地铁深基坑基底涌水涌砂控制施工技术

时间：2024-04-25

冯亚辉

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司湖北武汉 430074

地铁工程是城市建设中的一个重要方面，一般都位于城市的中心。深基坑工程一般位于建筑物和各种管道相对密集的地区，深基坑工程的施工环境相对复杂，深基坑施工时如果不能采取有效的措施降低对周边环境的影响，尤其基底发生涌水涌砂险情时如不及时采取有效控制措施，很容易引起深基坑周边管线断裂，周边建筑物开裂，地面坍塌等事故，给整个地铁工程建设带来很大的负面影响，社会影响恶劣。为了保证地铁结构工程的安全实施，在施工过程中一旦发生基底涌水涌砂，采取科学有效的方法及时进行控制尤为重要。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

太原市轨道交通2号线一期工程长风街站，位于长治路与长风街交叉口，沿长治路地下布置，该车站为地下两层岛式站台车站。车站总长222.6m，车站宽度17.1m，采用双层双跨箱型框架结构，基底埋深约17.5m，车站围护结构采用800mm厚地下连续墙，插入比为 1：0.5。

1.2 工程地地质和水文地质

根据工程详勘报告，基坑开挖范围内地层从上往下依次为杂填土（1-1）及素填土（1-2）、冲积、洪积粉质黏土（2-2、3-3）冲积、洪积黏质粉土（2-3-1、3-4-1）、局部为冲积、洪积中砂（2-5、3-6），底板下为冲积、洪积黏质粉土（2-3-1、3-4-1）、冲积、洪积粉细砂（2-4、3-5）、冲积、洪积黏质粉土（3-4-1）、冲积、洪积中砂（3-6），其中车站北端底板下黏质粉土层为0-4m，粉细砂层为4.0-7.5m，黏质粉土层为7.5-10.0m，中砂层为10.0-15.0m。基坑开挖影响范围内各土层岩土物理力学指标如表1所示。

表1 岩土物理力学指标

车站场地在勘探深度内的地下水主要类型为浅层孔隙潜水，局部存在上层滞水，以 2-4、3-5粉细砂及 2-5、3-6中砂为主要含水层，含水层渗透系数为5～20m/d，该站点富水性中等。场地内地下水主要受大气降水及汾河侧向径流和城市供水、排水渗漏补给。地下水排泄方式以蒸发、人工抽取地下水及侧向径流补给汾河为主。本场地位于汾河东岸约1.5km处，地下水受汾河水侧向径流补给影响。

2 工程特点

基坑开挖深度较大，最深达18.7m。车站地处市中心繁华地段十字路口，基坑两侧管网密集、交通量大，临近建筑物多，环境条件复杂。底板下不透水层较为薄弱，连续墙墙趾位于5m厚的中砂层中，未有效隔断基坑外水源。总之，场区地下水位高，为场地以下6m，同时连续墙未有效隔断基坑外水源，底板下不透水层薄软，对基底涌水涌砂极为敏感。

3 涌水涌砂发生原因与情况分析

2017年4月26日长风街站北端基坑见底，已进行基底平整，在等待垫层混凝土的过程中，发现基底有一处位置出现湿渍，后快速扩大，基底出现涌水涌砂，随时间增加涌水量增大，经现场验证，出水口为直径100mm的孔洞，孔洞深度不详，同时含有大量粉细砂，水压较大。通过查询地质勘察图及现场比对，发现该出水点土质为黏质粉土，渗透系数为0.3，厚度约为4m的隔水层。在出水点处有1处47m深地质勘测孔，经测量放点及现场比对，确认出水口为12cm左右的地质勘测孔。通过后期水头验证，此处涌水涌砂处水头高度为基底以上11m左右。经过事实分析，已确定为地下水层击穿勘察封堵孔发生涌水涌砂，发生涌水险情与连续墙质量无关。基坑地处繁华闹市区，基坑周边建筑物繁多，基坑两侧为新迁改的大量管线，紧邻基坑两侧的市政道路交通量大，一旦险情不能及时控制，将造恶劣社会影响。

4 处理思路及方案

4.1 处理思路

险情发生的第一时间，监测单位及时对基坑涌水位置周边的建筑物、地下管线、路面沉降以及基坑墙体测斜、支撑轴力等监测项目进行不间断的加密监测。现场应急的2台WSS注浆机进行调试，一旦基坑周边发生明显沉降，及时在基坑外进行深孔注浆。

基坑基底发生涌水涌砂处理原则为排水滤砂、堵水、堵排结合三种。长风街站基底发生涌水涌砂险情后制定了处理方案，第一种方案意见为防止险情持续扩大，如果基底涌水涌砂难以控制，应立即进行基坑回填，回填后再对基底进行加固处理；第二种方案是根据周边监测数据，采取措施控制涌水范围和涌砂量，辅以基坑外WSS深孔注浆，防止路面沉降，借鉴坑内井管封堵措施对涌水涌砂处进行封堵。

4.2 方案比选

结合现场具体情况分析，涌水主要位于基底以下粉细砂层及中砂层中，与基坑外的水层有效连通；上涌的粉细砂主要来源于基底下4.0-7.5m的粉细砂层，由于地下连续墙的有效隔断，基坑外层的粉细砂层无关系。第一种方案虽能及时控制险情，但会造成整体工期延续2个月以上，同时费用大幅增加。第二种方案对整体工期影响不大，且费用相对较小，但必须在基坑周边沉降不大的情况下，快速有效的组织施工。综合各种因素，项目决定采用第二种方案。

4.3 方案设计

方案设计思路：①采用直径800-1000mm厚度10mm、长度3.5m钢套筒，以涌水处为圆心插入基底以下1.5m。②在钢套筒周边3m范围内浇筑50cm厚的高标号早强混凝土盖板。③待混凝土终凝后在钢套筒周边1m深度范围进行双液浆加固。④施工垫层、防水、保护层。⑤钢套筒井口采用法兰钢板封堵。⑥施工结构底板、侧墙。⑦采用钢套筒井口钢盖板中心预留的注浆管，用双液浆对涌水位置进行加固。钢套筒井口法兰钢盖板安装时机应该据施工监测数据进行确定。

4.4 涌水涌砂处理

涌水涌砂时基坑已挖至基底，基底涌水处水量及压力较大，以漏水点为圆心，安装钢套筒，限制涌水影响范围；漏水点位于盾构始发端头井，底板后期回填1050mm素混凝土，底板厚度1000mm、垫层250mm，套筒插入基底1.5m，上部外露2m。同时对基坑周边地面、管线、建筑物沉降等情况加密监测，钻机在基坑外深孔钻孔验证，有无掉钻情况，如出现基坑周边路面下沉或钻机掉钻情况，立即在基坑外进行WSS深孔注浆。

钢套筒安装完成后，根据涌水量，钢套筒内2台7.5KW、1台5KW的水泵不间断抽排水，减少涌水从钢套筒周边大量外渗，钢套筒周边3m范围内基底下浇筑50cm厚C50早强混凝土盖板，待混凝土终凝后，立即对钢套筒周边底部100cm范围内进行WSS注浆，封堵钢套筒周边渗水。施工监测数据显示，从涌水涌砂开始，2天期间内基坑西侧道路累计发生沉降为12mm，基坑西侧钢结构建筑物沉降3mm，期间在基坑西侧不同深度进行双液浆注浆；套筒周边注浆完成后调整钢套筒内的水泵位置，使水泵位置尽量接近钢套筒上沿。水泵位置抬高，在水泵水管排水口处观察发现，抽排水含砂量明显大幅减少。注浆完成后立即施工车站底板垫层，根据施工监测数据反馈，基坑周边沉降变化不大，未对钢套筒井口的法兰钢盖板安装，继续施做底板。持续施工监测，周边沉降无明显变化，继续施做侧墙和其它段底板。待第二段底板和第一段侧墙施工完成后安装钢套管井口法兰钢盖板。钢套筒侧壁安装泄水阀门，侧壁泄水阀门打开时，钢套筒井口开始安装法兰钢盖板，钢盖板中心预装3根不同长度的直径25mm的注浆管深入基底涌水口，长管注浆时排水、短管注浆、中管备用。注浆管需与盖板间隙焊接严密，注浆管长度根据孔深按不同深度布设，注浆时采用最短的注浆管，注浆前关闭管壁阀门，进行双液浆注浆直到完全封堵漏水。注浆完成待浆液凝固后，确保3根管无水后从盖板处部切断3根注浆管，封堵完成。

4.5 效果评价

①从基坑监测数据反映，从基底涌水涌砂开始到彻底处理，周边地面沉降累计沉降25mm，建筑物沉降7mm，从时间数据显示，沉降主要出现在险情发生的前3天，后续逐步稳定；围护结构水平位移、支撑轴力累计变化量很小，基本可以忽略不计，说明此次基底涌水涌砂对基坑安全和周边环境安全影响不大。②从涌水涌砂开始24h内，钢套筒井口已具备封堵条件，48h内时钢套筒周边已无明水，周边沉降可控，该方案具备快速处理的时效性。③对整体工期影响2天，相比回填后再处理的时间大幅减少，费用不多。