城市地鐵深基坑施工滲漏水原因分析與預(yù)防

趙云非，王曉琳

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，河南洛陽 471009;2.洛陽理工學(xué)院，河南洛陽 471023)

0 引言

隨著城市地鐵基坑施工深度的增加，深基坑施工中坑內(nèi)降水深度也隨之加深，這樣就形成了基坑內(nèi)外較大的水頭差，給基坑施工帶來巨大風(fēng)險(xiǎn)。2009年天津地鐵某基坑發(fā)生透水事故，僅幾分鐘基坑就被淹沒一半，附近一棟建筑物十幾分鐘內(nèi)開裂、變形、倒塌，整個(gè)透水事故損失近億元。圖1為天津地區(qū)近些年統(tǒng)計(jì)的地鐵施工中事故比例圖。地鐵施工中圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏水占44%，基底涌水占12%，僅這2項(xiàng)就占整個(gè)地鐵施工事故的56%，滲漏水已經(jīng)成為地鐵深基坑施工中發(fā)生最大的施工風(fēng)險(xiǎn)源。文獻(xiàn)［1－3］主要介紹通過提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量來減少滲漏水的發(fā)生;文獻(xiàn)［4］主要就降水過程中如何防止?jié)B漏提出了一些意見;文獻(xiàn)［5－8］主要介紹了物探法和溫度示蹤法在及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏水方面的優(yōu)勢，但以上文獻(xiàn)未從根本上找到滲漏水事故高發(fā)的根源。本文從水文地質(zhì)因素、施工因素、水位監(jiān)測等方面綜合分析了滲漏水高發(fā)的原因，并提出預(yù)防基坑滲漏水的措施。

圖1 地鐵施工事故發(fā)生比例圖Fig.1 Proportions of accidents in construction of Metro works

1 基坑滲漏的原因

1.1 水文地質(zhì)因素

在沿海和東南地區(qū)，地下水豐富，水位高，基坑降水后，基坑內(nèi)外形成較大的水頭差。以天津地區(qū)為例，圖2為天津西站地區(qū)水文地質(zhì)剖面圖，初見水位0.5～1.0 m，圖2中深色陰影部分為微承壓水層，水頭高度5～8 m，這樣基坑開挖到底板標(biāo)高時(shí)，就有約20 m的水頭作用在圍護(hù)結(jié)構(gòu)上。根據(jù)以往監(jiān)測數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖面上下5～8 m變形最大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)一旦在大變形的情況下產(chǎn)生裂縫，基坑就會出現(xiàn)滲漏水。

圖2 水文地質(zhì)剖面圖(單位:m)Fig.2 Profile of hydrogeology conditions(m)

1.2 施工因素

本文涉及的施工因素主要是圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和基坑土方開挖施工。

1.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工

當(dāng)前城市地鐵深基坑施工中主要采用地連墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工水平參差不齊，如果管理人員在現(xiàn)場管理不力，容易造成地連墻施工出現(xiàn)質(zhì)量瑕疵，從而誘發(fā)地連墻出現(xiàn)滲漏水的風(fēng)險(xiǎn)。地連墻施工中經(jīng)常出現(xiàn)的主要問題及形成原因如下:

1)混凝土本身質(zhì)量不好，造成地下連續(xù)墻墻體混凝土開裂漏水;

2)地連墻接頭管繞灰致使接頭處漏水;

3)地下連續(xù)墻施作深度不夠，不足以隔斷透水層;

4)護(hù)壁泥漿欠佳，土體塌落于混凝土內(nèi)，使地下連續(xù)墻形成孔洞引起漏水;

5)地下連續(xù)墻鋼筋籠內(nèi)設(shè)置的接駁器數(shù)量過多，間距較小，并且集中在一個(gè)層面上，容易形成一個(gè)隔斷面，使混凝土的骨料難以充填至2層接駁器間，導(dǎo)致混凝土不密實(shí)而產(chǎn)生滲漏水;

6)地下連續(xù)墻豎直度超標(biāo)、接縫加固不到位、墻體不均勻沉降，造成接頭縫位置開裂。

1.2.2 基坑開挖

關(guān)于地鐵基坑開挖和結(jié)構(gòu)施作，現(xiàn)在還沒有適用于全國的規(guī)范性文件，但在地鐵施工較早的城市主要就開挖方法、開挖深度、架設(shè)鋼支撐等內(nèi)容出臺了相關(guān)地鐵基坑土方開挖規(guī)程。

1.2.2.1 基坑施工

地鐵施工主要步序如下:1)施作地連墻—樁基礎(chǔ)—格構(gòu)柱—坑內(nèi)降水;2)開挖土體至第1道支撐，施作該支撐;3)開挖土體至第2道支撐下0.5 m，施作第2道支撐;4)依次開挖至坑底，施作墊層、結(jié)構(gòu)底板;5)待底板達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，拆除支撐。從施工步序可以很明顯地看到基坑開挖的基本要求就是先撐后挖，施工到支撐下0.5 m后就要架設(shè)支撐，然后才能繼續(xù)開挖。但現(xiàn)實(shí)中由于鋼支撐的架設(shè)干擾挖機(jī)挖土，影響施工效率，很多施工單位為搶工期不顧安全，最終導(dǎo)致事故發(fā)生。

1.2.2.2 現(xiàn)場施工存在的隱患

圖3為某基坑土方施工現(xiàn)場，在基坑端頭，土方已經(jīng)開挖至第2道支撐下5 m多，但第2道鋼支撐卻一直未架設(shè)。根據(jù)以往監(jiān)測數(shù)據(jù)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)在開挖12 h內(nèi)變形最大，變形最大位置集中在基坑底板標(biāo)高上下5 m范圍內(nèi)。如果在基坑開挖到規(guī)定深度不及時(shí)架設(shè)支撐，圍護(hù)結(jié)構(gòu)很可能會出現(xiàn)大變形，致使圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大而開裂，給主體結(jié)構(gòu)施工和基坑開挖帶來安全隱患。

圖3 基坑施工圖Fig.3 Construction of foundation pit

地鐵深基坑土方開挖過程中，另一個(gè)常見安全隱患是在圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)大量堆載。常常堆放大量鋼支撐、開挖的土方、機(jī)具設(shè)備等，大大增加了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的附加荷載，使得圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形過大，導(dǎo)致與其相接的墻體錯(cuò)動(dòng)開裂，造成圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏水。

1.3 水位監(jiān)測中存在的問題

施工監(jiān)測作為深基坑施工的一部分，是確保工程安全的重要環(huán)節(jié)。監(jiān)測的主要作用就是及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工中的風(fēng)險(xiǎn)，提醒施工單位采取措施將事故消滅在萌芽之中。然而在深基坑施工過程中，地下水監(jiān)測卻存在諸多問題。

1.3.1 埋設(shè)時(shí)間不及時(shí)

用于指導(dǎo)基坑監(jiān)測工作的GB 50497—2009《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對水位監(jiān)測有如下規(guī)定:潛水水位管應(yīng)在基坑施工前埋設(shè)，濾管長度應(yīng)滿足測量要求。

什么是“基坑施工前”?一般理解基坑施工前就是基坑開挖之前，許多施工單位都是這時(shí)候才開始埋設(shè)水位管。水位管的埋設(shè)流程如下:1)用地質(zhì)鉆機(jī)鉆孔，鉆孔深度根據(jù)所測區(qū)域水位決定。2)將裝好濾管的水位管下到孔內(nèi)。由于鉆孔時(shí)孔內(nèi)有大量泥漿用于護(hù)壁，所以材質(zhì)較輕的PVC管下不去，只能在管內(nèi)大量注水，才能將管埋設(shè)到設(shè)計(jì)位置。3)回填土體。因?yàn)槟酀{密度較大，水位管在浮力作用下會上浮錯(cuò)位，致使慮管不能安設(shè)在含水層內(nèi)，所以需要回填土體固定管體。從水位管的埋設(shè)過程可以看到，由于下管過程中管內(nèi)注有大量清水，水位管埋設(shè)后并不能立即開始測量，需要2～3周時(shí)間，待到管內(nèi)水位與地層水位恢復(fù)一致時(shí)才能開始測量，而且前3天要測量3次值，取平均值作為初始值，之后才能開始水位的正式測量。由此可見，從埋設(shè)水位管到真正開始水位測量，周期為17～24 d，如果在土方開挖時(shí)才開始埋設(shè)水位管，可能會出現(xiàn)水位監(jiān)測不及時(shí)，影響基坑安全。

如果是基坑開挖后才開始埋設(shè)水位管，往往還會錯(cuò)過基坑開挖前的降水階段監(jiān)測?；咏邓彩撬槐O(jiān)測的重點(diǎn)，因?yàn)楦鶕?jù)開挖前基坑降水過程中基坑外水位變化的情況，就可以初步分析基坑的滲漏水情況。

綜上所述，水位管埋設(shè)的最佳時(shí)間應(yīng)該是圍護(hù)結(jié)構(gòu)完成后基坑降水施工前，將水位管埋設(shè)好，并測量初始值。

1.3.2 各隔水層隔水措施不力

承壓水由于其水量一般較大，而且有一定的壓力，一旦滲漏往往會造成嚴(yán)重的工程事故，所以承壓水是水位監(jiān)測中的重點(diǎn)。規(guī)范中要求承壓水位監(jiān)測時(shí)，被測含水層與其他含水層之間應(yīng)采取有效的隔水措施。規(guī)范的隔水層是采用高質(zhì)量的黏土球回填到孔內(nèi)，回填高度要大于原地層隔水層高度。但現(xiàn)場施工時(shí)，很多單位為圖方便，在承壓水埋管回填土?xí)r都是直接就地取土，使各含水層聯(lián)通，致使水位監(jiān)測的數(shù)據(jù)失去指導(dǎo)意義。

1.3.3 監(jiān)測預(yù)警較難

規(guī)范中水位監(jiān)測報(bào)警值規(guī)定地下水位變化絕對值為1 000 mm，速率為500 mm/d。

地層中由于地下水聯(lián)通性強(qiáng)，當(dāng)局部發(fā)生滲漏，其他區(qū)域水很快補(bǔ)給過來，監(jiān)測顯示水位變化不明顯，難以評估水位下降帶來的施工風(fēng)險(xiǎn)。由于水位監(jiān)測的非連續(xù)性，一旦水位監(jiān)測出現(xiàn)明顯下降，可能已經(jīng)發(fā)生大的滲漏水事故。目前的水位監(jiān)測方法在實(shí)際施工中很難達(dá)到預(yù)警要求，基坑水位監(jiān)測仍有大量基礎(chǔ)工作需要各方人員不斷總結(jié)與完善，并最終形成規(guī)范性文件，指導(dǎo)水位監(jiān)測工作，保障基坑施工安全。

2 滲漏水的預(yù)防處理

預(yù)防基坑滲漏水事故的發(fā)生，不僅需要加強(qiáng)施工管理提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的施工質(zhì)量，截?cái)喾舛聺B漏水發(fā)生的通道，更應(yīng)該加強(qiáng)基坑土方開挖過程的管理，嚴(yán)格按規(guī)范施工。但即使施工中嚴(yán)格按規(guī)范操作，在圍護(hù)結(jié)構(gòu)和土方施工中也難免會出現(xiàn)問題，當(dāng)這種不利情況出現(xiàn)時(shí)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)滲漏水并采取措施顯得尤為重要，這樣就可以用較少的成本，將風(fēng)險(xiǎn)消滅在萌芽之中。

2.1 及早發(fā)現(xiàn)滲漏

根據(jù)上文的介紹，現(xiàn)有的水位監(jiān)測手段無法滿足，只能完善和提高基坑施工中的水位監(jiān)測手段。常用的有如下幾種:

1)近似計(jì)算方法及室內(nèi)的模型或模擬試驗(yàn)分析方法。該方法主要是通過現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)流體力學(xué)解析解法、水力學(xué)法、圖解法等進(jìn)行分析判斷。該方法對監(jiān)測人員要求較高，而且理論計(jì)算與選取的計(jì)算方法、計(jì)算參數(shù)關(guān)系很大，預(yù)測結(jié)果只能定性反映水位變化情況。

2)同位素示蹤法。該方法是通過在地層中放入同位素示蹤劑，利用示蹤儀進(jìn)行跟蹤測量，找到滲漏通道和滲漏點(diǎn)?？梢栽跐B漏水發(fā)生時(shí)，對水源進(jìn)行確定，預(yù)測目的不易達(dá)到。

3)高密度電法［5－6］。它是以巖土體的電性差異為基礎(chǔ)的一種探測方法，根據(jù)在施加電場作用下的地層的傳導(dǎo)電流分布規(guī)律，推斷地下具有不同電阻率的地質(zhì)體賦存狀態(tài)。該方法對山區(qū)和采空區(qū)等不良地質(zhì)探測較為準(zhǔn)確，但易受電力設(shè)施和地下管線干擾，在探測滲漏水方面不具優(yōu)勢，而且也只能是定性的，無法定量監(jiān)測。

4)溫度示蹤法。隨著國內(nèi)外對于溫度示蹤法和反分析研究的發(fā)展，滲流監(jiān)測領(lǐng)域出現(xiàn)了新的研究理論和方法，并發(fā)展成為一種新的理論，即滲流熱監(jiān)測理論，在此理論基礎(chǔ)上發(fā)展了滲流熱監(jiān)測技術(shù)，它不僅能更準(zhǔn)確、有效地反映土體內(nèi)部的滲流狀態(tài)，而且能加深對滲流狀態(tài)發(fā)展變化過程的認(rèn)識，能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)早期滲漏情況和滲漏點(diǎn)。

溫度示蹤法在基坑滲漏監(jiān)測中主要有以下優(yōu)點(diǎn):①監(jiān)測儀器價(jià)格低廉，現(xiàn)場操作簡單;②可以實(shí)現(xiàn)長時(shí)間連續(xù)監(jiān)測;③現(xiàn)場一般技術(shù)工人就能進(jìn)行監(jiān)測。

溫度示蹤法檢測原理:地層表面的溫度與環(huán)境溫度有關(guān)，隨季節(jié)發(fā)生周期變化。這主要是因?yàn)榈貙颖砻娴臏囟炔粌H受地表附近的大氣溫度影響，還受到太陽照射的影響，因此地表的溫度是有季節(jié)性的。由于地表水的溫度是隨著地表大氣環(huán)境溫度變化的，地表水補(bǔ)給到地下后，將影響地層中的溫度，影響的程度與補(bǔ)給量和距離等因素有關(guān)。在季節(jié)溫度影響點(diǎn)(如鉆孔溫度曲線上的拐點(diǎn))以下深部地層的溫度將隨著深度的增加而上升。所以根據(jù)地層中溫度的變化就可以準(zhǔn)確地判定地層滲流的分布情況，從而確定地層的滲透性以及集中滲漏等［7－8］。

當(dāng)鉆孔穿過裂隙或滲漏帶時(shí)，由于受地下水水平流動(dòng)的影響，溫度分布曲線會出現(xiàn)“尖峰狀”異常，如圖4所示。圖4(a)為地層中無強(qiáng)滲漏帶時(shí)，鉆孔中溫度分布的正常曲線，此時(shí)溫度曲線分布只與深度有關(guān)，隨深度增加而線性增加，反映正常的地層溫度分布。圖4(b)為鉆孔穿過地層中的強(qiáng)滲漏帶，且滲漏水的溫度較高時(shí)，導(dǎo)致溫度分布曲線出現(xiàn)異常，根據(jù)曲線發(fā)生異常的變化進(jìn)行分析。

溫度示蹤法現(xiàn)場操作也較為簡單，使用測溫儀器測量水位管內(nèi)不同深度水的溫度，繪制曲線，根據(jù)曲線的變換規(guī)律分析滲漏水情況。這一方法與傳統(tǒng)的方法相結(jié)合，在成本投入不大的情況下，可以較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)滲漏水地點(diǎn)，預(yù)防涌水事故的發(fā)生。

2.2 滲漏封堵措施

對于地下連續(xù)墻的接頭輕微滲漏，可采用先引后堵方式進(jìn)行封堵。首先，沿地下連續(xù)墻豎向接頭的混凝土表面開鑿出一條約3 cm×3 cm的凹槽，放入半圓形的PVC管，此時(shí)滲水沿半圓槽向下流動(dòng)，表面用速效水泥進(jìn)行封堵，形成滲水暗道。其次，進(jìn)行混凝土襯砌施工，當(dāng)襯砌混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再對滲水暗道自下而上反向注雙液漿，快速填充滲水通道。

當(dāng)滲漏水較大時(shí)，就需要對地連墻外側(cè)土體進(jìn)行處理，常用的處理措施為高壓旋噴法和袖閥管注漿法。

1)高壓旋噴。高壓旋噴灌漿是利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆進(jìn)土層后，從噴嘴噴射固化劑，沖擊破壞土體，同時(shí)提升鉆桿，強(qiáng)制攪拌，使固化劑與土體充分混合形成一體，經(jīng)固化后形成一定強(qiáng)度、互相咬合的地下防滲漏帷幕，從而封堵地連墻裂縫，達(dá)到阻止泥砂從裂縫處流失的目的。該方法既經(jīng)濟(jì)、快速、安全可靠，又不影響后續(xù)施工。

2)袖閥管注漿。用鉆機(jī)進(jìn)行套管鉆孔，鉆到規(guī)定的深度，安設(shè)袖閥管。通過袖閥管可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定位注漿，封堵地下水并對周邊土體進(jìn)行加固。袖閥管注漿工藝具有以下優(yōu)點(diǎn):①可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、定位注漿;②可進(jìn)行多次重復(fù)注漿;③注漿時(shí)范圍較容易控制;④鉆孔和注漿作業(yè)可平行作業(yè);⑤可根據(jù)地層特點(diǎn)選擇不同的注漿段長和注漿壓力。一般滲漏水，通過上述措施基本可以實(shí)現(xiàn)封堵。袖閥管結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 結(jié)論與建議

基坑滲漏水防治是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，對于施工的各個(gè)環(huán)節(jié)都十分重要。在當(dāng)前的施工現(xiàn)狀下，及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期滲漏并采取有效措施是最為重要的。針對滲漏水事故的預(yù)防，有如下建議:

1)對圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行詳細(xì)記錄，結(jié)合工況科學(xué)分析水位監(jiān)測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析判斷滲漏水原因。

2)選擇科學(xué)、有效的水位監(jiān)測方法，提高水位監(jiān)測的靈敏性，積極預(yù)測基坑滲漏水狀況。

3)根據(jù)水位、圍護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境對滲漏水發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)及危害進(jìn)行準(zhǔn)確評估。

4)一旦局部發(fā)生滲漏水，應(yīng)該采取積極有效、快速高效的封堵措施，預(yù)防滲漏水事故發(fā)生。

［1］ 任振東，杜士俊，劉海民.地連墻質(zhì)量通病的預(yù)防和處理［J］.水運(yùn)工程，2009(12):99 －105.(REN Zhendong，DU Shijun，LIU Haimin.Prevention treatment of common quality defects of diaphragms［J］.Port ＆ Waterway Eegineering，2009(12):99 －105.(in Chinese))

［2］ 左樹國.淺談地下連續(xù)墻施工中常見的問題及解決辦法［J］.黑龍江科技信息，2010(33):282，171.(ZUO Shuguo.Prevention treatment of common quality defects of diaphragms［J］.Heilongjiang Science and Technology Information，2010(33):282，171.(in Chinese))

［3］ 胡昌玉.地鐵軟土地層超深地連墻施工技術(shù)［J］.中國高新技術(shù)企業(yè)，2011(10):78 －79，50.

［4］ 徐勇，張勇.微承壓水層超深基坑施工降水防滲技術(shù)［J］.建筑施工，2007(8):29 －37.(XU Yong，ZHANG Yong.Water lowering and anti-leakage technology for super deep foundation pit construction under micro water pressure［J］.Building Construction，2007(8):29 － 37.(in Chinese))

［5］ 王紹彪，湯浩.綜合物探方法在探測基坑圍堰滲漏中的應(yīng)用［J］.人民珠江，2011(S1):52 －53.(WANG Shaobiao，TANG Hao.Application of integrated geophysical methods to pit cofferdam leakage detection［J］.Pearl River，2011(S1):52 －53.(in Chinese))

［6］ 夏建中，羅戰(zhàn)友，龔曉.錢塘江邊基坑的降水設(shè)計(jì)與監(jiān)測［J］.巖土力學(xué)，2008(S1):655 － 658.(XIA Jianzhong，LUO Zhanyou，GONG Xiao.Dewatering design and monitoring of building foundation pit nearby Qiantang river［J］.Rock And Soil Mechanics，2008(S1):655 － 658.(in Chinese))

［7］ 董海洲，陳建生.利用溫度示蹤方法探測基坑滲漏［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(4):12－23.(DONG Haizhou，CHEN Jiansheng.Study on groundwater leakage of foundation pit with temperature tracer method［J］.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2004(4):12 －23.(in Chinese))

［8］ 李端有，陳鵬霄，王志旺.溫度示蹤法滲流監(jiān)測技術(shù)在長江堤防滲流監(jiān)測中的應(yīng)用初探［J］.長江科學(xué)院院報(bào)，2000(12):48 － 51.(LI Duanyou，CHEN Pengxiao，WANG Zhiwang.Application of temperature indication method in seepage monitoring of Yangtze river levee［J］.Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2000(12):48 －51.(in Chinese))