域產生較大的應力集中現象。

②MJS施工區域距離周邊建筑物過近，且為已施工高壓旋噴槽壁加固區域。

處理措施：地下2m不進行噴漿作業，以防止地表因地下壓力變化而隆起；采用專用引孔設備WD112E型機，并結合直徑達Φ220的鋼套管進行引孔，引孔垂直度高，具體施工設備如圖5所示。

圖5 定位照片及鉆機引孔設備

5 結論

本文以哈爾濱市軌道交通3號線靖宇五道街站為背景，介紹了富水砂層條件下基坑降水方案、施工工藝及質量控制重難點等，可有效地保證基坑降水的安全性，得到的結論如下：

①本工程的靖宇五道街站分布在松花江階地和松花江漫灘地貌單元上，基坑處于富水砂層，周邊環境復雜，依據施工組織設計的要求應進行平整現場、疏散交通，并秉持“先地下、后地上”的準則，做好地上和地下水、電力、通訊等管線的鋪設工作；

②本工程采用止水帷幕+管井降水+明排的方式控制地下水，通過計算基坑涌水量，設計了降水井數目、水泵型號和降水井布置方式，保證了基坑內部降水安全；

③本工程采用MJS工法，進行基坑圍護地連墻接縫處止水處理，能有效控制由于噴射攪拌而產生的地表塌陷、鼓起等現象，大幅度減小對周邊土體的擾動。