地鐵施工中深基坑涌水分析和處理措施研究

郭 水

(北京市政建設集團有限責任公司，北京 100089)

0 引言

近年來，隨著工業化、城市化進程的推進，我國在地下空間開發利用方面有了長足的發展，特別是以城市地下道路、綜合管廊、地下商業、地下車站等為主導的城市地下空間開發進入到快速增長階段。

明挖法是地下空間施工中的施工技術，例如城市地下工程及高層建筑的地下室工程，以明挖法為主。明挖法以其獨特的優點被廣泛地應用于地下工程施工建設當中，明挖基坑由于受地質、水文條件影響較大，存在著大量不可預見的施工質量影響因素。本文結合北京某標段地下工程，闡述了在承壓水地層中，明挖法基坑施工過程中突發涌水時的處理措施。

本工程位于北京市通州區，明挖區間基坑位于待開發的土地內，施工環境較好。基坑總長度159.6 m，主要包含以下特點：1)基坑寬度較寬：標準段寬度為35.8 m；2)基坑深度較深：標準段深度22.49 m；3)基坑內設置2排格構柱，格構柱間距10.8 m。圍護結構采用地下連續墻+內支撐形式，地下連續墻厚度800 mm，C30混凝土，地下連續墻之間采用工字鋼接頭。地連墻標準段墻深為28 m，墻底進入基坑底面下⑦-4粉質黏土層約為0.36 m～2.2 m。

內支撐體系采用豎向4道撐，第一、二、四道采用φ609×16 mm鋼管撐；第三道采用φ800×20 mm鋼管撐(斜撐第三道、四道φ800×20 mm鋼管撐)，除第一道撐水平間距6 m，其余間距3 m；基坑內中間設兩道臨時格構柱，縱向間距6 m，臨時立柱下為樁基礎，直徑1.2 m，長8 m。

土方開挖情況：基坑土方開挖嚴格按照“縱向分段、豎向分層、中部拉槽、先撐后挖、隨挖隨支”的原則進行。開挖主要以機械化作業進行開挖，每層土方開挖至鋼支撐標高下500 mm時安裝鋼支撐，安裝時間不得超過24 h，并施加預應力。中部拉槽土方開挖時，縱向分段長度不大于8 m，段間土坡比不大于1∶1，豎向分層的高度不大于6 m，中拉槽兩側的土臺頂面寬度不小于2 m，放坡比不大于1∶1。

工程地質水文情況：基坑開挖范圍內地層以素填土、砂質粉土、黏質粉土、粉細砂層為主[1]；地下水為潛水(二)、層間潛水～承壓水(三)、承壓水(四)、承壓水(五)，實測承壓水(五)細砂層水頭標高為12.5 m，承壓水(五)的測壓水位位于結構底板以上約9 m。

地下連續墻施工情況：地下連續墻施工采用成槽機一槽三抓法施工，泥漿護壁，成槽后及時進行清孔和刷接頭，然后進行鋼筋籠下放和混凝土澆筑，鋼筋籠下放完成至混凝土開始澆筑時間間隔不超過4 h，混凝土澆筑過程中未發生中斷及下雨現象。基坑土方開挖前采用聲波透射法進行地連墻樁身完整性檢測，檢測結果合格。

1 基坑的滲流穩定分析

基坑底部的滲流穩定性計算，包括以下三個方面：

1)當基坑底上部為不透水層，而基底下的透水層中有承壓水時，應進行抗突涌和流土穩定性計算，保證透水層頂板以上到基坑底部之間土體重量大于水的浮托力Pw，安全系數為：

K=(γsat)/pw·t

(1)

其中，γsat為土的飽和重力密度，本工程取γsat=20 kN/m3；t為透水層頂板到坑底的厚度，t=7.75 m(承壓水(五))；pw為承壓水的浮托力，kN，pw=γhw，hw為透水層頂板以上的水頭，m。一般要求K≥1.1～1.2。

pw=γhw=10 kN/m3×11.6 m=116 kN/m2。

K=(γsat)/pw·t=20 kN/m3×7.75 m/116 kN/m2=1.34≥1.1～1.2，滿足要求。

2)當坑底以下為粉土和砂土時，需驗算抗管涌穩定性，使該地基的滲透比降i小于該地層的允許滲透比降[i]。通常粉細砂地基約為[i]=0.2～0.3。

3)當基坑底部以下地基為黏性土與砂土層互層時，應進行上面兩項滲流穩定核算，特別是當黏性土很薄時，應當核算該層土的滲透比降是否滿足要求。在多數情況下，應把滲流計算出來的hd作為基坑地連墻入土(巖)深度的最小限值，以保證基坑不會發生滲透破壞事故。

2 涌水處理原則

明挖基坑施工過程中出現涌水情況時，首先確認涌水位置、涌水范圍；根據現場實際涌水量，判斷涌水事故嚴重程度；及時掌握基坑內外地下水位變化情況，采取有效措施保證基坑安全穩定。

當涌水量較小，僅浸濕坑底表面土層，且未出現明顯水流時，可根據現場水位情況，停止施工，采取坑內回填反壓措施，控制初期涌水。

當涌水量較大，開挖面出現明顯水流溢出時，立即停止施工，涌水范圍內全部進行回填反壓(回填高度至頂層不溢水)，加大降水力度，采取基坑降水明排措施。

當涌水量非常大，坑內土層出現水坑，且地下水不停向上翻涌時，立即停止施工，在涌水范圍外加設堵水圍堰，坑內采用碎石材料進場濾水反壓，圍堰內加設抽水泵進行抽水，基坑內外降水井增大降水功率，坑外增設減壓井降低承壓水水頭，將地下水位控制在基坑底面以下1 m。

初期涌水得到有效控制之后，及時對涌水原因進行分析，對涌水部位進行注漿加固等處理措施，保證基坑安全穩定。

3 涌水發生及原因分析

3.1 涌水事故發生

根據基坑監測數據及施工資料顯示，明挖區間開挖至距基底80 cm左右，現場在清理槽底土過程時，發生涌水現象，出現涌水基坑內的4道支撐已按設計圖紙架設完畢，實測承壓水(五)水位標高12 m，由于初期涌水量非常大，出現4個涌水點，施工現場立即啟動應急預案，停止土方開挖并回填超挖土方，采用級配砂石進行濾水反壓，并在周圍設置攔水圍堰，根據涌水量調集4臺水泵進行抽水外排，加強基坑巡視、監測頻率，檢查鋼支撐軸力變化，待坑內涌水水頭穩定后，砂土流失造成地面沉降外側采用注漿填充,如圖1所示。

基坑發出涌水時基坑監測數據為：墻體最大位移26.53 mm，位于墻體h=15 m處；地表最大沉降為-25.55 mm。

3.2 基坑涌水原因分析

經過查閱地質資料以及根據多年的施工經驗總結出涌水問題的原因如下：

1)基坑開挖范圍內地質情況主要各層呈互層狀分布，存在透鏡體夾層，地質條件復雜。開挖范圍內富含多層地下水，且比詳勘時水位普遍抬升，地下水位高。涌水發生后，對區間地質水文情況進行補勘，實測承壓水(五)水頭標高12.5 m比詳勘水頭標高8.8 m上升3.7 m，水頭壓力增大。

2)基坑涌水初步判斷水頭增大、隔水層有起伏突變造成坑外水繞過地連墻從基坑內涌出。

3)在這種地質條件下，地下連續墻設計嵌固深度不足。

4)基坑圍護結構地下連續墻接頭形式為工字鋼接頭，接頭處無加固、防滲水設計，在地質條件復雜的富水砂層地區易出現墻體接縫處滲漏水現象。

結合工程實際情況，此次涌水問題發生的主要原因在于地下連續墻設計深度不足，墻底未嵌入隔水層或嵌入深度過小，導致地下水繞過墻底進入基坑。

盾構井段基坑較深，地層情況復雜，存在地質斷層，地連墻設計時根據初勘地質情況及水位進行設計，墻底嵌入隔水層僅2 m左右，隔水層⑦-4粉質黏土層較薄。工程施工階段，地下水水位上漲3.7 m，透水層頂板以上到基坑底部之間的土體重量不足以抵抗水的浮托力，且地層存在局部斷層現象，最終導致基坑發生涌水。

4 涌水處理方案

以地下工程實際情況為依據，根據分析意見，基坑坑底涌水主要處理方法可歸納為基坑內外側同時處理，即基坑內側堵水、排水、地層加固，基坑外側降水、隔水、加強觀測[2]。

4.1 初期涌水控制

對于高承壓水下基坑涌水現象，在涌水初期首先要控制基底砂土的流失，發生涌水時，立即停止施工，將超挖土方回填至原位置，采用粒料砂石或無紡布水泥袋等材料進行濾水反壓，削弱涌水流量(必要時可用低標號混凝土回填)；然后在涌水區域外圍設置一道攔水土壩，土壩高度需高于涌水液面1 m以上，防止涌出的水擴散至基坑其他位置；最后控制土壩內涌水液面穩定不上漲，現場根據實際涌水量大小，設置多臺水泵進行抽水作業，防止事態進一步擴大。阻水控制如圖2所示。

4.2 基底土體加固

由于涌水造成基底土體流失、松散，高水頭壓力下開挖仍具有較大的風險，為保證基坑開挖順利進行，需進行坑內土體加固處理。

在開挖至基底以上1.5 m后進行基底土體加固。加固范圍為涌水區域的地下連續墻內側，將突涌對墻體根部可能造成的擾動部分進行加固，加固部分形狀為“L”形，長度為13.6 m，寬度為2 m。

注漿范圍內采用速凝的漿液即A液(水泥漿采用普通硅酸鹽P.O42.5水泥,配合比為水∶水泥=1∶1)和B液(水玻璃采用濃度42 Be′，配合比為水玻璃=1∶1)及C液(速凝劑)的混合漿液注入地層[3]。注漿壓力:注漿終壓為0.8 MPa～1.0 MPa。擴散半徑:漿液擴散半徑為500 mm。注漿加固范圍如圖3所示。

4.3 減壓降水措施

由于承壓水水頭較詳勘時高，坑內土體厚度不足以抵抗來自基底的水壓力，從而造成涌水現象。基坑外減壓降水是防止基坑涌水問題最有效的措施之一，根據工程水文、地質條件及減壓降水深度，計算基坑涌水量(見表1)，確定減壓降水井數量及布置方式。

表1 涌水量計算參數表

根據基坑涌水量確定減壓降水井需配備24眼，在東西兩側應急設置，設計井深均為37.0 m，穿過⑦-2細砂層進入⑦-4粉質黏土層，井間距6.0 m，降水井均采用無砂混凝土濾管井，降水井上部5 m用黏土封填，下部32 m用1 mm～3 mm濾料填充，具體布置如圖4所示。

4.4 坑外補充注漿

基坑內涌水量較大，導致圍護結構外側土體松散，局部出現空洞，硬化地面出現不同程度的沉降，為保證下一步施工正常進行，需進行地面補充注漿加固。

在涌水位置外側，基坑周邊上打設注漿孔，通過地面注漿孔向圍護結構外側土體進行注漿加固，此部分與坑內土體注漿加固同步進行，注漿時要保證漿液擴散充分，注漿壓力不得過大，注漿終壓控制在0.8 MPa～1.0 MPa，防止因注漿壓力過大造成地下連續墻位移或開裂。

4.5 支撐軸力補加

對涌水區域周圍的地下連續墻鋼支撐體系節點進行系統的檢查，檢查區域內外格構柱、連系梁的位移變化情況，對連接關鍵位置進行焊接補強。

4.6 打設觀測井

在基坑南北兩側分別打設一眼水位觀測井，加強基坑周邊的水位觀測，委派專職人員每天三次對水位情況進行觀測，隨時掌握地下水位變化情況，收集整理水位觀測數據作為基坑穩定的一項重要依據。

5 基坑監測

涌水發生后立即安排監測小組對基坑及硬化路面進行監測，主要監測項目包括：地下連續墻傾斜狀況、地下連續墻墻頂位移、鋼支撐軸力變化、硬化路面沉降、基坑內外觀測井水位變化情況等內容，施工過程中加強監控量測及現場巡視，并及時對監測數據進行分析，各項數據均處于穩定狀態且滿足設計允許范圍內，基坑及周邊路面處于安全可控狀態[4-5]。

6 結語

根據進一步基坑監測數據顯示，經過涌水處理后，基坑涌水現象得到迅速緩解，并為后續施工創造了有利條件。基坑涌水處理要注重對圍護結構內外側同時進行處理，采取多項處理措施，并保證每項處理措施均得到切實有效的落實，堵水、排水、加固、降水相結合，共同保證基坑施工的安全質量。

對于深基坑來說，宜首先采用地下連續墻做支護，深基坑主要防滲的預控措施有：

1)結構底部加長。

2)底部或在坑外(內)側采用水泥帷幕灌漿或高壓噴射灌漿(土層)。

3)坑內降水(承壓水或潛水)。

4)坑外降水(承壓水或潛水)。

5)基坑坑底加固(高壓旋噴灌漿或水泥攪拌樁)。

另外地連墻作為支護結構時，其結構強度(配筋)所需要的入土深度常常較小，所以為了防滲需要而接長的那段外，一般不必配置鋼筋。

對于解決基坑涌水問題需從多方面入手，在勘察階段要保證勘查數據的準確性，并在地層復雜區域加密勘察點；在設計階段需要充分考慮隔水層厚度與地下水水頭高度，保證地連墻嵌入隔水層深度滿足要求；在施工階段要嚴格按照規定進行開挖，不得超挖，及時記錄地層實際情況，發現問題，及時處理。基坑發生涌水時，若不及時進行有效處理，輕則致使基坑浸水，影響地基強度，重則造成基坑坍塌，危及人員生命安全并造成重大經濟損失。

本次基坑涌水處理過程中采取的各項處理措施及時有效，為解決高承壓水下深基坑開挖涌水問題處理提供了依據，在地下工程明挖基坑施工過程中起到了較好的效果。